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.

多普勒非对称空间外差仪探测高层大气风速的三种方法比较研究

采用多普勒非对称空间外差仪(Doppler asymmetric spatial heterodyne,DASH)被动遥感探测高层大气风速,目前有傅里叶级数法和流行的傅里叶变换两种测风方法.本文提出“四强度法”测风.比较研究了傅里叶级数法、傅里叶变换法和“四强度法”测风的原理、正演、噪声和反演等内容,3种测风方法均从DASH斐索干涉条纹的相位差变换而来.假设风速为0—100 m/s,利用傅里叶级数法、傅里叶变换法和“四强度法”得到正演的斐索干涉图后,再对应得到正演风速的误差分别为2.93%,4.67%和3.00%.人为添加均值为0、标准差为0.1的高斯噪声后,假设风速是0—100 m/s,用傅里叶级数、傅里叶变换和“四强度法”分别对平场后的数据正演,得到相对误差对应分别为2.30%,11.66%,2.27%.人为添加高斯噪声后,假设风速为31—39 m/s和30.1—30.9 m/s,用傅里叶级数法和“四强度法”得到正演风速值,两种情况的傅里叶级数法的测风误差是3.55%和4.15%,均高于“四强度法”的测风误差2.20%和2.69%.利用GBAII-DASH野外拍摄西安上空98 km的O(1S)557.7 nm气辉,得到天顶角为0°和45°的成像干涉图,再用傅里叶级数、傅里叶变换和“四强度法”得到反演风速分别为32.21 m/s,43.55 m/s和32.17 m/s.从DASH的正演、反演结果看,本文提出的“四强度法”探测高层大气风速的结果较好,计算简便,测风精度相对较高.

基于多普勒非对称空间外差光谱测速的复合光程差相移解算方法

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,基于其光通量大、体积小、精度高的特点,适用于深空环境下的高精度探测工作.也正因其高灵敏度的特性,使得实验中的各种细节因素都可能对测量结果造成干扰.本文从实验条件的角度,重点考虑条纹中心位置偏移、光照不均匀、高斯噪声等因素的影响,提出了复合光程差相移解算方法.经仿真计算和数据分析得出,相位标称点相对中心位置的偏移量会显著影响光谱测速的系统误差,而复合光程差相移解算方法能够在一定程度上平滑环境噪声和随机干扰造成的光谱测速精度误差.对于1%程度的高斯噪声干涉条纹图像,采用复合光程差相移解算方法能够将测速误差控制在5‰以内,使得非对称空间外差光谱技术能够更好地适用于空间光电精密测量的相关应用中.

用于风场探测的非对称空间外差干涉数据处理方法研究

利用非对称空间外差光谱技术和多普勒效应,通过测量中高层大气气辉谱线的干涉图,采用傅里叶变换的方法求解相位,获得大气的风速信息。分析了干涉数据的处理方法,并针对干涉相位的求解进行推导。相比于传统观空间外差数据处理,不仅要考虑噪声和系统误差,而且要考虑用于光谱隔离的窗函数引入的相位误差。通过软件模拟了窗函数的类型和窗长度对干涉数据和风速误差曲线的影响;在此基础上选择合适的窗函数模拟了对干涉图添加噪声和平场因子情况下的风速反演误差。结果说明,虽然窗函数造成了干涉图和相位的畸变,但是使用汉宁窗在合适的光程差处能够使其引入的误差低于5%;同时,噪声的仿真说明,风速误差随着系统噪声的增加而增大,在实验过程中控制噪声以及实验数据预处理对于控制风速精度的必要性。数据处理方法的研究和相关的仿真,对于提高空间外差风速测量精度及系统设计提供了理论参考,具有一定的指导意义。

基于多普勒非对称空间外差光谱技术的多普勒测速仿真

阐述了多普勒非对称空间外差光谱仪用于被动式多普勒测速的基本原理,通过综合考虑干涉条纹对比度和仪器测速灵敏度等关键因素,建立了效率函数,分别针对高斯线型和洛伦兹线型发射谱线,从理论上推导了最优单臂偏置量的选择依据,并以高斯线型目标谱线为例进行了仿真验证.同时,提出了一种基于部分干涉条纹反演多普勒速度的数据处理方法,简化了多谱线目标源的数据处理过程.结合自适应频率跟踪算法对单谱线目标源和多谱线目标源进行了仿真比较,仿真结果表明,在不考虑噪声的情况下,该方法针对多谱线目标源的多普勒测速最大绝对误差在0.004 m/s以内,与针对单谱线目标源的处理精度相当,可以满足实际应用的精度要求.

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。

宽谱段空间外差干涉光谱仪

研究了基于中阶梯光栅多级衍射特性实现谱段展宽的宽谱段空间外差干涉光谱仪的基础理论和系统设计方法.阐述了宽谱段空间外差干涉光谱仪的特点,分析了仪器性能指标（光谱分辨率、光谱范围、视场、信噪比、衍射级次等）与初始光学和电子学参数（光栅、视场棱镜、成像系统、探测器等）之间的理论关系.然后,设计并搭建了宽谱段空间外差干涉光谱仪实验平台,该系统的理论光谱分辨率为0.173 cm-1@16 950 cm-1,光谱区为500～700 nm.最后,给出了激光（543.5 nm、632.8 nm）、Na灯（589 nm、589.6 nm）、Hg灯（576.96 nm、579.07 nm）光源的宽谱段实验结果,其复原光谱的平均波数采样间隔为0.17 cm-1;光谱复原过程中采用三角切趾函数,平均光谱分辨率为0.39 cm-1.实验结果与理论设计符合良好,且复原谱各级次之间的对应关系与光栅方程确定的理论关系完全符合.

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。

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。

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。

光栅-平面镜型可调式空间外差光谱仪

针对空间外差光谱技术测量光谱范围较窄(10nm左右),制约其应用范围的问题,提出了一种光栅-平面镜结构的可调式空间外差光谱仪系统。该系统将传统的双平面光栅式空间外差光谱仪中的一块光栅换成平面镜,让另一块光栅可旋转来组成可调式结构;通过旋转光栅切换测量波段,展宽其测量范围;对平面镜施加微小俯仰角以确保谱图还原的单值性;从而拓展了仪器的应用范围。搭建了原理样机并对其性能进行了实验验证。结果表明,设计的仪器的光谱范围达到了100nm左右,分辨率优于0.29nm。该仪器结构简单,光栅制作难度低,易于实现谱图还原。另外,通过增加光栅旋转切换次数和引入抑制杂光措施等手段,还可进一步展宽波段范围,提高系统光谱分辨率。

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。