调制光谱仪的微型化研究进展

随着微加工技术的发展和日益成熟,微型化光谱仪的研究得以快速发展。和传统的微型光谱仪相比,基于调制原理的光谱仪具有高光通量、高分辨率的性能优势,可广泛应用于生物、化学、医学等许多领域中对微弱辐射信号的探测。介绍了几种类型的调制光谱仪的结构特点和关键技术,分析了设计与制作微型调制光谱仪过程中存在的一些关键问题与难点,并总结了该领域的研究进展和发展趋势。

时空联合调制干涉成像光谱仪的坏像元校正

时空联合调制干涉成像光谱仪通过获取景物目标的干涉图像序列,根据傅里叶变换光谱学理论,复原目标光谱信息。仪器探测器上坏像元的存在会破坏目标干涉图的连续性,造成干涉信息不能正确提取,导致目标反演光谱失真。文章分析了坏像元校正后的精度与不同光程差位置对目标复原光谱的影响,提出了一种基于径向基神经网络的校正方法,方法复杂度低,实现简单。试验结果表明,文章提出的方法与空间维线性插值、双线性插值、邻域均值三种遥感影像常用坏像元校正方法相比,精度有明显改善。

超声调制激光微区光谱仪参数的优化

对“超声调制激光微区光谱仪”主要参数，采取混合型正交表L18（2^1×3^7）进行最优化选择试验，得到了一组最优水平组合：A2B3C2D3E1F2G1H3。用该水平组合对同一标准样品中的Mg（λ＝279.08纳米)和Al(λ=396.15纳米)做了相对标准偏差(RSD)的测定,分别为6.54%和7.56%。此结果表明，其稳定性可与民德LMA－10型激光微区光谱仪相媲美。影响摄谱质量的因素除超声调制固体激光器，辅助电极，主、辅电源和摄谱仪等四个基本部分外，还和干板及其处理，样品的各类及其物理性质等诸因素有关，故摄谱是一种多因素实验，如何使此诸多因素皆外于最佳状态，以保证摄出的谱线质量最好，我们选了一种最有希望的方法－－“多因素选优法”。用此方法，恰当安排试验，可减少试验次数，缩短试验时间和避免盲目性，能迅速而有效的得到满意的试验结果。

基于LabVIEW的弹光调制型傅里叶变换光谱实时复原

针对弹光调制型傅里叶变换光谱仪难以采集到一个完整周期的激光干涉信号,并且无法对其进行光谱实时复原的问题,设计了基于LabVIEW的弹光调制型傅里叶变换光谱实时复原。首先,选用波长为632.8 nm的氦氖激光器作为光源,经过弹光调制型傅里叶变换光谱仪后,产生随时间变化的干涉信号,然后再通过光电探测器对干涉信号进行转换,获取干涉数据。最后用高速数据采集卡将数据采集下来并传输到LabVIEW上位机,对干涉数据进行光谱复原中的数据处理,并进行波长标定和复原分析。实验表明,对采集的单色激光在上位机LabVIEW能获取到一个完整周期的干涉信号,并经光谱复原算法可以实时复原得到频谱图,复原激光误差小于1 nm,半峰宽为0.01μm。

微型近红外光谱仪研究进展

归纳总结了现阶段国内外微型近红外光谱仪的发展现状,并对其原理结构以及优缺点进行阐述分析。最后对微型近红外光谱仪的发展前景进行了展望,微型近红外光谱仪在特定领域提高专用性的同时依然会朝着高信噪比、高分辨率、高稳定性、以及新材料、新工艺方向发展。

信息散度与梯度角正切相结合的光谱区分方法

提出了将光谱信息散度和光谱梯度角正切相结合的光谱区分方法(SID×tan(SGAπ/2)),克服了现有光谱区分方法难以同时兼顾光谱整体形状和局部特征的不足。利用仿真光谱作为输入源,根据时空联合调制干涉成像光谱仪的干涉图获取原理和光谱复原算法,模拟了其在不同最大掺杂比下对失真光谱的复原,并采用不同区分方法分别比较了复原光谱与准确光谱的差异。实验结果表明SID×tan(SGAπ/2)法可以在辨别光谱整体形状相似性的前提下,增强对光谱局部特征差异性的分辨能力。通过对多种区分方法结果的对比,验证了SID×tan(SGAπ/2)法在光谱区分能力上的显著提高。

弹光调制干涉图最大光程差的稳定性及检测技术研究

为了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTs)中复原光谱的准确度和稳定性,有必要对弹光调制干涉图的最大光程差的稳定性和检测技术进行研究。弹光调制干涉图的最大光程差是一个不确定量,与弹光调制器的谐振状态、频率温漂特性以及驱动电压等因素有关。因此,本课题在研究弹光调制干涉仪工作机理基础上,建立弹光调制器的频率温漂模型和光程差变化关系;提出以驱动信号为基准,对激光干涉信号过零计数的方式实现干涉图的最大光差检测,且将双通道的高速比较器与FPGA相结合,实现正弦波到方波转换、快速的过零计数和误差补偿。经试验验证,采用670.8nm的激光为参考光源,通过过零计数的方式,能实现最大光程差77.471μm的检测,其测量误差小于0.167nm,复原的红外黑体光谱的最大峰值波长偏差小于2nm。

弹光调制干涉图的预处理及相位校正方法

弹光调制傅里叶变换干涉信号是高速、连续非线性变化。为了实现等时间采样干涉信号的准确光谱重建,有必要对弹光调制干涉信号的预处理技术和相位校正方法进行研究。为了从连续的干涉数据中获取一幅完整的干涉图,文中利用干涉图零光程差点的幅值最大特性,获取一幅完整的干涉图。同时,为了克服干涉图的非对称性,提出将改进的Mertz相位校正方法与非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)相结合,提高重建光谱的速度和准确度。在实验中,通过仿真产生300 K红外黑体的非对称弹光调制干涉图,采用该数据处理方法提高了重建光谱的精度,并以大气窗口为被测对象,比较准确地重建了大气光谱曲线,实现了气体成分的定性分析。

大光程差PEM-FTS的快速光谱重建

弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)的调制光程差是高速、非线性变化,每秒可产生上万张干涉图。为了实现高速等时间采样干涉信号的快速光谱反演,对大光程差弹光调制干涉信号的特性、加速非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)进行研究。加速非均匀快速傅里叶变换算法是基于卷积核函数插值的快速傅里叶变换算法,此算法的核函数类型、参数τ、延伸影响因子q、过采样率μ等参数的选择对算法准确度以及复杂度有影响。在分析这些参数对算法影响的基础上,在μ=2,q=10,τ=1×10-6时,将加速的NUFFT算法应用于弹光调制傅里叶变换光谱仪中,重建了632.8nm的激光和氙灯光谱,复原的632.8nm激光光谱的频率偏差小于0.013 52,插值时间小于0.267s。实验表明加速的NUFFT算法有较快的运行速度和小的频率偏差,能快速准确地重建大光程差PEM-FTS的光谱。

用Burg算法提升空间调制傅里叶光谱仪分辨率与定阶方法

对于空间调制傅里叶光谱仪来说,由于数据长度受到CCD像元数量和最大光程差的限制。而分辨率大小反比于数据的实际长度,因此通常经过傅里叶变换所得到的分辨率是受到了数据长度的限制的。除了增加CCD像元数量、更改像元尺寸、改善光路等改变硬件的方法外,还可以使用现代谱估计的方法,通过对数据建立模型进行外推,从而有效扩充数据长度,提高分辨率。利用Burg算法,计算空间调制傅里叶光谱仪所得数据的自回归(AR)模型功率谱。通过此方法获得的计算结果在适当的AR模型选阶的情况下,具有高计算分辨率的特点,并且在获得数据的空间频率较低、像元数量较少的情况下仍然拥有一定的频率分辨能力。实验计算了不同选阶之下,FFT算法和不同选阶下Burg算法测量结果与其稳定程度,说明了Burg算法的选阶对光谱分辨率有着切实的影响,而且应用补零的FFT算法虽然无法提高光谱的分辨能力,但是会通过减少栅栏效应增强光谱计算分辨率,并且稳定程度与Burg算法在适当选阶下相近。

单边干涉图的数据处理方法研究

干涉成像光谱仪干涉图的采样方式一般有两种,即单边采样和双边采样,单边采样干涉图往往保留零光程差附近的部分“短双边”采样数据以利于数据处理·本文对空间调制干涉成像光谱仪不同干涉图采样方式下的光谱复原方法进行了研究,讨论了空间调制干涉成像光谱仪单边干涉图的切趾与相位修正,提出了更为合理和准确的方法.研究发现,合理设置短双边数据在减小仪器的原始数据量的同时,能够保证复原光谱的准确度·

干涉仪的微应力安装力学分析以及试验结果

干涉仪在系统中固定产生的应力会影响干涉条纹的调制度.将干涉仪的非通光面与干涉仪材料性能相同的玻璃平板胶合,做为干涉仪上下面的安装面,可以消除安装过程中对干涉仪产生的应力.选取航天通用的铸钛材料做为支撑件,可以避免恶劣航天环境中金属件热膨胀对干涉仪的破坏,采用XM31胶垫对干涉仪运输过程进行保护.整个装调中采用微应力装调.对整个系统采用工程分析软件进行了理论力学分析.结果表明,这种结构设计是可行的.同时采用2XSA60-T1000-32WL振动台,根据有关规范要求输入振动载荷,进行了力学环境试验.试验前后整个系统干涉图的MTF值基本不变.证明这种干涉仪结构设计以及微应力装调方法在工程应用上是可行的.

Acousto-optic Devices: Theory and Applications

The basics and applications of acousto-optic devices are described.The applications include acousto-optic spectrum analyzer,acousto-optic deflector,acousto-optic processors and acousto-optic digital matrix computer.

基于加权率失真优化SPIHT算法的干涉多光谱图像压缩

基于空间调制型成像光谱仪的成像特点,提出了一种适合于干涉多光谱图像的加权率失真优化多级树集合分裂(SPIHT)光谱压缩算法。该算法根据干涉多光谱图像在时域和频域的特点,推导出时域中随着光程差的增大,干涉图像对频域中光谱曲线的形状影响越大。因此,在光程差方向上,逐渐提升率失真函数的斜率,增大对图像的保护程度,不仅弥补了SPIHT算法在码率分配上的不足,而且有效地保护了频域中的光谱信息。实验结果表明,无论在时域还是频域,该算法与现有算法相比,性能有明显改进。

PEM-FTS非线性干涉信号的快速光谱反演算法

弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)的调制光程差是高速、正弦变化的,每秒可产生10万张干涉图。为了实现等时间采样干涉信号的快速、低误差光谱反演,三次样条插值算法、带有相位补偿的离散傅里叶变换(NDFT)算法和加速非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)分别被应用到PEM-FTS的数据处理系统中。研究发现,对等时间采样弹光调制干涉数据进行光谱反演,加速NUFFT算法数据处理速度比较快,较相位补偿的NDFT算法高一个数量级,是三次样条插值后快速傅里叶变换算法的2倍,且采样点数越多此算法优点越突出;有比较高的精度,其偏差小于0.00054。该算法可以应用于弹光调制傅里叶变换光谱仪中。

互换式幅度相消定位方案性能分析

用解析模型详细、深入的分析了更接近实际的非理想情况下新的幅度相消定位方案 (互换式幅度相消定位 )的性能 :分析了探测系统的分辨率和灵敏度有限及非完全交换时交换式幅度相消定位方案的定位性能 ;讨论了非完全交换时系统参量和异质子参量对其定位能力的影响。结果表明 :新方法可减小相对幅度和相位及异质子参量对系统的影响 ,明显地提高定位精度 ,探测到尺度和吸收系数更小、深度更深的异质子。