大视场消色差温度补偿型风成像干涉仪调制度的分析与计算

简要论述了大视场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪用于高层探测的基本原理.对自行设计的风成像干涉仪的调制度进行了理论分析与计算,推导了调制度的理论表达式.采用计算机模拟,分析了仪器调制度随入射角的变化关系.当调制度大于075时,风成像干涉仪视场角可达129°,充分显示了大视场、高调制度的显著特点.分析了玻璃折射率对调制度的影响,得到了调制度取得最大值时玻璃的优化组合;分析了温度对调制度的影响,得到了调制度随着温度变化的曲线.此研究为高层大气探测理论的发展、大气探测以及大视场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪的研制提供了重要的理论依据及实践指导. 关键词： 干涉成像技术 迈克尔逊干涉仪 调制度 双光束干涉     

两种干涉成像光谱技术方案的比较

对"大孔径静态干涉成像光谱技术"方案与以色列学者提出的"两维景物光谱同时测量方法"进行了分析和比较,讨论了这2种干涉成像光谱技术方案中干涉仪与成像光学系统两方面的差异,通过计算机模拟,给出了"两维景物光谱同时测量方法"的光程差非线性变化。受"两维景物光谱同时测量方法"的启发,提出基于横向剪切干涉仪的时间调制型干涉成像光谱技术方案,研究了匀速转动横向剪切干涉仪时,各不同视场像元处光程差的变化规律。     

Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术

相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪, Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点. 本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统, 构建了风速反演的数学模型, 利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能. 数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出, 采用SineSqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离, 并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响, 从而实现视场展宽. 结果表明: 采用SineSqr函数拟合法可获得在±100 m·s^-1的径向风速范围内<0.45 m·s^-1的风速误差, 克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点; 视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下, 能最大补偿1°的视场角. MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础. 关键词： 激光雷达 条纹成像Mach-Zehnder干涉仪 风速反演 视场补偿     

空间调制干涉成像光谱技术

介绍空间调制干涉成像光谱技术，提出基于实体迈克尔干涉仪的空间调制干涉成像光谱仪，推导了这种仪器的基本几何参数公式与主要误差容限计算公式，总结了其主要特点。文中还归纳出高通量大视场干涉仪原理模型。     

双波长高光谱分辨率激光雷达光谱鉴频器设计

提出了一种可作为高光谱分辨率激光雷达(HSRL)光谱鉴频器的双波长视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)的设计方法。详细阐述了双波长FWMI的设计原理,权衡考虑色散对于鉴频性能的影响。通过双波长视场展宽设计实现折射率补偿,从而使FWMI在355 nm和532 nm均有较大的接收视场。给出适用于355 nm和532 nm的双波长FWMI设计的具体参数,并对其进行性能评估和容差分析。评估结果表明,双波长FWMI拥有超过6°的接收视场角,在两个波长均有较为优异、稳定的性能表现,对于加工和装配精度要求也并非苛刻。利用蒙特卡罗仿真对基于双波长FWMI的HSRL系统的光学参数的反演误差进行分析。分析结果表明,在532 nm,气溶胶后向散射系数和消光系数的反演误差分别为1.82%和11.39%,而在355 nm,二者分别为1.62%和2.95%。     

像面干涉中非线性干涉光谱数据重构算法EI北大核心CSCD

静态迈克耳孙干涉仪是一种实体式像面干涉仪,可以解决干涉光谱成像仪大视场的技术难点。在采样过程中,静态迈克耳孙干涉仪会引入光程差的非线性干涉误差,导致无法准确复原光谱,因此需要对非线性干涉误差进行修正。分析了非线性干涉误差的理论模型,提出了基于数值拟合的非线性干涉光谱数据重构算法,并进行了仿真验证。仿真结果表明,采用数值拟合的重构算法可成功复原目标光谱,消除非线性干涉误差;与采用线性拟合的重构算法相比,使用柯西色散公式拟合的重构算法的光谱复原精度更高,且吸收峰处的反演光谱与入射光谱的相对误差小于0.7%。     

基于非扫描式干涉仪的光谱探测研究

探测视场的大小是激光预警性能好坏的一个重要指标。在采用非扫描式傅里叶变换干涉仪探测激光光谱的实验基础上,计算了在60°视场范围内激光以任意角度入射时关于入射角度与相干位置的光程差函数,推导了干涉条纹间距与入射角度及波长的方程组,提出了采用两个干涉仪在垂直角度下运算求解的方法。经仿真计算可知,随入射角度的变化而造成干涉条纹变密、亮带变细和波长偏移等结果。实验证明,干涉条纹计算和仿真结果与实验相符,在较宽的视场范围内可以有效探测激光光谱信息,求解激光入射方向的最高精度可达1°。     

像面干涉中非线性干涉光谱数据重构算法

静态迈克耳孙干涉仪是一种实体式像面干涉仪,可以解决干涉光谱成像仪大视场的技术难点。在采样过程中,静态迈克耳孙干涉仪会引入光程差的非线性干涉误差,导致无法准确复原光谱,因此需要对非线性干涉误差进行修正。分析了非线性干涉误差的理论模型,提出了基于数值拟合的非线性干涉光谱数据重构算法,并进行了仿真验证。仿真结果表明,采用数值拟合的重构算法可成功复原目标光谱,消除非线性干涉误差;与采用线性拟合的重构算法相比,使用柯西色散公式拟合的重构算法的光谱复原精度更高,且吸收峰处的反演光谱与入射光谱的相对误差小于0.7%。     

像质补偿在高分辨物镜精密装调中的应用

根据高分辨物镜各个光学元件的实测数据,应用轴向补偿和旋转补偿法,在仿真精密装调过程中得到了物镜轴向补偿器的最优值和各元件的最佳旋转角度。仿真结果表明,在97.7%的置信区间内,物镜各视场波像差RMS值从补偿前的0.087λ(λ=632.8nm)减小到了补偿后的0.040λ。依据获得的参数对物镜进行了装调实验,结果表明,激光干涉仪测得的物镜各视场波像差RMS值介于0.050~0.082λ之间,基本达到了衍射极限的分辨率要求,验证了像质补偿方法的有效性。     

稳态大视场偏振干涉成像光谱仪中视场补偿型Savart偏光镜透射率研究

论述了基于视场补偿型Savart偏光镜的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的分光机理.依据电磁场边值条件,分析了光在视场补偿型Savart偏光镜中各晶体分界面上的透射情况,得出了透射率的理论计算公式.采用计算机模拟,分析了在半波片为不同材料时,透射率随入射波长、视场角及半波片厚度的变化关系.研究表明,视场补偿型Savart偏光镜具有大视场、高通量、高探测灵敏度的显著特点.此研究可为新型干涉成像光谱技术的研究和新型偏振干涉成像光谱仪的设计、研制提供重要的理论指导. 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 视场补偿型Savart偏光镜 透射率 电磁场边值条件     

基于线性调频Z变换的差分吸收光谱数据处理方法研究

差分吸收光谱法(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)是一种常用的污染气体监测方法,对所监测的光谱数据去噪可以提高反演精度。可采用傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)滤波法滤除光谱数据中的噪声,但该算法本身会引入误差。提出一种线性调频Z变换法(chirp Z transform,CZT),通过对傅里叶变换之后的频谱进行局部细化,能够在保留傅里叶变换滤波法去噪效果的基础上,对算法的误差进行补偿,从而进一步提高反演精度。实验配置了SO₂及NO₂进行浓度反演,结果表明,直接采用相除法反演浓度时误差较大且很不稳定,线性调频Z变换法能够获得比傅里叶变换滤波法更高的反演精度。模拟了SO₂和NO₂混合气体实验,频谱分析结果表明FFT算法无法解决特征吸收结构被扭曲、削弱等问题,CZT算法能完成特定频段频谱的精细化重构。     

利用2DCOS进行多组分混合气体傅里叶变换红外光谱分析中同分异构体谱峰的辨别

在利用傅里叶变换红外光谱进行混合气体定量分析中,针对烃类尤其是同分异构体等构成的混合气体其谱图特征相似、吸收峰严重交叠,不易进行特征吸收成分的判别和特征变量选择的问题,为增强谱峰分辨力,采用广义二维相关光谱和傅里叶变化红外光谱对烃类混合气体分析中同分异构体进行辨别,以异丁烷和正丁烷的红外光谱及受浓度扰动组成的光谱组为例进行二维相关红外光谱分析。通过观察全波段和主吸收峰波段单组分气体的傅里叶变换红外光谱,可知其谱图相似,吸收峰严重交叠,如果混合在一起,将基本无法辨别何种分子结构及成分。通过广义二维相关光谱的变换,其二维相关光谱的同步谱和异步谱可以清晰地辨别出异丁烷和正丁烷的特征吸收峰及其各自强度,实验结果可知,异丁烷在2 893,2 954和2 977 cm-1,正丁烷在2 895和2 965 cm-1具有强的吸收特征谱线。分析结果初步验证了二维红外相关光谱在多组分混合气体傅里叶变换红外光谱定量分析中谱分辨率增强方面的应用。     

基于矩孔光学傅里叶变换的匹配滤波器缩放比例标定方法研究

为了使待识别目标的傅里叶变换频谱与匹配滤波器频谱分布严格重合,提出了一种基于矩孔图像光学傅里叶变换的匹配滤波器缩放比例标定方法。针对范德卢格特型光学相关器,在分析场景空间光调制器傅里叶变换频谱分布的基础上,以矩孔图像的频谱间距作为基准标定匹配滤波器的缩放比例;并利用焦距为400mm的傅里叶透镜作为一个实例,计算出其匹配滤波器缩放比例为1.068,对标定结果进行了实验验证。结果表明,此方法适用于范德卢格特型光学相关器中匹配滤波器的缩放比例标定,能够有效提高相关峰的能量和信噪比。     

基于傅里叶功率谱的感光材料分辨率的客观测定

提出傅里叶功率谱法评价分辨率标板限分辨率值的理论判据。这是一种用光学信息处理原理对标板图案傅里叶谱进行分析处理的客观评价方法。文中建立了与分辨率标板图案相适应的傅里叶谱数学模型,并通过对傅里叶谱和理论计算和分析找也了标板图案分辨率值与功率谱图各次极大之间的关系。     

A radial propagator for axisymmetric pressure fields

The concept of a propagator is central to the angular spectrum formulation of diffraction theory, which expresses the pressure field diffracted by a two-dimensional aperture as a superposition of a continuum of plane waves. In the conventional form, an exponential term, known as a propagator, is multiplied by the wavenumber spectrum obtained from a two-dimensional spatial Fourier transform of the aperture boundary condition, to obtain the wavenumber spectrum in a plane parallel to the boundary, offset by some distance specified in the propagator. By repeated use of this propagator and Fourier inversion, it is possible to completely construct the homogeneous part of the pressure field in the positive half-space beyond the planar boundary containing the aperture. Drawing upon preceding work relating the boundary condition to the axial pressure [Pees, J. Acoust. Soc. Am. 127(3), 1381-1390 (2010)], it is shown in this article that when the aperture is axially symmetric, an alternative type of propagator can be derived that propagates an axial wavenumber spectrum away from the axis of the aperture. Use of this radial propagator can be computationally advantageous since it allows for field construction using one-dimensional Fourier transforms instead of Hankel transforms or two-dimensional Fourier transforms.     

双强度调制偏振光谱测量原理及仿真

针对单强度调制偏振光谱测量技术存在混叠且有效光程差有限的缺点,提出双强度调制偏振光谱测量新方法,该方法通过双强度调制干涉信号的和差处理,即保证单强度调制偏振光谱测量的优点,又能有效消除混叠现象,提高有效光程差和光谱分辨率,再对和差处理后的干涉信号进行傅里叶变换即可得到被测偏振光谱。文章对双强度调制偏振光谱测量方法进行了理论推导,并通过MATLAB对模拟入射光偏振光谱的干涉信号和傅里叶反演光谱进行仿真;仿真结果显示,该方法和差处理后可有效消除混叠且有效光程差提高一倍。通过理论分析和仿真验证了该方法的可行性,为进一步的工程实现提供理论支撑。     

基于双边倾斜傅里叶干涉具的激光光谱探测技术研究

为了在不改变静态傅里叶干涉具尺寸的基础上提高光谱分辨率,设计了双边倾斜傅里叶干涉具及等光程条纹展宽的方法。通过计算分析双边倾斜傅里叶干涉具空间产生光程差与传统干涉具光程差的关系,得到在整个干涉具尺寸不变的条件下,光谱分辨率提高到9.1 cm-1,比同尺寸静态傅里叶干涉具提高了近8倍,并且不会因干涉条纹混叠而造成无法采集。采用BK7材料加工制成双边倾斜傅里叶干涉具,用6种不同波长的激光照射分析干涉条纹,实验结果显示干涉条纹会因反射位置增大而导致探测波长较长的激光时中心波长偏大,根据其满足线性变化的规律,拟合可知每1nm的激光波长变化造成0.021 1 nm的增大误差,经过标定后平均误差与传统干涉具接近,同时可以有效地提高静态干涉系统的光谱分辨率。     

ns脉冲测量中的波形重建

为修正高电压测量探头寄生参数对测量ns脉冲波形的影响,对探头的数字补偿方法进行了研究。利用对低电压标定所得标准参考信号和探头信号做傅里叶变换,得到其各自的频谱密度,然后通过相除,得到探头灵敏度与频率的关系和信号相位与频率的关系。在实测时,再对测得信号做傅里叶变换,将得到的频谱密度乘以探头灵敏度及信号相位对频率的函数,通过傅里叶逆变换重建出待测信号。通过不同信号进行波形重建实验证明,此方法能够在短时间内很好地修正高电压测量探头寄生参数对ns脉冲波形的畸变。     

A method to correct optical fiber's spectrum attenuation based on Fourier transform in spectra-measuring systems

A method based on Fourier transform to revise the non-linear spectrum attenuation of optical fiber used as a probe in a spectrum-measuring system is proposed in this paper. Spectral curves of a normal light source are measured by a spectrum-measuring system with and without the optical fiber probe, respectively. The generalized frequency spectrum (GFS) of these spectral curves can be calculated based on Fourier transform. From them, an optical fiber spectrum correction function can be obtained and the non-linear spectrum attenuation of optical fiber can be revised with the SCF. The experiment results show that the method has the accuracy of 1% and it is more accurate than the Ratio Method (RM) and the Weighted Ratio Method (WRM).     

干涉测量系统中杂散条纹影响的抑制

 为了抑制杂散条纹的影响，提出了一种简单实用的单幅三表面干涉条纹傅里叶分析法，它根据三表面干涉时各个表面干涉的条纹调制度不同，从三表面干涉图的频谱中提取测试面的频谱，从而准确地恢复测试面的面形。模拟结果证明了该方法的有效性，准确度可以达到l/1 000。实验表明：单幅三表面干涉条纹傅里叶分析法得到的面形形状与波长调谐时域傅里叶变化法和涂消光漆法得到的结果基本一致，PV值和RMS值与波长调谐时域傅里叶变化法相差分别为0.001l和0.004l，与涂消光漆法相差分别为0.042l和0.019l。通过7次单幅三表面干涉条纹傅里叶分析法测量，得到PV和RMS值的重复性分别为0.007 8l和0.002 6l。