基于光谱吸收原则的低成本硫化氢传感器研究

H₂S浓度检测的发展趋势是实时检测,基于光谱吸收原则是其中一个发展方向。用宽带光源替代以往使用的成本较高的窄带光源,降低整个系统的成本,可以提高检测系统的实用性。宽带光源经过Bragg光纤光栅滤波后可以得到窄带光。此方法得到的光波必然会有噪声和波动,然后对其进行滤波,消除一部分系统的噪声和波动,再通过光线分束器分别通入检测光路和参考光路后做差。此差分信号不仅消除了一部分系统噪声和波动,还消除了基波分量,增大了信噪比。用数学分析的方法推导出二次谐波信号,利用SIMILINK仿真观察此信号,不同浓度的H₂S气体会有不同的输出信号,也就得到了气体的浓度。双光路差分法、谐波检测技术和窄带滤波技术综合起来的优势是降低了成本,增加了信噪比,提高了系统的检测能力。实验仿真结果表明,在LED宽带光源基础上采用提取谐波信号的双光路差分方法检测H₂S气体浓度正确可行,此方法降低了系统成本,为大范围实际应用提供了可能性。     

针对水质监测的紫外-可见光谱双光程融合优化算法

紫外-可见光谱法多参数水质在线监测系统面对复杂水体时,常需要频繁改变探头光程以保持光谱较高的信噪比。然而,适合的光程往往需要大量实验才可确定,难以满足在线监测系统对实时性、精度、灵敏度、稳定性等的实际需求。研究了一种紫外-可见光谱双光程融合优化算法,将同时采集的长短两种光程光谱使用了滑窗法估计它们光谱噪声方差分布,确定光谱强噪声区间;由于长短光程光谱的信号强度不同,使用了遗传算法计算得到双光谱融合的最佳增益匹配倍率;最后,按噪声方差分布使用分段加权方式得到较高信噪比的双光程融合光谱。实验结果表明,利用该法对重庆长寿湖水样、嘉陵江某排污口及邻苯二甲酸氢钾标准溶液三种样本进行测试,其融合光谱在200～250 nm区域的强噪声得到抑制,零值干扰左推至220 nm之前,样本的峰值信噪比均有显著提高,证明了算法的有效性和普适性。该算法无需大量实验以获得最佳光程,对于拓宽紫外-可见光谱水质在线监测系统的应用范围具有较为重要的现实意义。     

傅里叶变换光谱仪非线性光程差分析与校正

针对由非线性光程差恢复出的光谱会出现附加频率噪声而导致复原谱线加宽,严重影响光谱质量,为此提出一种仅对特征光源进行一次测量即能完成干涉图非线性光程差校正及波长定标的方法。通过对特征光源的单次测量可获得干涉图,计算干涉图中包含的非线性相位与大致中心频率,并计算相对光程差,进而获得光程差与采样点之间的非线性映射关系,最终通过二次采样实现非线性光程差的校正。以静态双折射傅里叶变换光谱仪为例,首先构建系统的非线性光程差模型,给出非线性光程差的校正方法及其原理,然后采用汞氩灯作为特征光源进行实验验证,通过获取的干涉图提取汞氩灯的特征谱线,分析出不同波长下其对非线性光程差的影响,最后对非线性光程差进行校正和波长定标。实验结果表明,经所提方法校正后,546.074 nm波长处谱线的半峰全宽由未校正的9.08 nm变为4.14 nm,说明所提方法有效提升了光谱仪的分辨率与准确度。     

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CO_2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CO_2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。     

基于不等权重率失真斜率提升的干涉多光谱图像压缩算法

基于空间干涉调制成像光谱仪的成像特点，提出了一种适合于千涉多光谱图像的不等重要性权值率失真斜率提升图像压缩算法．该算法根据退卷积技术对复原光谱信噪比的影响，推导出时域中随着光程差的增大，干涉图像压缩失真对频域中光谱曲线的信噪比影响越大．对各个码块的率失真斜率按空间域中各光程差对恢复光谱信息的贡献重要性不同赋予不同的重要性权值，增大对光谱信息的保护程度，使图像在相同的光谱分辨率下拥有更好的空间分辨率．实验结果表明，该算法比传统算法更好地保护了多光谱图像的光谱信息，在8倍压缩比下，满足该类干涉多光谱图像压缩系统的质量要求．     

转镜式傅里叶变换光谱仪光程差非线性的研究

转镜式傅里叶光谱仪中,转镜的转动形成光程差的非线性。光程差非线性是转镜材料和工作角选择时要考虑的重要因素,通过对它的研究,可以为工程实践提供指导,为进一步研究奠定基础。通过输入单色光时的情况对干涉图进行研究,发现光程差非线性使干涉图的周期发生变化;通过和光程差线性系统的仪器函数比较对复原光谱进行研究,发现非线性给复原光谱带来了噪声和波数漂移。由于光程差的变化是已知的,在光谱复原时,用非线性的光程差代替傅里叶变换中的光程差,就可以对光程差非线性进行补偿。计算机仿真实验的结果表明,这种方法效果明显,经补偿后复原光谱中光程差非线性带来的噪声基本消失。     

推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm-2·μm-1·sr-1以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm-2·μm-1·sr-1即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪（WIS）数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443 μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。     

互谱域MVDR自适应时延估计方法研究

针对窄带信号,通过构造互谱时间序列,在互谱域建立了平稳时间序列时延估计的最小方差无畸变响应(MVDR)滤波器模型;利用分段近似处理,类比空间MVDR自适应算法,给出了其具体算法(Algorithm of MVDR in cross spectral domain,CSMVDR);进行了数值仿真实验研究和海上实验数据处理。数值仿真与实验数据处理结果初步验证了CSMVDR时延估计对于舰船辐射噪声的适用性,CSMVDR时延估计有比相关检测更好的时延估计性能,能够提高信噪比增益和时延估计精度。     

高温窑炉气体红外辐射被动遥测EI北大核心CSCD

基于傅里叶变换红外光谱技术对高温窑炉内气体红外辐射信号进行了遥测研究。根据工业现场条件,利用大气辐射原理建立被动辐射模型,计算了炉膛内高温气体透射率。针对湍流噪声对信噪比的影响,研究了红外干涉信号光谱转换的数据处理方法,以零光程差为基准对齐干涉信号,以实现多次扫描干涉信号的平均,减小了噪声和计算量,并提高了光谱数据率。利用HITRAN数据库和高温参考谱模型法,对谱线线强、线宽修正合成的校准光谱与透射谱进行非线性最小二乘拟合,反演了炉膛内不同吸收波段的高温气体浓度。结果表明该技术在窑炉内及其他工业燃烧过程中对高温气体的在线检测是可行、可靠的。     

光栅型光谱波分复用可见光通信光学天线

针对多光谱通信的需求,设计了一种光栅型光谱波分复用可见光通信光学天线。相比同类多光谱通信光学系统,该光学天线具有信道数多、增益大、效率高等优点。经过理论分析,提出了采用双柱面镜结合反射式光栅的天线结构,在光谱维保持较高的光谱分辨率,增加信道数,提高系统的通信速率;同时缩小光斑空间维的大小,提高系统的增益。仿真分析表明,该光学天线可以同时高效地对8个不同的单光谱信号进行探测接收,视场角高达18°×0.4°,增益为12.6,信噪比高达48.28 d B,天线尺寸为9 cm×12 cm。最后,根据设计仿真制作了原理样机,实验结果显示该光学天线可以清晰地分开多光谱信号并实现探测接收,信号间没有产生串扰,信噪比较高,适用于多光谱波分复用通信系统。     

多面转镜激光器扫频光学相干层析成像系统的全光谱重采样方法

在多面转镜激光器扫频光学相干层析成像系统中,激光器存在着输出光谱错位与扫频范围波动的问题.目前的重采样方法中,普遍利用互相关运算校正光谱错位,并进行大范围的截取,保证扫频范围的一致性,但这会导致成像信噪比与分辨率的降低.本文用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)采集到的干涉信号对扫频范围波动的问题进行了详细的测量与分析,其中干涉信号的解缠相位曲线的非随机性和平行性,表明该类激光器输出光谱的波长分布具备一致性.在此基础上,提出了一种用最长扫频范围的MZI干涉信号,对样品干涉信号进行时域光谱对齐、然后进行一对多插值的重采样方法.实验与分析表明,该方法利用了所有的光谱信号,保证了样品干涉信号的能量利用率,能有效提高图像的信噪比与分辨率.     

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。     

色关联噪声驱动下双模激光随机共振

运用线性近似方法,计算得到了关联色噪声和输入周期信号作用下双模激光增益模型输出信号光强的功率密度谱和信噪比,讨论了信噪比随系统参数的变化关系.研究结果发现:在系统的参数和输入信号的频率满足一定条件时,信噪比不仅随噪声强度变化出现了传统的随机共振现象,还发现其随自饱和系数c2、输入信号频率°及交叉耦合参数b的变化都出现了随机共振.     

Influence of the net gain on characteristic of stochastic resonance in a single-mode laser system

The phenomenon of stochastic resonance (SR) is found in a single-mode laser system driven by the colored pump noise with signal modulation and the quantum noise with cross-correlation between the real and imaginary parts. When the net gain a0 changes, it is found that, 1) the shape of the curve of the signal-tonoise ratio (SNR) versus the pump noise self-correlation time T exhibits a changing process of multiform SR, from single-peak SR to simultaneous existence of resonances and suppressions; 2) the curve of SNR versus signal frequency Ω experiences a complicated changing process from the monotonous descending to the simultaneous appearances of a maximum and a minimum, and finally to monotonous descending; 3)the curve of SNR versus cross-correlation coefficient between the real and imaginary parts of the quantum noise λq appears an acute single-peak SR. Therefore, the net gain a0 greatly influences the characteristic of SR of laser system.     

扩频原理在聚合物光纤性能测量中的应用

提出了一种将扩频通信原理用于聚合物光纤性能测量的新方法,使用伪随机序列对注入测量系统的光信号进行调制,实现输入光信号的扩展频带,输出光信号经光电转换后,用伪随机序列对信号进行解扩处理,根据扩频原理,解扩后的信号的信噪比会有较大提高.对测量系统的性能进行了仿真分析并与实验结果进行了比较,结果表明该方法可以精确地测量信噪比低于-20 dB的有用信号波形.     

Sagnac/Mach-Zehnder分布式光纤传感系统探测及定位理论分析

利用3×3耦合器解调算法实现对光纤沿线破坏行为的探测及预警.在确定破坏行为发生的基础上,通过将光源切换为窄带光源,使Mach-Zehnder干涉系统工作.利用互相关方法实现对破坏行为的精确定位.详细介绍并分析了该方法的系统光路和探测定位原理.     

大孔径静态干涉成像光谱仪的信噪比分析

根据大孔径静态干涉成像光谱仪的原理和特点，分析了光辐射能在光学系统内的传输情况，对探测器上接收到的光辐射能信号和噪音信号做了详细的推导，得到了仪器理论信噪比的表达式.在实验上以大口径积分球为辐射源，采集仪器输出的干涉图像，计算得到仪器的实际信噪比曲线，对大孔径静态干涉成像光谱仪的理论信噪比曲线与实际的信噪比曲线做分析比较，结果验证了用推导的论信噪比的表达式来预估仪器信噪比的可行性.     

基于自适应随机共振理论的太赫兹雷达信号检测方法

太赫兹雷达系统在差频信号频谱分析过程中,干扰噪声影响其测距能力.针对上述问题,提出基于自适应随机共振理论的太赫兹雷达信号检测方法,通过对含噪差频信号进行二次采样,利用自适应随机共振系统提取信号,进行尺度恢复完成测距计算.实验数据显示,不同测量距离时,相较于快速傅里叶变换法,输出信噪比的平均增益为9.684 d B,其中测量距离为1000 mm处,差频信号初始频谱值提高了64.1倍,系统信噪比增益为11.761 d B;相较于滤波法,在测量距离为1000 mm处信噪比增益最大,提高了70.56%;输入噪声强度为1—5 V之间时,输出信噪比曲线的曲率相对于滤波法降低了86.5%,其中噪声强度为5 V时信噪比增益最大,为14.018 d B.实验表明太赫兹雷达系统的测距能力大幅提高.     

Stochastic resonance in single-mode semiconductor lasers

Owing to the considerable virtues of semiconductor lasers for applications, they have become the main optical source for fiber communication systems recently. The behavior of stochastic resonance (SR) in direct-modulated semiconductor laser systems is investigated in this article. Considering the carrier and photon noises and the cross-correlation between the two noises, the power spectrum of the photon density and the signal-to-noise ratio (SNR) of the modulated laser system were calculated using the linear approximation method. We found that the SR always appears in the dependence of the SNR upon the bias current density, and is strongly affected by the cross-correlation coefficient of the carrier and photon noises, the frequency of modulation signal and the photon lifetime in the laser cavity. Hence, it is promising to use the SR mechanism to enhance the SNR of direct-modulated semiconductor laser systems and improve the quality of optical communication.     

毫米级高分辨率的混沌激光分布式光纤测温技术

近年来,随着分布式光纤传感技术在各大基础设施健康监测领域的广泛应用,人们对能够实现毫米量级精准定位和监测技术的需求日益增长.本文提出了一种基于宽线宽混沌激光的高分辨率分布式光纤测温技术.实验通过改变光反馈混沌源的偏振匹配态和反馈强度等外部参数,产生了–3 dB线宽约为7.5 GHz的宽线宽混沌激光,并在300 m传感光纤实现了空间分辨率为7.05 mm的分布式温度测量.同时,为了抑制光源线宽增加造成的布里渊增益谱恶化,在泵浦路中引入了时间门控技术,其中经脉冲调制后的泵浦光峰值功率提高了约9.5 dB,同时脉冲调制使混沌互相关锁定于脉冲持续时间内,从而布里渊增益谱的信号背景噪声比由约2.28 dB提升为4.55 dB,最终实现了空间分辨率为3.12 mm的分布式温度测量.