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。

双弹光拍频调制型Fourier-Bessel变换成像光谱技术研究

针对现有弹光调制器（photoelastic-modulator ，PEM ）的调制频率高（几十kHz以上），调制干涉信号频率更高，普通阵列探测器无法有效采集，提出了一种基于双弹光调制器拍频调制和傅里叶-贝塞尔（Fourier-Bessel）变换的光谱测量方法，并结合CCD成像技术构成新型双弹光调制成像光谱技术（dual-photo-elastic-modulator-based imaging spectrometer ，Dual-PEM-IS）。该方法将双弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率上，以对光进行拍频调制，并产生载有被测光的低频调制分量（比驱动频率小2～3个数量级，普通CCD可实现探测），通过对调制信号中的低频成分进行 Fourier-Bessel变换可得到目标光谱，使得弹光调制兼具了成像和光谱测量能力。介绍了其原理并推导出光谱反演公式，并通过仿真和实验验证其可行性，分析了光程差的微小偏差对反演光谱造成的影响，为进一步工程化实现提供了必要的理论基础。

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。

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。

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。

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。

空间调制型干涉光谱成像仪数据处理方法

干涉型光谱成像技术是一种新型的光谱成像技术,近些年来发展迅速。干涉成像光谱仪获得的是间接数据干涉图,不能被用户直接使用,需要进行干涉数据反演处理,包括数据预处理(干涉图修正)、切趾、相位修正、傅里叶变换、光谱辐射定标等一系列复杂的处理,目前国内外尚未有文献对干涉数据处理技术进行全面的分析,文章基于作者单位对此技术多年的研究,针对空间调制型干涉光谱成像仪的数据处理方法,结合环境与灾害卫星超光谱成像仪的数据,提出了一套有效的数据反演方法和流程,获得了很好的数据反演结果。

用于遥感光谱探测的干涉成像光谱技术

由于干涉成像光谱仪具有高通量、高光谱分辨率和光谱多通道等优点 ,成为超光谱分辨率遥感方面的研究热点 ,文章简要分析了国内外的研究现状和干涉成像光谱仪的应用前景 ,主要介绍时间调制型干涉成像光谱仪和基于变形Sagnac干涉仪、双折射棱镜及Savart板等空间调制型的干涉成像光谱仪的形式、原理和特点 ,分析了其光学结构和影响光谱分辨率的因素。

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·

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。

弹光调制傅里叶变换光谱技术研究

为进一步提高弹光调制傅里叶变换光谱仪光谱分辨率,提出了一种折返式弹光调制干涉仪结构,该结构通过在弹光晶体前后表面镀制相互交错的的全反射膜,并让入射光线以约10°的倾斜角入射,使得被测光束在晶体内部产生多次反射,增大光在干涉仪中的传播距离并提高了调制光程差。建立了折返式弹光调制傅里叶变换光谱仪干涉-光谱反演数学模型,并在此基础上设计搭建了相应的前置收集光系统,并进行了激光光源和氙灯光源的遥测实验,实验所得干涉条纹清晰、稳定,结果表明,所设计的多次反射式弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率达到13cm-1,且该方案使得光线在晶体内部产生反射,降低了光能损失,保证了系统性噪比。最后的光谱反演结果表明,所设计光谱系统的技术可行,为后续的样机研制以及光谱、辐射标定等工作奠定了基础。

紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪

提出了一种结构简单的紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪 ,它是基于由两块半五角形棱镜构成的环行共光路干涉分光装置和电荷耦合器件 (CCD) ,具有无机械扫描、全谱同时测量、通光能力强、结构性能稳定和制造成本低等优点。给出了这种光谱仪的分光原理、系统结构及实验结果 。

大扫描范围光纤压电相位调制器设计

光纤傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率是由最大光程差决定的。设计了一种新型全光纤压电光纤拉伸器,实现了大扫描范围的全光纤压电相位调制,分析了设计中需要考虑的问题。用实验对自行研制的压电光纤拉伸器进行了测试,其光程扫描范围可以达到1.67 mm,增加绕接圈数可以进一步提高光程调制范围。这种光纤拉伸器可广泛用于干涉仪相位调制中。

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。

Sagnac干涉仪的几何参量计算

根据空间调制干涉成像光谱仪对视场的要求和小型化目标,通过对分体型Sagnac干涉仪的结构与光路进行分析,研究了Sagnac干涉仪的几何参量与入射光线视场角和孔径之间的关系.推导出满足视场要求的最优化几何参量以及满足横向剪切要求的几何参量修正量,并将其推广到实体型Sagnac干涉仪中,用于指导干涉成像光谱仪的结构设计与优化.

Wollaston棱镜阵列中子棱镜结构角误差分析

Wollaston棱镜阵列中各个子棱镜的结构角间的误差影响着光谱仪的性能。从干涉图的无缝拼接入手,推导了n元Wollaston棱镜阵列的最大光程差公式,以三元Wollaston棱镜阵列为例,分析子棱镜结构角误差对光谱分辨率的影响,通过干涉条纹光强公式构建干涉图样模型,利用Matlab软件编写相关程序,仿真了630 nm单色光的复原光谱,分析结构角误差对光谱的影响。实验结果表明:当子棱镜结构角误差大于10-3数量级时,光谱中将有伪峰出现,为Wollaston棱镜阵列的研制提供了理论依据。

傅立叶变换光谱仪信号调制度下降的分析

从理论上分析了一些引起傅立叶变换光谱仪信号调制度下降的原因 ,具体的就平面镜面形、偏振态、探测器横向位置偏移、平面镜倾斜、角锥反射镜顶点之间的横向偏移等作了一定的分析 ,得到了几个重要的公式 ,并就这些公式的用途作了简短的说明。

空间调制傅里叶变换红外光谱仪多级微反射镜倾斜误差分析

空间调制傅里叶变换红外光谱仪无可动部件,系统稳定而紧凑,而且程差可控,可实现在线监测和实时检测。多级微反射镜是光谱仪干涉系统的关键器件,其在系统中的位置精度对光谱仪性能影响很大。本文对多级微反射镜的倾斜误差引起的光程差变化进行了理论计算,并利用光学软件进行了模拟仿真。分析结果表明,随着多级微反射镜倾斜角度的增大,干涉图对比度下降,对应的光谱图脉冲谱线展宽,信噪比下降,严重时会出现波数偏离。以上分析方法对后期系统公差分配及装调有着重要的指导意义。

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。

傅立叶变换光谱仪现状及其微型化进展

本文通过查阅大量的文献与产品信息,总结归纳了目前傅立叶变换光谱仪特别是微型的傅立叶变换光谱仪的结构类型,发展概况与进展。首先概述了时间调制型和空间调制型傅立叶变换光谱仪的基本原理、结构部件、优势缺陷以及研究进展;而后对目前市场上的傅立叶变换光谱仪器产品进行了整理与分析,对各项技术性能指标进行了评述;最后着重对微型傅立叶变换光谱仪的进展作了综述。