Symmetrical Processing of Interferogram and Spectrum Reconstruction in Interference Spectrometer

Because of its all-reflective layout based on the Fresnel double-mirror interference system, the newly developed Fourier transform imaging spectrometer has a very large spectral bandwidth ranged from a cut-off wavelength (related to the cut-off wave number σ max ) to far infrared. According to the signal's symmetry and wide-band characteristics, a simple method that can efficiently weaken the low frequency noise in the reconstructed spectrum is presented. Also, according to the symmetry, the eigenvector method is applied to the reconstruction of the spectrum.

间接型光谱成像仪相对光谱响应函数标定方法

间接型光谱成像仪通常采用面阵探测器作为光电转换器件,探测器像元间光谱响应的不一致性会导致采集到的目标光谱失真,所以标定和修正像元间光谱响应的不一致性是提升间接型光谱成像仪光谱辐射测量精度的重要手段.本文以干涉光谱成像仪为例,分析了系统像元间相对光谱响应不一致对目标光谱辐射测量准确性的影响,提出了基于傅里叶变换调制定标源的间接型光谱成像仪全系统相对光谱响应函数测量方法,并建立了相对光谱响应函数标定的数理模型.仿真分析结果表明,理想无噪声时,像元间1%的相对光谱响应不一致性会对复原光谱造成1.02%的相对误差,经过相对光谱响应校正后,不同行复原光谱的相对误差降至0.08%.最后,仿真分析了相对光谱响应不一致性在不同光谱信噪比下的校正效果.该方法可提高间接型光谱成像仪光谱测量的准确性和一致性.

双弹光拍频调制型Fourier-Bessel变换成像光谱技术研究

针对现有弹光调制器（photoelastic-modulator ，PEM ）的调制频率高（几十kHz以上），调制干涉信号频率更高，普通阵列探测器无法有效采集，提出了一种基于双弹光调制器拍频调制和傅里叶-贝塞尔（Fourier-Bessel）变换的光谱测量方法，并结合CCD成像技术构成新型双弹光调制成像光谱技术（dual-photo-elastic-modulator-based imaging spectrometer ，Dual-PEM-IS）。该方法将双弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率上，以对光进行拍频调制，并产生载有被测光的低频调制分量（比驱动频率小2～3个数量级，普通CCD可实现探测），通过对调制信号中的低频成分进行 Fourier-Bessel变换可得到目标光谱，使得弹光调制兼具了成像和光谱测量能力。介绍了其原理并推导出光谱反演公式，并通过仿真和实验验证其可行性，分析了光程差的微小偏差对反演光谱造成的影响，为进一步工程化实现提供了必要的理论基础。

一种平面静电离子阱非正弦镜像电荷/电流信号的定量转换新算法

傅里叶变换质谱(FTMS)的质量分辨率取决于镜像电荷/电流的采集时间。为了在较短的时间内获得较高的分辨率,除增加分析器场强外,还可以利用镜像电荷信号中的高次谐波。平面静电离子阱获得的镜像电荷信号具有非正弦波形,其中包含许多高次谐波成分,增加了频谱分析的复杂程度,例如,难以辨认1个谱峰的谐波次数,以及当不同次的谐波发生重叠时出现定量困难。为了将多质荷比离子的镜像电荷信号转换成质谱,本文开发了一种新的定量算法,包含谱峰评分分类(SC)和最小二乘法拟合(LSF)。通过评分可以确定每个峰属于哪一次谐波,从而确定其对应的基频。打分算法列出所有候选离子的基频,并使用确定的基频构建所有基信号,然后用其对原频谱进行LSF,以确定每种质荷比离子的数量。使用48种不同质荷比离子的仿真镜像电荷信号对SCLSF算法进行测试。结果表明,该方法允许较宽的质量范围,即使在高噪声条件下,通过SC-LSF算法也能准确得到各种不同质荷比离子的数量。因为频谱中通常存在大量的空白频点,可以选择1个频点子集进行LSF,这相对于时域中的LSF,能够大大减少计算量,提高效率和准确度。此外,只有使用复数频谱数据进行LSF时才能获得良好的定量效果,而使用幅值数据则会对质荷比接近的离子定量造成较大的误差,这是因为质荷比接近的离子信号的低次谐波峰未能彻底分解,而复数的幅值不具有可加性,从而造成拟合的错误。

信息散度与梯度角正切相结合的光谱区分方法

提出了将光谱信息散度和光谱梯度角正切相结合的光谱区分方法(SID×tan(SGAπ/2)),克服了现有光谱区分方法难以同时兼顾光谱整体形状和局部特征的不足。利用仿真光谱作为输入源,根据时空联合调制干涉成像光谱仪的干涉图获取原理和光谱复原算法,模拟了其在不同最大掺杂比下对失真光谱的复原,并采用不同区分方法分别比较了复原光谱与准确光谱的差异。实验结果表明SID×tan(SGAπ/2)法可以在辨别光谱整体形状相似性的前提下,增强对光谱局部特征差异性的分辨能力。通过对多种区分方法结果的对比,验证了SID×tan(SGAπ/2)法在光谱区分能力上的显著提高。

空间调制型干涉光谱成像仪数据处理方法

干涉型光谱成像技术是一种新型的光谱成像技术,近些年来发展迅速。干涉成像光谱仪获得的是间接数据干涉图,不能被用户直接使用,需要进行干涉数据反演处理,包括数据预处理(干涉图修正)、切趾、相位修正、傅里叶变换、光谱辐射定标等一系列复杂的处理,目前国内外尚未有文献对干涉数据处理技术进行全面的分析,文章基于作者单位对此技术多年的研究,针对空间调制型干涉光谱成像仪的数据处理方法,结合环境与灾害卫星超光谱成像仪的数据,提出了一套有效的数据反演方法和流程,获得了很好的数据反演结果。

成像光谱仪分光技术概览

论文介绍了多种成像光谱仪的分光技术。棱镜或光栅色散型成像光谱仪技术成熟 ,应用广泛 ;在发散光束中使用光栅的方法 ,克服了准直光束用法中的一些缺陷 ;傅里叶变换光谱仪是遥感探测可见和红外弱辐射的有力工具 ;光楔成像光谱仪结构简单 ,随着渐变滤光片工艺技术的成熟 ,已走向实用化 ;采用可调谐滤光片的成像光谱仪由于滤光片水平的限制 ,投入应用还有待时日 ;采用二元光学元件的成像光谱仪结构紧凑 ,体积小 ,扫描速度快 ,已研制出地面实用型产品 ;层析成像光谱仪原理新 ,目前还处在实验阶段 ;三维成像光谱仪可以同时获取二维影像和一维光谱信息 ,可实现对迅变目标的观测。

干涉成像光谱仪切趾函数对复原光谱的影响分析

随着搭载干涉成像光谱仪HJY20-1-A的我国环境与减灾遥感卫星HJ-1A即将发射,我国干涉光谱成像研究也从实验室开始走向实用化.在干涉光谱成像过程中,切趾函数处理是干涉成像光谱仪光谱复原过程中的一个重要环节,对复原光谱的精度有着极其重要的影响.根据HJY20-1-A的参数设置,文中首先模拟了24种典型地物对应于HJY20-1-A和其它最大光程差设置的干涉成像光谱仪数据,在不同切趾函数作用下的复原光谱,结果表明Hann ing函数是其中最有效、最为稳定的切趾函数,同时发现切趾函数的应用虽然可以提高复原光谱的精度,但与真实光谱仍存在一定差距,尤其对应HJY20-1-A,复原光谱的精度更加有限.在以上分析基础上,提出了基于仪器线型函数标准化的光谱复原改进算法,实验结果证实了该方法可以显著提高复原光谱精度,尤其适用于最大光程差较小的空间调制型干涉成像光谱仪.最后,就HJY20-1-A复原光谱对3种典型植被指数求解,进一步证明了该方法的有效性.

成像干涉光谱仪信噪比分析

以Sagnac型成像干涉 (傅里叶变换 )光谱仪为例 ,详细推导了空间调制型成像干涉光谱仪信噪比的一般表达式 ,分析了各种因素与信噪比之间的关系并得出了相应的结论。

傅里叶变换成像光谱数据压缩

通过对傅里叶变换成像光谱仪数据的高低频反演光谱与光程差间的关系进行分析,提出一种光谱插值预测与量化编码压缩方法.仿真结果表明,在相对光谱二次误差<1%的情况下,压缩比优于5∶1.

用于遥感光谱探测的干涉成像光谱技术

由于干涉成像光谱仪具有高通量、高光谱分辨率和光谱多通道等优点 ,成为超光谱分辨率遥感方面的研究热点 ,文章简要分析了国内外的研究现状和干涉成像光谱仪的应用前景 ,主要介绍时间调制型干涉成像光谱仪和基于变形Sagnac干涉仪、双折射棱镜及Savart板等空间调制型的干涉成像光谱仪的形式、原理和特点 ,分析了其光学结构和影响光谱分辨率的因素。

傅里叶变换红外成像光谱仪实时光谱复原FPGA芯片系统研究

针对傅里叶变换红外成像光谱仪实时数据处理技术的要求,研究了一种基于FPGA的集干涉图非均匀性校正、光谱复原、光谱辐射定标于一体的傅里叶变换红外成像光谱仪实时光谱复原芯片系统。该系统对输入信号做了标准化设计,以流水线方式输出目标的复原光谱信息,可嵌入到各种类型的红外/可见光傅里叶变换成像光谱仪的实时数据处理系统中,具有体积小、运算速度快、稳定可靠及易于升级等优点,为基于光谱特征的目标实时识别奠定了良好的技术基础。

大孔径静态干涉成像光谱仪中双通道Mach-Zehnder横向剪切干涉仪的设计

大孔径静态干涉成像光谱技术是一种时空联合调制的傅里叶变换成像光谱技术,其核心元件通常采用Sagnac横向剪切干涉仪。这种结构会使进入干涉仪的光线有一半沿原路返回,降低了能量利用率。文章提出一种改进型Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构,克服了能量利用率低的缺点,在实现横向剪切的同时,还具有双通道输出的优点。本文通过光线追迹的方法,得到剪切量的一般表达式,并分析了各种误差源对剪切量误差的贡献。为大孔径静态干涉成像光谱仪的设计提供了新思路,可为该类型的成像光谱仪的设计与优化提供理论指导。

干涉型计算层析成像光谱仪的实现方法

提出了一种干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)原理及实现方法。CTII把空间调制式傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理巧妙结合,因此整个系统在原理上具有高灵敏度、高光谱分辨率,以及高空间分辨率。分析和讨论了CTII的工作原理,给出了一种实用CTII的光路结构;对典型目标的投影图像进行实验,实验结果验证了本方法的可行性。

傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性在线定标与校正研究

由于傅里叶变换红外成像光谱仪结构的特殊性,其非均匀性在线定标与校正在工程上一直没有得到有效解决。首先对IRFPA非均匀性校正的原理与算法进行了简要阐述,在此基础上,通过对时间调制型、空间调制型及时间空间联合调制型傅里叶变换红外成像光谱仪原理结构的深入分析,针对这三种制式的光谱仪,分别研究出了相应的非均匀性在线定标与校正的方法,为星载傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性的在轨定标奠定了良好的技术基础。

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。

单边干涉图的数据处理方法研究

干涉成像光谱仪干涉图的采样方式一般有两种,即单边采样和双边采样,单边采样干涉图往往保留零光程差附近的部分“短双边”采样数据以利于数据处理·本文对空间调制干涉成像光谱仪不同干涉图采样方式下的光谱复原方法进行了研究,讨论了空间调制干涉成像光谱仪单边干涉图的切趾与相位修正,提出了更为合理和准确的方法.研究发现,合理设置短双边数据在减小仪器的原始数据量的同时,能够保证复原光谱的准确度·

两种干涉成像光谱技术方案的比较

对"大孔径静态干涉成像光谱技术"方案与以色列学者提出的"两维景物光谱同时测量方法"进行了分析和比较,讨论了这2种干涉成像光谱技术方案中干涉仪与成像光学系统两方面的差异,通过计算机模拟,给出了"两维景物光谱同时测量方法"的光程差非线性变化。受"两维景物光谱同时测量方法"的启发,提出基于横向剪切干涉仪的时间调制型干涉成像光谱技术方案,研究了匀速转动横向剪切干涉仪时,各不同视场像元处光程差的变化规律。

基于模拟退火的傅里叶变换成像光谱仪干涉图相位修正

相位修正是傅里叶变换成像光谱仪光谱复原的关键技术之一,针对现有算法对带有噪声的干涉图相位修正不足的问题,文章提出了一种基于模拟退火算法求解相位误差的修正方法。该方法通过控制相位下降函数,利用相位区间内产生的随机相位值修正干涉图数据得到目标函数值,依据Metropolis准则判断目标函数增量以确定相位最优解。该算法仿真结果表明,优化出的相位误差小于0.5%,光谱复原的相对光谱误差精度和稳定性均小于1%,较现有算法有显著提高。

窗扫型成像光谱仪数据处理及误差校正研究

窗扫型傅里叶变换成像光谱仪具有高光通量和无动镜等特点,同时也增加了数据处理的难度,需要对采集的原始干涉图进行重组。通过对其数据处理流程特点的分析,设计了一种归一化算法,对由干涉图重组时产生的误差进行了校正,并对在数据采集过程中干涉图的中心暗纹位置的采样误差进行了二次曲线拟合校正。整个数据处理过程实现了从干涉数据立方体到光谱数据立方体的变换。从理论分析和实验结果的比较中验证了误差校正方法的有效性。