“工程光学”傅里叶变换光谱仪实验设计

“工程光学”是测控技术与仪器等专业重要的专业课程,该课程理论性较强,学生往往对课程涉及的物理原理认识不够深刻,难以应用到实践当中。通过设计傅里叶变换光谱仪实验,将仪器设计和研发实践融入到理论学习当中,有助于提高学生的创新精神和实践能力,探索工程实践与课堂教学的有机融合模式。

面向油品参数快速计量的高精度傅里叶近红外光谱仪

针对油品现场检测中实时性和准确度的需要,研制了一种面向油品参数快速计量的高精度傅里叶近红外光谱仪。该光谱仪采用相干长度扩增方法,可快速定位有效信号;通过驱动采集控制系统对傅里叶近红外检测光路进行100 nm等间隔的干涉调制,最终由傅里叶逆变换解析出的吸收光谱分辨力可达3.25 cm^(-1)。用该光谱仪对汽油样品进行质量检测的结果表明:该光谱仪可在短时间内对汽油中5种物质含量进行快速计量,其最大体积误差不超过0.7%,可以满足油品参数现场计量的需求,对市场中成品油质量的监管具有重要意义。

宽波段傅里叶变换太阳光谱仪等光程差采样系统设计

太阳成像光谱探测是诊断太阳大气磁场和热力学参数的主要手段.傅里叶变换太阳光谱仪(Fourier Transform Solar Spectrometer, FTSS)具有宽波段的优势,是当前中红外高分辨率太阳光谱探测的最佳选择.FTSS通过采集目标辐射等光程差干涉图,反演获得光谱图,等光程差采样的间隔决定了反演光谱波长范围.因此从FTSS宽波段光谱观测对不同等光程差采样间隔需求出发,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)技术,采用全数字分频、倍频方案,设计了一套宽波段FTSS等光程差采样系统.采用分布式余数补偿方法,有效解决了在参考激光干涉信号倍频过程中,输出采样信号在输出信号周期间误差累积问题,并降低了输出采样信号的误差及非均匀性;经功能仿真及实验测试,系统在200 Hz–50 kHz频率范围内,频率误差δ <0.04%,可有效满足FTSS的300 nm–25μm宽波段的光谱观测数据采集需求,为后续可见和红外波段FTSS的研制奠定了技术基础.

基于响应率修正的傅里叶变换光谱仪非线性校正算法研究

傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势,非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪(FY-4/GIIRS)运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点,推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法,通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率,拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后,利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数,就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空(TVAC)定标试验数据验证,该算法简单有效,在各试验环境温度工况下,对180~320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。

基于傅里叶变换红外光谱的姬松茸存储时间检测模型研究

利用傅里叶变换红外光谱技术建立姬松茸存储时间的检测模型,并利用BiPLS和SiPLS两种特征区间提取算法改进模型。结果显示,相较于传统的全光谱数据,使用特征区间提取算法能够提高模型的预测性能,使用BiPLS改进的傅里叶变换红外光谱PLS模型在训练集和测试集中的结果最优。工作表明,基于傅里叶变换红外光谱技术建立的PLS模型是检测姬松茸存储时间的一种有效方法。

基于MATLAB的傅里叶变换光谱仪光谱复原研究

本文充分利用MATLAB在科学计算和数据处理方面的强大计算功能,对一款傅里叶变换光谱仪的干涉图数据进行光谱复原算法的研究,实现了光程差与离散干涉信息序列的匹配,通过去直流、相位校正等数据处理方法,利用快速傅里叶变换得到了对应干涉信息的光谱图,为后续制造完成的光谱仪样机的配套软件提供数据参考。

基于LabVIEW的光纤傅里叶变换光谱仪数据处理技术

为了提高编程效率与增强光谱仪数据分析处理能力,结合LabVIEW软件在信号处理方面的优势,利用虚拟仪器技术实现了光纤傅里叶变换光谱仪干涉图处理与光谱复原。采用均匀抽样算法,利用由光纤Mach-Zehnder干涉仪输出的参考光干涉图过零点取样,实现对测试光干涉图的等光程间隔采样,消除了由压电陶瓷非线性光程调制引起的误差。采用求摸法复原出光谱图,自动消除了相位误差。利用LabVIEW软件完成了对宽带ASE光源的干涉图数据采集、显示与处理并最终得到光谱图。结果表明,与光栅光谱仪测得的光谱相比,光谱线型趋于一致。

空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究

针对目前环境、医疗、空间、气象、军事及安全等领域对傅里叶变换红外光谱仪微小型化、轻量化及固态化的迫切需求,提出并研究了一种以MOEMS多级微反射镜为核心器件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪。在理论研究方面,建立了空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的物理模型,探究了该系统的光场分割与空间采样的光学原理;分析了多级微反射镜的衍射效应,提出了一种通过补边抑制衍射噪声抑制方法;进行了多级微反射镜采样误差的分析,并提出了基于最小二乘拟合的修正算法;通过对光源空间相干性、准直系统像差以及入射光场均匀性的分析,确定了光学系统的总体设计指标;通过对多级微反射镜基片加工精度、分束器材料色散特性和膜层透射效率等的计算分析,确定了干涉系统的设计方法与技术参数。在核心技术方面,提出了两个多级微反射镜的3种制作方法,分析了制作误差的来源及对系统性能的影响。通过工艺设计及实验条件探索,分别采用电铸法、真空镀膜法以及斜面倾角叠片法制作了两个多级微反射镜。在系统设计方面,进行了红外准直与缩束系统的光学设计,对整体光机系统进行了建模仿真,分析了杂散光噪声的来源。在图谱处理方面,利用过零采样方式,通过图像分割算法,获取了干涉图采样序列;通过对干涉图序列的插值、补零、延拓与卷积方法,完成了光谱相位误差的校正;通过离散傅里叶变换解调,实现了由干涉图像到信号光谱的数据反演。最后研究了系统光机整体的集成组装技术,并对原理样机进行了实验测试。本文研制的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的特点在于:取消了动镜驱动机构与采样控制机构,具有微小型与轻量化的特点;干涉图的采样由多级微反射镜完成,其空间采样的方式增加了系统的稳定性与可靠性,实时采样的特点增加了系统的快速性与有效性;多级微反射镜阵列采用MOEMS工艺技术制作,增加了系统的采样精度。该光谱仪系统的结构及制作方法具有自主知识产权,并具有广阔的应用前景。

激光告警系统中小型静态傅里叶变换光谱仪的研究

相干激光告警接收机较光谱识别型激光告警接收机有着不可比拟的优点,在相干激光告警中实时可靠地获取敌方来袭激光的光谱细节具有重要意义。文章介绍的基于等效斜楔干涉具和线阵CCD的小型静态傅里叶变换光谱仪,是相干激光告警接收机的重要组成部分,其光学部分由一个等效斜楔干涉具和柱面镜组成,内部不含扫描部件,具有体积小、成本低、结构简单、性能稳定、光谱检测速度快等优点,可以满足脉宽大于等于10 ns脉冲激光信号光谱高速探测的要求。该光谱仪波长范围从400到1 100 nm,波长分辨率小于10 nm。文中详细介绍了该光谱仪的设计方法和关键光学元件的设计原理,进行了相关的性能分析,构建了实验系统,应用该实验系统对7个中心波长分别为635,650 nm等的半导体激光器进行了光谱测试,并将测试结果与使用日本Advantest公司的Q8344A型光谱仪测得的结果进行了比较,得到中心波长平均误差为0.269 nm,绝对平均误差为0.919 nm。波长分辨率最小为1.170 nm,最大为8.845 nm,且有较高的信噪比。

新型空间调制微型傅里叶变换光谱仪的设计与仿真

傅里叶变换光谱仪(FTS)在光谱分析中的应用越来越广泛,并且其微型化的趋势也愈加明显。文章设计了一种新型空间调制微型傅里叶变换光谱仪。在介绍其结构理论的基础上,对其空间的光强分布进行了模拟,通过对该结构下引起相位误差因素的详细分析,采用改进的Mertz相位校正方法对小双边的采样数据进行了光谱复原,其理论分辨率可达到3.43nm@800nm,信噪比的理想分辨极限为6.8dB。该结构的微型FTS可以用微机械加工的方法来实现,具有性能稳定,误差容易校正等优点,文章对空间调制微型傅里叶变换光谱仪的结构设计及仿真,为微型FTS的微机械加工实验提供了理论支持,还为微型傅里叶变换光谱仪的进一步应用提供了更广阔的空间。

傅里叶变换红外光谱仪动镜倾斜误差分析

通过建立傅里叶变换光谱仪中动镜、定镜和干涉面的坐标对应关系,对动镜存在多个方向倾斜时的干涉光路进行了详细的分析。建立了非准直状态下干涉面光强分布的二维数学模型,确立了干涉图函数的数学表达式,从调制度、相位误差和频率噪声的角度,对动镜倾斜造成的影响进行了系统分析。在动镜的运动中,左右方向的倾斜和俯仰方向的倾斜对系统的影响彼此具有独立性,又具有叠加性;干涉图中初相位因子随光程差改变缓慢变化或快速变化,对相位误差的影响也不全相同。在倾斜误差分析的基础上,对动镜的最大倾斜角度和减少误差的方法进行讨论,并提出了两种动态准直校正的思路。

傅里叶变换近红外光谱仪扫描条件对数学模型预测精度的影响

以小麦粉状样品为例 ,研究了傅里叶变换近红外光谱仪在不同分辨率 ,不同的激光频率下扫描样品对近红外光谱用于分析小麦样品蛋白质含量的影响。结果表明 :以 4 ,8,16cm- 1 的分辨率扫描样品或当激光频率改变幅度在 1cm- 1 以内时对小麦蛋白模型的影响不显著 。

紫外傅里叶变换光谱仪干涉图数据处理

阐述了干涉图数据处理方法 ,采用紫外傅里叶变换光谱仪实验测量了汞灯光谱干涉图。使用四阶Blackman Harris窗函数作为切趾函数 ,采用最小二乘法拟和多项式对光源傅里叶变换光谱进行相位校正 。

基于DSP的傅里叶变换红外光谱仪动镜控制系统设计

在直线扫描式高精度傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪系统的研制过程中,为了达到光谱图的质量和分辨率要求,提出了一种利用DSP芯片TMS320F28335作为控制器,直线电机运动平台带动动镜的系统设计方法。介绍了FTIR的优点以及TMS320F28335的性能特点,分析了FTIR系统的原理,详细阐述了电机控制系统的设计方案,给出了DSP、电机驱动器以及电机模块之间的硬件接口电路和软件实现方法。实验证明,该电机控制系统具有很好的稳定性和很高的运动精度,其位置运动精度能够达到0.1μm,保证动镜做稳定可靠的直线运动。

大鼠心肌傅里叶变换红外光谱变化与死亡时间的关系

目的应用傅里叶变换红外(Fourier transform infrared,FTIR)光谱技术分析大鼠死后心肌组织随死亡时间推移的化学降解过程,为死亡时间推断的研究提供新的途径与方法。方法大鼠断颈处死后置于(20±2)℃环境,在不同死亡时间点提取大鼠左心室心肌组织,并使用FTIR光谱仪测定不同化学基团的变化。结果随着死亡时间的推移,大鼠心肌组织FTIR光谱的主要吸收峰位没有明显变化,而其吸光度随着死亡时间增加呈现出增加、下降和稳定3种不同的变化方式,且不同峰的吸光度比显示了相似的时间变化趋势。结论心肌组织可以作为FTIR光谱技术分析死亡时间的适用检材。

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。

傅里叶变换红外光谱仪探测器仪器响应函数研究

由于傅里叶变换红外光谱仪探测器在各个波段的仪器响应不相同,在应用过程中无论是利用光谱的绝对强度还是相对强度,都需要应用标准黑体对仪器进行定标,找出仪器响应函数。该文对加拿大BO-MAN公司MR154型傅里叶变换红外光谱议配带的两个红外探测器(锑化铟InSb、碲镉汞MCT)的仪器响应函数进行了研究,并找出了它们随黑体温度(辐射亮度)的变化规律。该规律对傅里叶变换红外光谱仪的定标和保证所测辐射谱的正确性有重要意义。

强度调制偏振光谱仪傅里叶变换解调原理研究

针对强度调制新型偏振光谱仪,研究了基于傅里叶变换法实现偏振光谱信息解调的可行性.结合强度调制偏振光谱仪实现偏振光谱信息调制的机理,给出了采用傅里叶变换法实现偏振光谱信息解调过程的完整数学推导,并对解调过程进行了计算机仿真模拟.模拟结果表明:基于傅里叶变换的解调方法可以高保真获取待测光辐射的偏振光谱信息,将该方法应用于强度调制偏振光谱仪偏振光谱信息的解调是可行的.

新型红外空间遥感用傅里叶变换光谱仪

为了研制红外空间遥感用傅里叶变换光谱仪,将其作为风云三号、四号气象卫星的有效载荷,在比较国外各种航天工程项目中傅里叶变换光谱仪机械扫描方案的基础上,提出了一种新的机械扫描方案。它利用光通过平行平面镜组时光程随入射角度的改变而变化这一特性,同时把两支光路的光程改变量关联起来。该方案只使用平面反射镜,对于运动部件的精度要求比较低,对倾斜、磨损等不敏感。就国内的具体技术条件而言,这种方案是切实可行的。

空间傅里叶变换红外光谱仪用全柔性机构的设计及研究

研究了采用弹性双平行四边形结构的空间傅里叶变换红外光谱仪用全柔性机构,即运动角镜扫描机构(MovingCube-Corner)的设计。采用双平行四边形结构,使其运动自由度降为一维,并保证运动直线误差为±3μm。所采用的弹性结构不仅可以用于控制单自由度微位移机构,而且还可以控制微转角机构。结果表明:该机构特别适合空间仪器和机构所要求的无润滑、无磨损、长寿命的需要。