星载高动态范围差分吸收成像光谱仪成像电路设计及实现

星载差分吸收成像光谱仪通常运行于太阳同步轨道,探测地表反射光的光谱并根据特征气体的谱线吸收强度测量区域内某些痕量气体浓度。第一代星载差分吸收光谱仪受限于探测器性能等原因,探测的动态范围不大,造成暗背景下数据信噪比低,亮背景下像元饱和。随着更大阱深,更高速度的探测器出现,第二代高动态范围的差分吸收成像光谱仪得以实现。本文介绍了高动态范围的差分吸收光谱仪成像电路的研制过程,包括器件选型,电路方案及电路测试,并对测试结果进行了分析。重点讨论了高动态范围的实现,给出了单点测量值的概念,提出了最大单点测量值的计算公式,解释了最大单点测量值与动态范围的关系,并评估了探测器件的单点探测能力,同时规划了未来进一步提高动态范围的方法,从而为同类设备的研制提供参考。

MAX-DOAS重建NO_(2)竖直平面分布的方法研究

多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)结合计算机断层重建算法可获取目标痕量气体的空间分布情况。为研究在具有背景浓度的条件下,如城市背景下某个竖直截面上重建NO_(2)空间分布的可行性,设计了气体浓度可控条件下的验证性实验;证明了利用MAX-DOAS在竖直平面重建NO_(2)气体分布的可行性。将充入标准气体的JGS1石英玻璃样品池作为研究对象,使用两台MAX-DOAS采集光谱数据。将气体浓度的梯度作为先验信息,利用经典的ABOCS算法和Barzilai-Borwein算法重建了竖直平面内的NO_(2)气体分布,验证了利用MAX-DOAS在竖直平面内重建NO_(2)气体空间分布的可行性,同时确定了背景浓度对重建结果的影响。研究结果表明,以天空为背景的光谱作为参考谱和以空样品池为背景作为参考谱,反演得到的NO_(2)浓度非常接近,因此研究对象中的样品池容器在NO_(2)竖直平面分布重建方法中对实验结果的影响可以忽略。实验中以市区为背景的MAX-DOAS具有较高的背景浓度,特别是在仰角较低的情况下NO_(2)背景浓度几乎达到6×10^(16)molec·cm^(-2),以城市郊区没有明显的污染源为背景的MAX-DOAS,背景浓度较低可以忽略。重建结果显示,当仰角为28°时,气体沿光路的平均分子数密度为3.9327×10^(15)molec·cm^(-2),且在样品池内下部密度大,上部密度小;重建得到的SCD和测量得到的SCD符合比较好,计算结果显示重建得到的气体分子数密度的峰值为5.77×10^(15)molec·cm^(-2),与以城市郊区为背景的MAX-DOAS反演结果较为接近,而以市区为背景时,特别是仰角较小时,NO_(2)背景浓度特别明显,重建结果比测量结果的值小很多。结果表明,背景浓度在重建图像中表现为伪影,影响对气体分布的观察,而如果在重建算法时加入利用样品池内外气体存在浓度突变这一先验信息,能够减轻背景浓度对重建结果造成的影响。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的实验室定标

采用四通道凸面光栅成像光谱仪设计了星载大气痕量气体差分吸收光谱仪,该光谱仪用天底推扫方式探测地球地表或天空散射光信号,基于痕量气体对不同谱段光信息的"指纹"吸收和差分吸收光谱算法定量获取大气痕量气体分布。针对该光谱仪的大视场、宽谱段、高分辨率(光谱、空间)等特点,提出了相应的光谱定标和辐射定标方法,建立了定标系统,实现了对载荷的光谱定标和辐射定标,并对其定标的不确定度进行了分析。结果表明,载荷光谱定标不确定度为0.027nm,辐射定标不确定度为2.96%,满足给定的技术指标要求,为载荷的定量反演提供了保证。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。

星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

石英漫反射板用于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量太阳参考谱的观测系统中,太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度,为保证载荷全视场太阳光谱的测量精度,石英漫反射板需具有良好的朗伯特性,在仪器观测视场内能够提供均匀的光源。为此,在实验室利用双向反射分布函数(BRDF)测量仪,选取F4(聚四氟乙烯)粉压制板作为标准板,采用相对测量法对研制的四种石英漫反射板样品进行了朗伯特性测量,得出了四种样品在波长180~880nm、观测角度-70°^+70°范围内的BRDF。通过对样品BRDF的分析,筛选出了两种工艺下的朗伯特性较好的石英漫反射板作为初选样品,并测量比较了石英漫反射板和F4标准板对太阳光的漫反射光谱,石英漫反射板对太阳光的反射特性较好,可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。为进一步的紫外辐照、原子氧侵蚀等试验以及对比试验提供了数据支持。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪杂散光抑制

考虑杂散光对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量精度的影响,设计了遮光罩和其他消杂光结构来抑制杂散光,并对杂散光进行了分析。利用TracePro软件分析了系统紫外通道1(240～315nm)的杂散光水平,确定了杂散光传输的一次、二次散射路径。根据杂散光传输路径,计算了杂散光评价指标点源透射比(PST)曲线,结果显示杂散光抑制措施效果明显,PST小于3×10-5,中心视场杂散光照度水平为5.472×10-4,最终杂散光水平达到了设计指标要求。采用截止滤光片法测量了系统的杂散光水平,结果表明:中心视场杂散光比值为8.167×10-4,和仿真结果接近,验证了仿真过程的准确性,说明设计的消杂光机构能够满足抑制系统杂散光的要求。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标机构设计

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(星载仪器)搭载于太阳同步轨道卫星上,应用于定量监测全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程。星上定标是成像光谱仪获取数据定量化应用的基础,星载仪器采用太阳光定标方式和标准灯定标方式进行在轨定标。需对星上定标方式采用的定标机构进行分析和合理的设计,以保证星载仪器在轨定标的可靠性和精度。

基于成像差分吸收光谱技术和压缩感知理论的烟囱烟羽断层重建研究

烟羽断层重建质量受两方面条件限制:其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)进行CT重建,受采集数据速度的限制,重建图像的时间分辨率较低。另一个限制条件是,采集到的数据量有限,是典型的不完全角度重建。过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法,重建图像受测量误差的影响比较大,分辨率较低且伪影较多。构造了基于成像差分吸收光谱技术(IDOAS)的光谱数据采集系统,与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比,数据采集的时间分辨率提高了160多倍,基本解决了时间分辨率的问题。提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法——投影凸函数集低三阶导数法,简称为POCS-LTD。在投影的过程中,使用代数重建算法使重建图像符合投影方程;在全变分迭代的过程中使用了优化算法,将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向,前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。对重建算法进行了数值模拟,并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标,对重建结果进行了分析。数值模拟表明,算法具有良好的抗误差能力,与传统的低三阶导数法相比,本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。使用烟羽数据采集系统进行了外场实验,用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建,重建图像显示烟羽图像清晰,伪影得到了较好的抑制。介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法,提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率,减少了重建图像的伪影,扩大了光谱测量技术的应用范围。

机载成像光谱仪CCD制冷系统设计与实现

为减小紫外成像光谱仪中CCD暗电流噪声,提高系统信噪比,需要对CCD进行制冷.为此采用模拟比例-积分-微分电路设计了CCD制冷电路,利用Zregler-Nicholas经验整定方法确定比例-积分-微分参量,以实现降温速率不大于5℃/min、温度稳定度为±0.05℃,满足最大制冷温差.将该制冷系统应用于机载成像光谱仪进行了测试,结果表明:环境温度变化不会影响制冷效果,在达到制冷目标温度-20℃后,CCD探测器暗背景下光谱维噪声平均灰度响应值为1 072,暗背景信号非均匀性下降到0.5%,满足光谱数据反演要求.

超高分辨差分吸收光谱技术测量火焰中OH自由基

介绍了超高分辨差分吸收光谱测量火焰中OH自由基的实验方法与结果分析。实验以准直氙灯作为光源;使用基长为20 m,反射次数176次,总光程为3 520 m的怀特结构多次反射池扩展光程;使用光谱分辨率为3.3 pm的超高分辨中阶梯光栅光谱仪作为光谱采集系统。该系统满足对OH自由基单根吸收谱线测量的需求。实验获得了OH自由基在308 nm附近的6条特征吸收峰。利用此方法对蜡烛、酒精灯、酒精喷灯火焰中的OH自由基进行了监测,并反演了它们的浓度。

成像差分吸收光谱系统设计及应用

被动差分吸收光谱技术(DOAS)是一种以太阳散射光为光源,利用不同气体分子的特征吸收来实现气体定性定量测量的方法。成像光谱技术作为一种新型光电探测技术,能同时获取观测区域的空间信息和光谱信息,该技术与DOAS结合构成了成像差分吸收光谱系统(IDOAS),可实现对气体的二维成像测量。设计了基于凸面光栅Offner成像光谱仪、面阵CCD、紫外镜头和扫描旋转台的成像差分吸收光谱系统,描述了系统的组成并着重介绍了Offner成像光谱仪的光学设计。针对该系统开发了基于MFC框架的软件系统,实现了探测器参数设置、数据采集与显示、数据存储、电机扫描控制、多波段成像、图谱合一等功能。利用该系统对发电厂烟羽排放进行外场测量,采用被动差分吸收光谱方法对采集的太阳散射光谱进行处理获得SO_2柱浓度,实验证明系统运行稳定可靠,可用于污染气体的二维成像解析。

基于BM3803的步进电机控制系统设计与实现

针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪太阳定标光路切换转动部件的实现,提出了基于BM3803的步进电机控制系统,通过步进电机带动扭簧转动凹面反射镜,实现光路的切换.设计了基于国产航天芯片BM3803FMGRH和专用驱动芯片LMD18200的步进电机开环控制系统,给出了基于BM3803FMGRH的控制电路和搭建了LMD18200的驱动电路,编写了步进电机的控制程序.当步进电机转动89步时,扭簧旋转角度为80.1°,微动开关导通,光路切换成功.为后续星载差分吸收光谱仪的设计提供参考.

基于稀疏优化的烟羽断层重建方法

烟羽断层重建一般使用两台光谱仪采集数据,属于典型的不完全角度重建.为了提高重建结果的稳定性和接近度,将压缩感知理论引入气体分布重建领域.提出了一种新的计算机层析算法--低三阶导数全变分法,用于重建电厂烟囱排放的SO2截面的二维分布.使用低三阶导数模型模拟气体扩散,认为气体浓度对位置的三阶导数是稀疏的.将重建图像的全变分作为目标函数,并通过数值最优化方法求得气体浓度分布的最优解.数值模拟的结果表明,与传统的低三阶导数法相比,低三阶导数全变分法将接近度提高了80%以上.外场实验表明,重建图像的一致性相关因子达0.9023.低三阶导数全变分法能有效消除测量误差对图像重建的影响,提高重建图像的质量.

超光谱成像差分吸收光谱系统烟羽测量研究

研究一种测量污染气体(如SO_2,NO_2)二维分布的光学遥感方法,即采用超光谱成像差分吸收光谱(DOAS)系统在扫描转台上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分吸收光谱处理方法对采集到太阳散射光谱进行处理获得柱浓度,结合转台扫描,最终实现污染气体的二维成像解析。着重描述了基于成像差分吸收光谱仪、紫外镜头及扫描转台的超光谱成像差分吸收系统,并利用该系统对热电厂烟羽排放进行了外场测量,该技术为污染源实时成像测量提供了一种简便的方法。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪前置光学系统设计

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪通过获取地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光辐射,监测大气痕量气体的全球分布。为实现大视场、紫外/可见光宽波段探测、高光谱分辨率和小型化等研制目标,设计了一种前置光学系统,具体由前置望远镜和中继光学系统构成。其中,前置望远镜通过两片偏轴球面镜实现在交轨方向114°视场的覆盖;中继光学系统则通过中继反射镜、分色片及中继镜头将探测光谱(240～710nm)分为4个光谱通道,并将各谱段的光分别导入各自光谱成像系统中进行探测。设计结果表明,前置光学系统在大视场范围内、在探测的紫外/可见光宽波段内均能具有良好的成像结果,为后续的光谱成像达到高光谱分辨率提供了保障。前置光学系统整体体积紧凑,重量轻,在无摆扫前提下,满足大视场需求以及适应星载等平台的搭载需求。

基于QE65000光谱仪和DOAS的大气痕量气体浓度测量

针对QE65000光谱仪低噪声、紫外灵敏度高且尺寸小和重量轻等特点,开发了基于QE65000的差分吸收光谱(DOAS)遥测系统。首先研究了QE65000光谱仪探测器的偏置、暗电流以及暗电流与积分时间的关系,然后利用汞灯标定了光谱仪的波段范围和分辨率,并构建了基于QE65000的DOAS遥测实验装置,给出利用此系统测量的大气痕量气体吸收光谱和氙灯吸收谱,基于差分原理反演了大气中痕量气体的浓度,并给出测量误差和遥测系统探测低限。研究结果表明QE65000光谱仪应用于差分系统,为实现DOAS系统的小型化、便携化提供了可能。

星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学设计

研究星载宽视场差分吸收成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据宽覆盖轻小型星载大气痕量气体差分吸收成像光谱仪的研究目标,采用偏轴两镜系统和中继系统匹配的结构型式设计出无遮拦宽视场望远系统,将宽视场望远系统和Offner光谱成像系统匹配,设计了一个视场60°×0.24°、相对孔径1/3、工作波段280～450 nm的星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件Zemax-EE进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图半径的均方根（RMS）值均小于5 mm,光谱分辨率0.692 nm,满足不大于1 nm的指标要求,差分吸收成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.67以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。

基于机载与车载差分吸收光谱技术同步观测的污染源NO_x排放通量的分析

研究一种基于机载和车载被动差分吸收光谱(DOAS)技术测量大气污染气体排放通量的光学遥测方法。利用机载成像光谱仪和车载DOAS光谱仪对工业区进行同步走航观测,利用光谱反演获得区域NO2垂直柱浓度分布情况及扩散趋势,然后根据实时风场数据,结合NOx在大气中的衰减模型,推导出NOx衰减情况及氮氧化物各成分占比,进而获得污染源NOx的排放通量。所提方法修正了NOx在大气中的衰变,计算了该工业园区电厂和钢厂的NOx排放通量分别为3.3331×1024 molecule·s-1和2.6138×1024 molecule·s-1。结果表明:机载和车载观测结果的一致性较好,与未经修正NOx衰变获得的排放通量相比,所提方法获得的排放通量精度提高了约5%~20%。与车载或机载独立观测方式相比,所提方法结合了机载扫描范围大和车载探测空间分辨率高的优点,更有利于对污染扩散趋势的掌握,提高了探测精度。

微型紫外光谱仪分析系统的研究

针对微型紫外光谱仪应用设计要求,开展了紫外光谱仪系统研究,完成了Ⅳ型光学系统设计。研制出在线实时分析的微型紫外光谱仪,对样机主要参数的测试表明:其工作波长为200~400nm,分辨率达0.31nm,波长准确性为±0.1nm,信噪比为507∶1。通过12h系统稳定性测试,结果表明该样机光谱波动小于0.47%,达到了光谱仪长期工作的稳定性要求。在25℃的实验条件下通过SO2气体对光谱仪性能进行测试,基于差分吸收光谱技术理论,完成了标准气体的差分吸收截面计算。通过连续24h对质量浓度为20~100mg/m3的SO2进行测试,结果表明光谱仪测试数据反演质量浓度的波动性小于1%,线性误差小于0.6%,最大示值误差为-0.56mg/m^3。

基于差分光学吸收光谱方法的OH自由基定标系统研究

介绍了一种基于差分光学吸收光谱(DOAS)方法的OH自由基定标系统,该系统可产生一定浓度的OH自由基并同时进行精确测量.系统采用紫外灯185 nm光线分解水汽产生OH自由基,利用500 W氙灯准直光作为光源;使用基长1.25 m、反射次数60次、总光程75.0 m的多次反射池来增加OH自由基的吸收光程;以超高分辨率中阶梯光栅光谱仪(最高分辨率3.3 pm)作为光谱采集系统对光谱信号进行采集,采用DOAS测量方法获得OH自由基的浓度.通过改变腔内水汽的浓度,系统准确测量了5×108—1.8×1010molecules/cm3浓度范围的OH自由基.分析了OH自由基测量过程中受到的吸收截面偏差、气压等因素影响,得到系统总测量误差小于7.3%.在实验的浓度范围内,系统可用于大气OH自由基气体扩张激光诱导荧光测量技术的定标.