FY-3D星红外高光谱大气探测仪的在轨光谱精度评估

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,搭载了国内第一颗自主研制的极轨红外高光谱大气探测仪(High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder,HIRAS),数据将在数值天气预报、大气温/湿廓线反演、大气成分探测等方面得到广泛应用。为满足高精度的探测能力需求,HIRAS的光谱分辨率达到0.625 cm^-1,辐射定标精度要求达到1.0 K,光谱定标精度要求达到10×10^-6,均为目前国内星载红外仪器最高精度指标。由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器在数据应用之前必须进行光谱定标精度的精确评估和监测。以晴空视场下的高精度逐线辐射传输模拟光谱作为参考基准,利用互相关法计算光谱频率偏差,对发射后的HIRAS在轨数据的光谱定标精度进行了全面评估和验证研究。HIRAS在长波、中波1和中波2的光谱精度达到3×10^-6,其中长波和中波1光谱偏差标准差小于2×10^-6,远优于仪器设计指标要求;长期的光谱精度稳定性显示HIRAS中波1和中波2的光谱定标精度较稳定,在半年时间内频率变化小于5×10^-6,长波波段在半年的时间内有往负频率偏差变化的趋势,变化量约为7×10^-6,需要进行持续监测。HIRAS在轨光谱精度可满足后端产品反演和同化用户的使用需求。

高精度X射线荧光光谱法在含铜污泥Cu离子测定中的应用

测量含铜污泥中铜离子(Cu^(2+))的浓度、分布是回收Cu^(2+)的必要步骤。因此,研究高精度X射线荧光光谱法在含铜污泥Cu^(2+)测定中的应用十分重要。利用高精度X射线荧光光谱法对山西中条山洞沟铜矿区含铜污泥Cu^(2+)测定进行了研究,以解决因干扰所导致测定结果偏差问题。脉冲高度分析器(PHA)范围为100~300的测定条件下,利用高精度X射线荧光光谱法测定熔融片中Cu^(2+)浓度并修正。结果表明:基于X射线荧光光谱图,测量出36个采样点样本中,Cu^(2+)浓度范围从最低的8.78 mg/kg到最高的334.98 mg/kg,并通过绘制的Cu^(2+)浓度分布特征图,得出Cu^(2+)浓度在东南方分布最高,之后逐渐向着西北方向递减,显示出含铜污泥中Cu^(2+)浓度的广泛变化。

高精度X射线荧光光谱法测定海水中的锶

研究了高精度X射线荧光光谱法(HPXRF)测定海水中锶的方法。此方法检出限为0.13微克/毫升;连续测定11次模拟海水样品,相对标准偏差(RSD)为0.43%,加标回收率在101%~105%之间。结果表明该方法操作简单,测定速度快,数据稳定可靠,能够满足海水样品中锶含量的现场测定要求。The determination of Sr in seawater by High performance X-ray Fluorescence Spectrometry (HPXRF) was studied. The detection limit by this method was 0.13 μg∙mL−1. Simulated seawater was detected 11 times continuously and the relative standard deviation (RSD) was 0.43%. The recovery rate was 101%~105%. It is shown that this method is simple, fast, and the result is stable and reliable. The method is good for field detection of Sr in seawater.

光谱仪器信噪比与建模波长数对光谱分析精度的影响

为了研究光谱建模分析中光谱仪器噪声和参与建模的波长数两个因素与定量分析精度之间的关系,针对不同信噪比对模型精度的影响、参与建模的波长数与分析精度的关系、不同信噪比波段中多波长参与建模对分析精度的影响三个方面进行了理想样本建模分析。实验结果表明:光谱测量仪器的噪声水平直接影响建模分析误差,而使用多波长尤其是信噪比较好的波段的光谱参与线性建模,近似满足波长数每增加4倍,分析精度提高2倍的关系,能够在一定程度上弥补信噪比的不足。研究为在光谱分析中充分利用和提高光谱仪器信噪比、合理选择参与建模波长数及波段,从而提高光谱定量分析精度提供了实验基础和理论指导。

照明光源对多光谱图像采集精度影响的研究

光源是多光谱成像技术精度的影响因素之一,为了选择合适的光源进行多光谱图像采集,选用色温不同的LED白光光源和标准光源(A、C和D)用于多光谱成像,利用重建光谱的色度误差和光谱误差作为判断依据分析光源对图像采集精度的影响。仿真实验结果表明:光谱相对功率分布平缓的标准A光源重建精度最优且较稳定,LED光源性能居中;色温偏小的光源的重建性能优于偏大的光源。另外,改变光源对多光谱图像采集精度的色度误差影响大于光谱误差。

一个评价光谱估计精度的新参数

研究了对多光谱成像系统进行光谱估计的精度评价的问题。在给出光谱估计偏指数定义的基础上,提出了多光谱图像获取系统的光谱估计性能的评价的新方法——系统光谱匹配偏度指数法。该方法用一个指标来定量评价两光谱向量的光谱匹配程度,避免了以往评价参数的复杂性,同时反映了光谱反射率估计曲线实际测量曲线之间的差异程度。采用一典型多光谱相机对Macbeth色卡的24个典型光谱仿真估计所得的24个光谱对数值模拟,验证了光谱反射率估计匹配偏度指数能全面的反映光谱反射率的估计精度的设想;并拿17个多光谱估计系统的仿真估计的光谱数据,计算了它们的系统光谱估计偏度指数,计算结果有很好的一致性。结果还显示,系统光谱估计偏度指数还可用作对多光谱相机光谱估计性能进行等级划分的依据。

高精度便携式X射线荧光光谱仪在污染农田土壤重金属速测中的应用研究

针对便携式X射线荧光光谱(PXRF)法中的高精度便携式X射线荧光光谱(HDXRF)法进行检出限(Cd元素)、稳定性和土壤标准物质准确性的测试,同时对农田土壤中主要重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd和类金属As进行快速测定,并将测定结果分别与原子吸收光谱(AAS)法、原子荧光光谱(AFS)法及电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)法的测定结果建立线性回归方程,以期分析土壤粒径、水分、有机质及土壤类型对测定结果的影响。结果表明:HDXRF法测定土壤中重金属的稳定性高、准确度高、检测限低,对Cd元素的检测下限为0.27 mg·kg-1。颗粒粒径对土壤重金属浓度测定结果有一定影响,样品过100目筛时的测定结果较理想;土壤含水量对HDXRF法的测定结果影响较大,应保证测试土壤样品干燥;有机质对HDXRF法的测定结果存在影响,但可通过调整方程的常数进行校准。HDXRF法测定值更接近实验室ICP-AES法的测定结果,Cu、Zn、Pb和Cd的决定系数分别为0.997 5、0.996 7、0.961 4和0.995 4;HDXRF法与实验室AFS法测定As的决定系数最高可达0.979 8。相比于实验室测定方法,HDXRF法只需简单的前处理,如风干、研磨等,且HDXRF法测定范围宽,适用于土壤中重金属Cu、Zn、Pb、Cd和类金属As的快速测定,是一种简单、快速、准确、可靠的分析方法。

高精度便携式X射线荧光光谱仪对污水厂剩余污泥重金属的快速测定

应用高精度便携式X射线荧光光谱仪(HDXRF)对陕西省32家污水处理厂的剩余污泥样品中的As、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni这7种重金属元素含量进行测定,与火焰原子吸收光谱(FAAS)法测定结果进行比对并建立回归方程,以期分析HDXRF法测定剩余污泥重金属含量的可行性。结果表明:HDXRF法测定结果和火焰原子吸收光谱法的测定结果显著相关,As、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni的相关系数(R 2)分别为0.83、086、0.84、0.67、0.91、0.84、0.81(P<0.001);采用HDXRF法测定As、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni的检出限依次为0.5、0.5、3、0.6、1.5、1、1.5 mg/kg,所有重金属的检出限均低于《农用污泥污染物控制标准》A级标准限值,适用于剩余污泥中重金属As、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni的快速测定。

哈达玛变换光谱成像仪光谱响应非均匀性修正

哈达玛变换光学是近些年发展起来的一门新技术,已经被广泛应用于目标设别、微弱信号检测等领域。基于DMD的哈达玛变换光谱成像仪是一种新型的色散型光谱成像仪。介绍了哈达玛变换成像原理,在自行研制的哈达玛变换光谱成像仪基础上,从光谱定标的角度,研究了哈达玛变换光谱成像仪获得的编码图像的光谱响应非均匀性。针对哈达玛变换光谱成像仪获得的光谱图像中叠加非均匀性噪声及光谱混叠影响光谱复原精度的问题,首次在该光谱成像仪上利用辐射度相对光谱修正和绝对光谱修正算法,对光谱响应非均匀性进行修正。仿真计算和实验结果表明,对于哈达玛变换光谱仪采集的七个波段的光谱图像,修正后的光谱曲线与辐射度计获得的谱线精度非常接近,使复原光谱的误差在2.4%～4.2%的范围,满足实验室和工程应用的技术要求。

多通道光谱采集系统滤光片设计方法研究

普通彩色相机加载宽带滤光片构造的多通道光谱采集系统的光谱重建性能与滤光片的选用密切相关。针对上述问题,提出基于主成分分析法的合成滤光片设计方法,旨在获得具有较高光谱重建性能并对所有图像场景均适用的最优滤光片组合。在收集多个宽带滤光片的基础上,测得其透射率并转换成矩阵形式;采用主成分分析方法提取该矩阵的前2个主成分,标准化处理后的主成分即为所求合成滤光片的透射率。为了验证上述方法获得的滤光片的性能,利用色差和光谱均方根误差2个指标对加载了合成滤光片的仿真采集系统的光谱重建精度进行了评价。实验结果表明:采用该方法得到的滤光片组合优于常用方法得到的滤光片组合,用其构造的成像系统具有较高的色度重建精度和光谱重建精度,此外,改变目标场景颜色特性,其重建性能保持稳定。

星敏感器光谱探测能力用地面模拟测试系统设计

为实现对星敏感器光谱探测能力的测试和标定,研制了一套可模拟恒星光谱的地面标定系统,要求其光谱模拟精度优于10%.采用光谱分布可控、光强可调的模拟照明系统作为地面标定系统的核心器件来模拟恒星光谱变化,设计高成像质量准直光学系统使模拟星图成平行光出射,在光学系统出瞳处产生星图,完成具有恒星光谱信息的高精度星图模拟.进而利用Lighttools建立标定系统的光谱仿真模型,仿真结果表明恒星光谱模拟精度优于10%.

基于矩阵的Sagnac干涉仪光谱复原理论研究

传统的干涉光谱仪光谱复原算法是利用傅里叶变换复原光谱,该方法为了消除有限光程差造成的旁瓣对光谱复原精度的影响,进行了干涉图切趾处理,但这会降低复原光谱的光谱分辨率。为了保证光谱分辨率和提高光谱复原精度,文章提出一种光谱复原方法——基于仪器特征矩阵的Sagnac干涉光谱仪光谱复原方法。该方法旨在通过实验室定标及理论推导为每个Sagnac干涉光谱仪系统构建一个仪器特征矩阵,对仪器特征矩阵利用最小二乘法复原光谱。利用多种物质的光谱进行仿真实验,测试两种光谱复原方法的光谱复原精度,结果显示仪器矩阵方法的复原误差稳定在1%~3%,而傅里叶变换法的复原误差在3%~7%的范围内。因此,和傅里叶变换光谱复原方法相比,基于仪器特征矩阵的光谱复原方法的光谱复原精度更高。

高精度X射线荧光法测定土壤中的重金属

为满足土壤环境质量应急监测需求,便携式X射线荧光法测定土壤得到了广泛应用。采用高精度便携式X射线荧光光谱仪(HDXRF)对不同标准土壤中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、As等7种元素进行测定,结合AAS/AFS等实验室仪器的测定结果,建立线性回归方程,比较分析HDXRF法快速测定土壤重金属的准确性、可靠性,旨在为环境应急监测应有HDXRF快速测定土壤中重金属提供理论参考数据。结果表明:HDXRF法测定土壤中Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr、As的检出限分别是2mg/kg、2mg/kg、5mg/kg、5mg/kg、0. 08mg/kg、11mg/kg、0. 8mg/kg,满足土壤环境质量标准的测试要求。测定结果与实验室AFS/AAS法测定结果的相关关系系数均在0. 98以上,测定结果具有可比性。HDXRF法测定土壤比实验室分析方法操作简单,无需消解,测定快速,同时可以测定多种元素,无二次污染,可以满足土壤重金属的应急监测需求。

高精度X射线荧光光谱法快速分析人体血液中6种有毒重金属元素

通过高精度X射线荧光光谱法建立了人体血液中As,Sr,Cd,Hg,Tl,Pb 6种有毒重金属元素的快速定量检测方法。根据每种元素的校准曲线,使用基本参数法对基体效应进行校正,建立了人体血液中有毒重金属的检测模式。6种元素在各自线性范围内呈良好的线性关系,相关系数均大于0.995,检出限在0.037~0.192 mg/L之间,加标回收率为90.1%~114.0%,相对标准偏差(RSD)在0.1%~11%之间。该方法不需前处理即可实现对人体血液中As,Sr,Cd,Hg,Tl,Pb 6种有毒重金属元素的快速测定。

基于HDXRF和ICP-MS的黔西北土壤重金属空间分布及影响因素研究

高精度X射线荧光光谱仪(HDXRF)是一种准确度较高的金属元素快速检测仪器。本研究将HDXRF法与电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法进行对比研究,探究HDXRF法在土壤重金属调查评估中的适用性。选取威宁县黑石头镇某地为研究区,基于地理探测器,以土壤理化性质(pH、有机质、CEC、黏粒、粉粒、砂粒)和地形因素(高程、坡度、坡向)9个因子为自变量,重金属(Cd、Pb、Zn、Cr、Cu、Ni)含量为因变量,分析两种检测方法下耕地土壤重金属空间分布规律及其影响因素。结果表明:6种重金属的HDXRF法与ICP-MS法检测值均服从正态分布,两种方法检测得到的土壤重金属在耕层和剖面的分布规律基本一致,从数据统计上看,仅HDXRF法Cu的值比ICP-MS法高约16%,其他元素无显著差异。HDXRF法与ICP-MS法所测相同重金属间均存在极显著正相关关系(P<0.01),与各影响因子间相关性分析结果基本一致,Cd、Pb、Zn、Ni与土壤理化性质,Cr与土壤理化性质、高程和坡向,Cu与CEC和高程间均存在极显著相关关系(P<0.01)。地理探测器交互探测结果显示,影响因子间交互作用均显示增强效应,pH、有机质、CEC与其他影响因子间交互作用是土壤Cd、Pb、Zn空间分异的主导因素,土壤Cr、Cu、Ni的空间分异是土壤理化性质和地形因素共同作用的结果,交互作用q值在0.200~0.700。综上,HDXRF法土壤重金属检测值的准确度和精密度较高,土壤重金属空间分布规律及影响因素与ICP-MS法结果一致,可用于土壤重金属的快速检测与评估。后续,可通过建立其与土壤pH、有机质、CEC和地形因子等的变量模型与ICP-MS法检测结果进行系统校正。

GaN基光栅外腔半导体激光器研究进展

介绍了光栅外腔半导体激光器应用外部光栅实现选模和线宽压窄的基本原理,以及Littrow和Littman两种典型外腔结构和主要组成光学元件,讨论了主要性能表征参数包括调谐范围、激射线宽和边模抑制比等,分析了其关于稳定性的主要技术难点。在此基础上,详细综述了GaN基光栅外腔半导体激光器的国内外研究进展,主要集中在线宽、无跳模调谐范围和功率三个性能指标的优化上,特别提及了厦门大学研究小组的工作进展。最后讨论了其在高精度光谱测试、气体探测和大容量全息数据存储中的应用,并且列举了铟原子的光谱测试和NO气体探测。

精密度的追求

锁模飞秒激光产生的光频梳完全革新了光频率的计数技术。有了它们,只需要一步就可以将光学频率和微波频率连接起来,它们还提供了长期缺失的光学原子钟的钟表机构。通过扩展时间和频率的度量衡学的极限,它们使基本物理定律新的检验成为可能。通过用铯原子钟的微波频率对氢原子和其他原子的光学共振频率的精密比较,将确定基本物理常数可能的缓慢变化的灵敏度极限。光学高次谐波的产生将频梳技术扩展到极端紫外,开启了精密激光光谱学新的光谱领域。频梳技术也通过对超快激光脉冲的电场的控制成为阿秒(attosecond)科学的关键。

光学频率梳空间光谱分辨精度研究

光学频率梳的高精度光谱整形在微波光子学、光谱学及通信光学等学科领域具有广泛应用.为了描述和评价光学频率梳光谱整形系统的光谱分辨精度,使用光线追迹的方法对单光栅、平行光栅对、单光栅透镜变换和反平行光栅对透镜变换四种结构的空间色散能力进行了理论建模和分析,得到了输出面上不同波长的光斑间距和光斑大小,设立判据得到系统的光谱空间分离能力.计算结果表明,使用后面两种色散结构更容易实现高精度光谱分离和整形;波长较长、纵模间距较大、光斑尺寸较大的光学频率梳更适合作为光谱整形系统的光源;光栅刻线密度高、入射角小、多次通过色散系统有利于得到更高的光谱分辨精度.本文的分析和计算过程具有普遍适用性,对基于光学频率梳的高精度光谱整形系统的实验和评价具有指导意义.