非对称空间外差光谱技术研究

传统空间外差光谱技术存在光谱分辨率、光谱范围与探测器象元数之间的制约关系。非对称空间外差光谱技术相比传统空间外差光谱技术主要区别在于增加单臂光栅到分束器的距离,能够在系统参数不变的情况下大大的增加光谱分辨率。首先阐述了非对称空间外差光谱技术的基本原理,并给出相应的系统参数计算公式推导结果,从理论上推导出单臂光栅偏置量增加和光谱分辨率增加之间的关系。偏置量作为非对称空间外差光谱技术的重要参数,受短双边象元数和光谱分辨率需求的制约。根据实验室现有实验平台参数,给出偏置量选择原则及结果。在元器件参数相同的情况下,分别计算了两种形式的理论光学性能参数,并且进行了仿真验证,得出非对称空问外差光谱仪与传统空间外差光谱仪光谱范围相同,但具有更高的光谱分辨率,并且分辨率提高与偏置量增加关系与理论计算相符。最后通过单色光扫描方法对非对称空间外差光谱仪实验室装置进行光谱范围和光谱分辨率的定标,定标结果与理论计算值吻合较好。

空间外差光谱技术及其在大气遥感探测中的应用

基础研究表明大气微量气体成分的精确反演需要超高分辨率光谱数据,空间外差光谱技术是近年来得以迅速发展的新型超光谱分析技术,综合了光栅及傅里叶变换光谱技术的特点。对空间外差光谱技术基本原理进行了分析,阐述了空间外差干涉数据复原光谱信息流程。针对大气主要温室气体CO_2开展空间外差光谱技术在大气遥感探测方面的应用研究,通过地基遥感观测实验,分析空间外差光谱系统的探测灵敏度,验证超光谱数据对大气微量气体浓度变化检测能力。实验表明空间外差光谱技术在大气遥感探测尤其是微量气体成份探测中具有针对性和优越性。

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308nm波段受到太阳能量激发,发射出OHA2Σ+-X2Π(0,0)荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8nm,光谱分辨率为0.008 25nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。

空间外差光谱技术应用于大气二氧化碳探测的能力分析

论述了在大气二氧化碳(CO2)探测中使用高分辨率红外光谱的必要性,并通过模拟计算,分析了天基高精度大气CO2探测所需要的工作波段、光谱分辨率和信噪比(SNR)等参数。以此为基础,介绍了针对这些参数研制的空间外差CO2探测仪样机,并通过实验室Mg灯观测结果,对仪器样机的分辨率进行了验证。最后利用辐射传输软件LBLRTM,结合准实时的美国国家环境预报中心(NCEP)再分析数据对地面观测光谱进行了精确的模拟。通过将模拟光谱与仪器实测光谱进行对比,得到了较好的匹配结果。该结果表明,空间外差CO2探测仪可以获得大气CO2的精细吸收结构,其观测数据能够满足大气CO2探测的要求。

基于空间外差光谱技术的紫外高分辨率太阳直射光谱测量

利用基于空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪,配合太阳跟踪器,对晴空太阳直射光谱进行测量,获得了308nm波段高分辨率的太阳直射光谱。对干涉数据进行去暗电流、去基线、相位校正和傅里叶变换等处理,得到最终的干涉光谱图。利用辐射传输模型模拟理论上到达地面的光谱,将实测结果与理论模拟结果进行比对发现,光谱匹配一致,这为在轨探测高分辨率太阳光谱与目标散射信号提供了实验数据。

棱镜型空间外差光谱技术研究

提出了一种棱镜型空间外差光谱技术设计方案。该技术将传统空间外差光谱仪中的衍射光栅替换为色散棱镜和平面反射镜,分析系统轴上光路,给出了元件参数之间的匹配关系。利用仿真软件对干涉图进行理论仿真,并分析了色散棱镜的折射率和顶角角度对光谱分辨率的影响。设计并搭建了棱镜型空间外差光谱技术验证平台,采用635 nm和650 nm波长的光源初步验证了实验平台的可行性。实验结果表明:在色散棱镜采用BK7玻璃(650 nm波长下折射率为1.51452)和顶角角度设置为30°的条件下,得到的光谱分辨率为1.07 nm,通过仿真计算可以得到光线的能量利用率为94.43%。实验结果与理论仿真基本一致,验证了设计方法的可行性与科学性,为空间外差光谱技术的研究提供了一个新思路。另外,通过选用更高折射率的色散棱镜和增大顶角角度等手段,还可以进一步提高光谱分辨率。

用于空间外差光谱技术的Offner成像系统设计

Offner反射式成像镜头相比于透射成像镜头具有适用波段范围宽、像差小、相对数值孔径较大、结构简单紧凑以及空间适应性良好的优点。结合空间外差技术特点和要求,给出了一种Offner成像镜头的设计方法和光路结构。该设计通过在出射光路中加入透镜改变缩放比,离轴装配消除像差的方法,可以满足空间外差光谱仪中对定域面干涉条纹进行任意比例缩放的要求。在系统要求数值孔径为0.042、缩放比为-0.8622…1的条件下,给出了设计实例,且点列图最大均方根半径优于1.81μm。最后对该系统进行了像质评价和公差分析,分析结果表明其成像质量可以满足空间外差光谱仪对成像镜头的要求,在现有加工和装配水平条件下可工程化实现。

用于远程探测的空间外差拉曼光谱技术研究

空间外差拉曼光谱技术是一种新型拉曼光谱探测技术,具有光通量大、高分辨率、无移动部件等技术优势,非常适用于行星探测任务中,对行星表面的矿物及有机物进行分析,探寻可能存在的生命标志物。作者将这一技术运用于远程拉曼光谱探测中,对远程空间外差拉曼光谱仪的光谱分辨率、光谱范围及信噪比等主要特性进行了分析与实验验证。文章对远程空间外差拉曼光谱探测的基本原理进行了简述,设计搭建了一套实验平台,并进行了定标,验证了其性能参数。在此基础上,获取了10m处部分无机固体样品、有机样品及天然矿物的拉曼散射信号,对系统信噪比进行了估计。由于装调精度不高、光学器件缺陷等原因,系统远非理想。但测试结果表明,对于大部分样品的主要拉曼散射峰,系统信噪比优于5,基本可以满足清楚分辨典型拉曼谱峰的要求,依然可以证明这一技术的可行性。空间外差拉曼光谱技术可以弥补色散型光栅光谱仪与傅里叶变换型光栅光谱仪的主要技术缺陷,在行星表面物质探测与分析领域具有较大的应用前景。作者对于这一技术的研究一定程度上证明了空间外差拉曼光谱技术在远程探测方面的潜力,可为远程空间外差拉曼光谱仪的工程实现提供参考。

空间外差干涉光谱仪仪器线型函数测量新方法研究

空间外差干涉光谱技术是近年发展起来的新型静态超分辨光谱分光技术,仪器线型函数是其基本性能参数之一,代表了仪器的光谱分辨能力,需要精确表征。在分析仪器线型函数影响因素(切趾、有效视场角与离轴像元效应)以及测量方法与测量光源等特殊性要求基础上,提出了一种可调波长单色面光源的全新测量方法,并利用可调谐激光器与消散斑积分球等设备搭建了测量实验装置。在仪器线型函数测量实验中,通过选取光谱范围内的典型谱段进行高光谱(0.1nm步长)扫描,经过干涉数据误差修正、光谱复原以及坐标归一化等数据处理过程,获取了仪器线型函数的能量分布形式。此外,利用全光谱范围内扫描的干涉数据,得到仪器线型函数的全峰半宽随波长的变化规律曲线。最后,将本方法获取的实测仪器线型函数与模拟光谱(LBL计算)进行卷积获取理论谱,并与地基探测实验获取的实测大气CO2吸收光谱进行比对分析,两者吻合一致,验证了本方法获取的仪器线型函数具有较高的精度。

空间外差光谱仪的平场波长定标实验与数据处理

空间外差光谱技术综合了光栅衍射与空间调制干涉两种技术特点。由于干涉仪胶合与光栅刻划过程中存在误差,使得系统平场与理论设计值存在偏差。本文探讨了空间外差光谱仪系统平场定标的原理,通过干涉条纹频率公式推导出了系统平场定标的基本公式,设计了可调谐激光导入消散斑积分球定标方法及定标装置。针对中科院安徽光机所研制的用于大气CO2精细吸收光谱(1 575nm吸收带)探测的空间外差光谱仪样机开展了平场定标实验。定标结果表明,仪器的实际平场波长比理论设计值向短波方向漂移了约0.05nm,满足仪器设计要求。

空间外差拉曼光谱仪成像镜头光机热集成分析

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型;仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化;将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。

空间外差光谱仪数据盲元误差修正

针对空间外差光谱仪干涉数据盲元误差修正要求,分析了其形成机理与分布特点,提出了一种全局阈值粗判与加窗技术相结合的计算方法,完成了干涉数据盲元的定位检测及补偿修正。用对实验室内采集的连续光源干涉数据以及室外地基探测的大气CO_2吸收干涉数据分别进行盲元误差修正实验验证,实验结果表明该算法能够在不破坏干涉数据信息量的同时,完成盲元误差的补偿修正,提高了光谱复原精度。

空间静态偏振调制干涉光谱系统的设计与仿真

为了更好地获取目标物的光谱偏振信息,设计了一套空间静态偏振调制干涉光谱系统。该系统结合了空间外差光谱和偏振光谱强度调制技术,只需一次采样便可同步获取目标的分辨偏振光谱信息以及高光谱分辨率的Stokes矢量偏振光谱。首先从偏振光谱强度调制和空间外差光谱仪的光学理论入手,对该系统的光谱信息采集和偏振信息调制解调过程进行数学推导。然后根据调制模块中高阶相位延迟器的厚度与光谱仪带宽之间的对应关系,发现现有的光谱仪带宽过窄,导致延迟器厚度过大,无法适应宽波段的光谱测量需求。结合延迟器厚度与光谱复原分辨率的约束关系,在极限厚度下得出了空间外差光谱仪的最小拓宽光谱范围。最后根据改进的参数匹配设计,对探测过程进行了计算机数值模拟。研究结果表明:在空间外差光谱仪的最小拓宽工作波段内,对CCD探测器记录的干涉图进行基于傅里叶变换的解调处理,能够高保真地复原输入光信号的Stokes参量的偏振光谱信息,从而验证了该系统的可行性。

新型超光谱大气CO_2遥感探测技术

论述了空间外差光谱技术在大气CO2超光谱遥感探测中的应用。分析了高精度大气CO2遥感探测所需的光谱波段、光谱分辨率以及信噪比等重要指标,以此为设计依据,开展了大气CO2空间外差光谱仪核心元器件指标的计算。利用Y-12飞机进行航空验证实验,分别采集了农田、工业区、沙滩区域的CO2吸收光谱数据,并开展了数据处理,获取了机载平台下的CO2精细吸收谱线。初步的反演结果表明空间外差光谱技术能够满足大气CO2等温室气体的遥感探测灵敏度要求。

超光谱空间干涉数据切趾函数与信噪比关系研究

干涉光谱技术在大气遥感、天文探测及地物勘察等诸多领域的应用是当前国内外研究热点,光谱重构作为遥感数据处理的重要环节与探测精度紧密相关。干涉数据由于有限光程差采样导致复原光谱出现频率泄露,切趾函数在光谱重构过程中可以起到平滑光谱、保持复原光谱和其他类型分光技术探测光谱一致性的作用,但同时会造成重构光谱的分辨率下降。已有研究表明切趾函数并没有提高反演精度,同时多个典型大气遥感载荷地面数据处理过程中并未使用切趾函数。空间外差光谱技术由于其诸多优点在国内外引起广泛关注,中科院安光所基于该技术成功研究出用于大气CO2探测的原理样机。信噪比是光谱仪的核心指标之一,从信噪比、光谱分辨率和探测精度之间的关系出发研究切趾函数在干涉数据光谱重构中的影响。针对当前传统切趾函数并没有达到最优旁瓣抑制效果,以诺顿-比尔切趾函数为基础,在分辨率降低相同的情况下,获取最大的旁瓣抑制程度为判据构造了10种不同光谱展宽程度的切趾函数。利用SCIATRAN辐射传输模型分析了大气CO2遥感探测中不同气体浓度造成的大气层顶的辐亮度差异,推导了典型条件下不同光谱分辨率满足1%探测精度需求的信噪比要求。以实验室空间外差光谱仪样机参数为基础,通过仿真干涉数据和本文构造切趾函数分析了不同切趾程度下光谱分辨率和信噪比的变化关系。最后利用实验室研制的样机开展了实验验证,通过观测稳定均匀积分球辐射源获取干涉数据在不切趾的情况下计算信噪比,以及干涉数据进行不同程度切趾后复原光谱信噪比。仿真和试验结果表明干涉数据由于切趾对噪声的抑制信噪比逐渐升高,同时造成光谱分辨率逐渐下降,而探测精度由于分辨率下降对光谱信噪比的要求也逐渐升高。探测精度对信噪比的需求提高明显高于切趾作用下光谱信噪比的升高趋势,仿真数据和实测数据信噪比分别在切趾程度大于1.6倍和1.8倍的情况下低于探测精度对仪器信噪比需求,即白噪声在噪声中占主导的情况下不切趾更有利于探测精度的保障。该研究结果可以作为干涉数据光谱重构的参考。

FIR滤波器与回归分析的空间外差干涉谱目标识别

结合辐射传输和朗伯比尔定律,提出一种基于有限脉冲响应数字滤波器和多元线性回归分析的空间外差干涉谱目标匹配方法,通过对干涉图直接分析来提取出钾共振双线的特征以实现目标识别。本文采用传统有限脉冲响应数字滤波的处理方法来消除有效目标干涉频率信息以外的背景信息和干扰信号。通过对滤波前后的时域干涉数据进行多元线性回归处理获得最佳的时域滤波系数,以对目标信号、背景信号的干涉图直接进行滤波处理,最后通过干涉图匹配技术来识别钾共振双线信号。该算法无需测量背景光谱或背景干涉图,亦无需对干涉图做傅里叶变换获取光谱,在提高计算效率的同时提高空间外差光谱仪遥感数据的分析反演能力。

星载超光谱大气主要温室气体监测仪载荷

"高分五号"卫星是中国高分重大专项中第一颗高光谱分辨率卫星,共搭载有六台有效载荷,其中大气主要温室气体监测仪是实现CO_2、CH_4等温室气体探测的超光谱专用载荷。该载荷采用新型空间外差光谱技术原理,具有无运动部件分光、超光谱、光通量大等技术特色,是国际上首次实现基于该技术体制研制的温室气体载荷,且完全依托中国现有基础进行自主研制。文章主要介绍了大气主要温室气体监测仪探测原理及方案、在轨工作模式设计,研制过程中突破的一体化干涉仪胶合、星上定标、海洋耀斑观测等多项关键技术。阐述了载荷地面定标及性能验证等工作,对定标及测试数据进行了分析,结果表明该载荷性能已到达了国际同类载荷的先进水平。文章最后还对温室气体后续探测载荷发展提出了一些具体建议。

一种新型的可视化气体传感技术研究

光吸收气体传感技术由于具有与人类嗅觉细胞相似的巨量并行、交叉敏感及广谱响应特性,适用于承担电子鼻核心的气体传感任务^([1])。而常规的光栅光谱仪存在着光谱范围与分辨率相互制约的缺陷,因此本文提出将同时兼顾宽光谱、高分辨特性的空间外差光谱技术(SHS)^([2])应用于气体传感,构建出一种新型的基于光吸收和SHS的可视化气体传感技术(V-GST)。为了验证方案的可行性,文章首先构建可视化气体传感技术的系统模型,并搭建相应的实验平台,然后利用该平台对不同光源、不同浓度的NO_2进行检测。

应用于高精度大气CO_2遥感的空间外差技术研究

针对大气二氧化碳高精度反演对卫星载荷测量技术的极高要求,通过与传统的色散型和干涉型光谱测量技术的比较,介绍了一种新型的超光谱测量技术即空间外差光谱技术。依据航天条件下的载荷技术需求,较详细地介绍了探测原理和仪器结构,展示了这种技术获取超光谱分辨率和高信噪比数据的能力,以及小体积、轻质量和低功率等在航天环境下的重要技术优势。在此基础上,利用本所自主研制的原理样机进行了大气二氧化碳探测实验,结果表明其观测数据精度能够良好地应用于二氧化碳反演,其探测结果与日本碳嗅卫星(GOSAT)观测结果相一致,说明空间外差技术具有应用于卫星对地探测大气二氧化碳的能力。

“高分五号”卫星大气主要温室气体监测仪(特邀)

"高分五号"卫星于2018年5月9日成功发射,是我国第一颗高光谱观测卫星,大气主要温室气体监测仪是其中一台有效载荷,采用空间外差光谱技术进行高光谱分光,是国际上首台基于该体制的星载温室气体遥感设备。阐述了载荷的基本工作原理,包括分光原理、工作模式及通道设置等内容。载荷的光学系统主要由五部分组成,核心单元为一体化胶合干涉仪,为避免光谱混叠对窄带滤光片的指标参数要求较高。为提高在轨数据定量化水平,载荷设计了基于漫反射板系统的定标装置,可满足光谱及辐射定标要求。最后,梳理了载荷数据处理的基本流程,并对首批观测数据进行了光谱复原,成功获取了1级数据产品,为下一步温室气体反演应用奠定了基础。