傅里叶变换光谱相位特性及处理方法研究

相位校正是傅里叶光谱仪的关键处理步骤,校正精度受仪器特性和不受控环境因素等的影响,如干涉仪温度变化、机械振动等。针对干扰因素引入的相位不确定性及由此带来的校正难题,在对傅里叶光谱仪相位特性进行量化分析的基础上,将测量光谱相位分解为干涉仪温度相关的仪器相位和零光程点采样误差相关的线性相位。其中,仪器相位主要由傅里叶光谱仪自身特性决定,受到干涉仪温度波动影响,干涉仪温度稳定时的仪器相位大致为常数;零光程差点采样误差是线性相位的主要来源,并且每次测量时的采样零光程差点位置都有所不同,这会导致每个获取干涉数据的光谱相位不同。假设干涉仪稳定在温度限内的仪器相位大致为常数,就可将相位处理简化为对线性相位的校正,而包含仪器相位的剩余相位则可在后续的辐射定标过程中予以剔除。相位处理的具体流程如下,获取反演光谱相位数据后,考虑仪器相位的温度相关性,首先采用最小二乘拟合方法提取线性相位项,然后基于提取的线性相位对干涉数据进行对称化处理,对称化处理后的干涉数据相位足够稳定,允许通过光谱均值降低振动等物理效应的干扰,最后在辐射定标过程中,使用复数辐射定标流程,并取定标结果实部作为目标场景的标定光谱辐射数据,即可移除大部分仪器相位,从而完成了相位校正。实验验证环节,首先采用最小拟合方法得到并移除测量光谱的线性相位项后,分析了不同阶次拟合多项式对仪器相位提取精度的影响,结果表明, 5次多项式即可满足需求,此时的均方误差为0.13 rad,更高阶次不会继续改善提取精度。然后基于5次多项式,获取了干涉仪温度为283, 290和300 K时的仪器相位。测量光谱数据移除线性相位和仪器相位后,残余相位误差为幅值在零点处分布的随机噪声,结果表明仪器相位具有温度相关性,与理论假设相符。最后,实验验证了相位处理方案的可行性,结果表明校正相位残差优于±0.04 rad,辐射不确定度优于0.8 K。