空间外差光谱仪系统设计

围绕空间外差光谱仪系统参数设计进行了理论分析和实验研究。介绍了空间外差光谱仪系统的基本结构和原理，并针对其光学系统设计，详述了系统的主要指标：光谱分辨率极限、分辨能力、光谱范围与关键光学器件：光栅、探测器、成像系统等参数的匹配关系。给出了一个完整的系统参数设计实例，并根据光学系统参数对干涉图进行了理论仿真。以搭台的方式建立空间外差光谱仪原理试验装置，并进行了典型光谱实验验证，系统检测结果表明光谱分辨能力在591nm达到了17700，光谱范围为574-59lnm。实验结果与仿真结果比较还表明，系统的光谱范围、光谱分辨率等指标达到了设计要求，验证了设计方法的可行性。

空间外差光谱仪干涉图数据处理

空间外差光谱技术是一种新型的超分辨光谱技术。介绍了空间外差光谱仪的基本原理,并针对其特点提出了干涉图数据处理的方法。首先通过一阶差分对干涉图进行去基线处理,然后使用三角函数作为切趾函数对干涉图进行切趾,并对傅里叶变换光谱进行相位校正,最后采用已知双线光源对空间外差光谱仪原理试验装置进行波长定标。文章以Na双线与Hg谱线进行波长定标,得到了波长定标曲线。通过以上的方法对空间外差光谱仪干涉图数据进行处理,能有效地提高干涉图反演光谱的精度。

空间外差光谱仪定标方法研究

空间外差光谱仪(SHS)是近年来迅速发展起来的新型超光谱分析技术,但针对该项技术的定标研究方法还不成熟。本文在分析空间外差仪原理的基础上,探讨了SHS实验室定标方法,内容包括光谱定标和辐射定标。利用可调谐激光器与元素光谱灯,根据光谱带宽内的发射谱线所对应的波长,以及探测器尺寸与系统带宽之间的关系,设计了光谱定标方案。定标结果显示仪器光谱分辨率和光谱范围与理论设计值一致,通过多次光谱稳定性测试,光谱漂移较小。在辐射定标中,利用积分球系统进行了稳定性定标,利用标准灯和漫反射板完成了响应度定标,并利用定标系数进行了实例验证。定标结果显示该方法能够满足空间外差光谱仪定标要求,为获取的光谱数据进行定量反演奠定了基础。

空间外差光谱仪成像光学系统设计

为满足高光谱傅里叶变换光谱仪对高光谱分辨率、小畸变、像面光谱辐照度均匀、高信噪比以及仪器轻量化小型化的要求,设计了空间外差光谱仪成像光学系统。基于傅里叶变换的空间外差光谱仪空间干涉的特点和对成像系统缩放比、畸变等要求,依据干涉图调制度分析了最恶劣面形改变条件下对干涉仪元件面形误差的要求,并采用前后镜组匹配实现了双远心成像系统的设计。设计结果表明:该光学结构可避免调焦产生的成像系统缩放比改变,有效视场内畸变量<0.1%,传递函数在38.5 lp/mm处物面所有点全视场范围≥0.60。依据仪器视场角对滤光片安装位置和精度提出要求,并对成像系统进行杂散光和照度均匀性分析提出有效抑制杂散光的措施和方法。系统设计满足了空间外差光谱仪对成像的要求,实现了照度均匀、低畸变、离焦情况下缩放比保持不变等。

采用小波变换的空间外差光谱仪基线校正

空间外差光谱技术是应用于天文测量以及大气遥感等方面的一种超光谱分析技术。为消除应用过程中的基线漂移,提出了改进的小波变换进行基线校正的方法。通过对不同小波函数以及分解层数对基线校正结果影响的分析,对原始光谱信号进行小波分解得到细节系数和逼近系数,将逼近系数置零以实现光谱信号的重构,从而实现干涉图的基线校正。最后将小波校正结果与阈值拟合校正结果进行对比。结果显示:两种方法校正光谱的相关系数为0.999 9,结果一致,但小波变换的程序运算耗时缩短10余倍。说明利用小波变换进行空间外差干涉图基线校正是一种行之有效、省时、简便的方法。

空间外差光谱仪基频波长的定标

基于空间外差光谱仪的工作原理和干涉图的产生机制,提出了一种空间外差光谱仪的基频波长定标方法。沿干涉条纹法线方向求取像元相位,通过对法线方向的像元相位进行线性拟合求取相位直线的斜率,该相位斜率与干涉条纹法线方向的空间频率具有对应关系,在获取两种已知波长的激光干涉图的相位斜率后即可确定该空间外差光谱仪的基频波长。四组波长数据的测试结果显示,用该方法定标的基频波长具有很好的一致性,标准差为0.044nm。定标结果仿真的光谱与实测光谱完全一致,证明了该方法的可行性。

空间外差光谱仪相位校正方法的研究

空间外差光谱仪在应用的过程中由于各种测量原因使采集的干涉图存在相位误差。对此提出了一种改进的相位校正方法,该方法在提取单边变换光谱进行傅里叶逆变换求取干涉图相位曲线的基础上,通过拟合相位斜率求出相位误差,然后计算相位校正函数,将变换光谱与相位校正函数进行卷积来实现光谱相位校正。把该方法应用于实测单色谱与仿真水汽光谱的相位校正,实验结果显示该方法能有效的去除单色光谱边缘的低频假信号,提高干涉图的周期性和对称性;对于叠加了相位误差的连续光谱,使其校正前后的光谱与原光谱的标准偏差由0.47降为0.20,提高了光谱的准确性。

空间外差光谱仪中窄带滤光片的光谱特性研究

高光谱空间外差干涉光谱仪的光谱响应由窄带滤光片的光谱特性决定,由于窄带滤光片的制备水平与理论值存在差距,使得发生光谱展宽或波长漂移等现象,在空间外差光谱仪中形成高频和低频光谱混叠从而导致复原光谱失真。在分析滤光片对仪器光谱响应性能影响的基础上,通过在空间外差光谱仪核心干涉组件光栅的胶合过程中,根据窄带滤光片实测波长透过率曲线,利用可调谐激光器动态监测调整光谱仪基频波长的方法改善对其造成的光谱混叠。结果表明,通过实测滤光片特性调整光栅偏转角度来改变基频波长,可最大程度地有效利用仪器所能覆盖的光谱范围,根据干涉图的复原光谱信号可知试验装置的有效光谱范围从758~770.9nm增加至756~770.9nm。

空间外差光谱仪干涉图非均匀性校正研究

空间外差光谱仪在研制加工过程中,由于加工误差及胶合误差会使CCD接收到的干涉图存在光强分布不均匀现象,降低了变换光谱的准确性。基于对空间外差光谱仪干涉图光强非均匀性的产生机制与特点分析基础上,提出了一种干涉图非均匀性校正方法,该方法通过对实际干涉图进行单调分解、分段归一化及重新组合过程求解出光强分布函数,然后将变换光谱与光强分布函数倒数的傅里叶变换结果进行卷积来获得非均匀性校正后的光谱,最后将校正光谱进行逆傅里叶变换从而实现干涉图的非均匀性校正。将此方法应用于空间外差试验仪的近红外实测单色光干涉图的非均匀性校正,结果显示,该方法可以有效改善干涉图光强分布的非均匀性,抑制变换光谱的边频信号,通过与仿真的理想光谱对比,1 571和1 572nm光谱校正前后噪声的减小率分别达到40.7%和24%,提高了光谱信噪比和准确性。

空间外差光谱仪干涉图滤波方法研究

在分析空间外差光谱仪干涉图生成及特点的基础上,提出了基于改进旋滤波的干涉图降噪方法。该方法是在干涉条纹的切线方向进行滤波,能够在不改变干涉图条纹细节的基础上减少干涉图中的随机噪声和暗斑噪声的影响。同时该方法还能有效降低平均光谱的背景噪声,提高特征光谱与背景噪声的信噪比,结果显示旋滤波方法对加入噪声前后干涉图的平均光谱背景噪声信噪比改善分别为47%和240%,能够将一些峰值较小的特征谱从背景噪声中提取出来,提高空间外差光谱技术对一些弱特征光谱的识别率。

空间外差光谱仪光谱降噪方法研究

空间外差光谱仪是一种新式的超高分辨率光谱仪,可用于大气监测、卫星遥感等领域。为了减少空间外差光谱信号中的噪声,提出基于提升小波变换结合中值滤波方法来实现信号的降噪。改进的提升小波变换融合了一种双因子的阈值函数、分层阈值选取。与小波变换的软、硬阈值对比发现,它能提取空间外差光谱,减小峰宽和保留重要的细节特征,降噪效果优于小波变换的软、硬阈值法。最后用信噪比和均方误差两项定量指标来衡量算法的效果。实验结果表明:该算法比软阈值法在处理氙灯和积分球时信噪比提高了24.6%和31%,均方误差减少了43.2%和51.5%;与硬阈值法相比信噪比提高了21.5%和30.6%,均方误差减少了40.2%和51.2%。因此,算法在空间外差光谱降噪方面具有可行性。

空间外差光谱仪的干涉图校正

空间外差光谱技术(SHS)作为一种新型超光谱分辨率的光谱分析技术近年来得到了快速发展和广泛应用。根据SHS的基本结构和原理,本文对SHS应用系统中能对干涉图产生影响的各种干扰和畸变进行了分析,并针对这些干扰提出了一种SHS干涉图校正方案。实验结果表明,该方案不仅可以对干涉图进行有效校正,而且复原光谱能够良好地反映输入光谱信息,提高SHS的反演精度。

空间外差光谱仪干涉图修正研究

空间外差光谱(Spatial heterodyne spectroscopy,SHS)技术是一种新型的光谱分析技术。基于空间外差光谱仪的基本原理和特点,研究了实际测量中干涉仪两光臂不平衡造成的畸变干涉图的修正方法,模拟计算了干涉仪两光臂不平衡时干涉图的强度变化,并对其进行了模拟修正,修正后的干涉图与理想的SHS干涉图一致性较好。修正方法主要是测量干涉图的非调制项(即未发生干涉时单个光臂的光强),以及在干涉图数据处理中引入一个修正因子。通过对干涉仪两臂不平衡的修正,可以有效地提高干涉图反演光谱的精度。

用于空间外差光谱仪光谱定标的窄线宽可调谐光纤激光器

针对星载CO_2遥感探测空间外差光谱仪2.04μm通道光谱定标的应用需求,研制了一台2.04μm波段窄线宽波长可调谐的高稳定性铥钬共掺光纤激光器(THDFL)。利用线型复合谐振腔的维纳效应扩大有效纵模间隔,有效抑制了多模激光振荡,输出激光线宽达7.5 MHz;通过对振动隔离和温度补偿封装的FBG施以轴向拉伸应力,该THDFL可在2040~2042.5 nm范围内调谐,且输出波长不确定度小于5×10^(-3)nm;使用研制的1565 nm光纤激光泵浦源,THDFL输出功率达192 mW;利用该可调谐THDFL提供的输出激光,溯源于波长标准后实现了空间外差光谱仪2.04μm通道的光谱定标,且定标精度优于设定的指标要求。

非对称空间外差光谱仪自适应频率跟踪处理方法

非对称空间外差光谱技术是一种新型的超高分辨率遥感探测技术,要求后期的数据处理技术也具有相应的超高准确度.从数字信号处理的角度,提出了一种自适应的频率跟踪处理方法,根据信号的空间频率来插值补偿信号的相位偏移,并且递归迭代出最接近真实值的相位信息.经仿真实验对比验证表明,在噪声干扰强度不大的条件下,相较于传统傅里叶变换方法,本文算法对信号频率和相位提取的准确度提高了约100倍以上,能够有效降低非对称空间外差光谱技术的系统误差.

热真空环境对空间外差光谱仪复原光谱的影响

热真空环境适应性是空间光学遥感仪器的关键性能之一,对超光谱CO_2监测仪的复原光谱精度尤为重要。基于空间外差干涉技术原理,采用理论分析和试验手段对仪器热真空环境适应性进行了讨论。理论分析了热真空环境对准直光束发散角、扩视场空间外差干涉仪组件基频波长、成像镜头离焦和缩放比等因素的改变对复原光谱的影响,并基于CS-800型热真空模拟设备开展了测量实验。实验结果表明,理论分析得到的系统基频波长与实验数据吻合,复原光谱廓线形状与理论分析一致。当干涉仪组件均采用融石英(SiLiCa),热控精度优于1.1℃时,仪器可具有0.01 nm的光谱稳定度,该分析为空间外差干涉光谱仪各功能组件的热控要求、地基常压条件下基频的选定等问题提供了理论依据。

空间外差光谱仪实验室定标技术研究

针对空间外差光谱仪(SHS)超光谱分辨率、空间干涉形式及窄带光谱范围的特点,分析了定标原理及要求,确定了单色可调均匀面光源的光谱定标和积分球辐射定标系统的绝对辐射定标方法,搭建了定标系统,实现了对光谱仪的光谱定标和辐射定标,并对定标的不确定度进行了分析,得出空间外差光谱仪的光谱定标不确定度为0.015cm-1,辐射定标不确定度为4.02%,满足给定的技术指标要求。通过对大气中CO2吸收谱的实际测量对定标结果进行验证,结果表明实测谱与模拟谱吸收峰位置对应准确,辐射亮度吻合理想,为CO2的定量反演奠定了基础。

空间外差光谱仪干涉条纹调制度影响分析

空间外差光谱仪(SHS)所获取的干涉图像需经过傅里叶变换才能得到光谱信息.频域光谱的信噪比和光谱信号的质量很大程度上取决于干涉条纹调制度.针对干涉条纹调制度的影响因素进行了定量理论分析,包含分束器分束特性、光学系统像差(干涉组件面形误差、准直镜头输出面形误差及成像镜头调制传递函数曲线)、扩展光源及像元大小等.实验证明,空间外差光谱仪样机复原光谱实测结果与理论计算一致性较好,对干涉条纹调制度的定量分析为干涉型光谱仪各功能组件的设计提供了理论依据.

空间外差光谱仪干涉仪组件的容差分析

利用空间外差光谱仪理论模型对由两臂分束器、光楔隔片、光楔、光栅隔片及光栅组成的十胶合干涉仪组件各元件容差进行模拟,采用非序列仿真获取干涉图,经傅里叶变换后得到仪器入射光谱曲线,分析干涉仪组件中元件容差对系统性能指标产生的影响,指出了空间外差干涉仪各元件的加工和胶合容差。各元件的角度容差、中心厚度容差、光栅刻线密度、光栅刻线方向转角容差以及光谱仪两臂的一致性都会对系统性能指标产生影响。同时,根据上述容差约束制造的空间外差光谱仪样机经定标获取的系统性能指标与其理论设计一致性很好,满足系统的容差范围。

温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响

为研究温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响,分析了温度变化对光谱仪中准直镜头、成像镜头以及干涉仪组件各光学系统组成部分性能参数的变化关系,建立了温度对光谱仪谱线漂移影响的模型,通过软件仿真和热光学实验对理论模型进行了验证。结果表明,良好的镜头光学设计方案可有效避免星载环境下温度对镜头组件光学性能的影响,干涉仪组件温度变化会使系统基频变化直接导致光谱谱线的漂移,同时温差过大会对光谱仪光谱分辨率产生影响,使光谱谱线发生变形。针对星载空间外差干涉型光谱仪中干涉仪组件的温控条件,应依据基频、结合光谱分辨率和带宽等性能指标提出严格的温控范围。