近紫外到近红外光谱辐射计及定标方法研究

为实现目标光谱辐射亮度的高精度测量，研制了一种小视场近紫外到近红外光谱辐射计，光谱范围为300 nm~2 000 nm，光谱辐射亮度测量范围为50μW/cm2·nm·sr~1 000μW/cm2·nm·sr。阐述了近紫外到近红外光谱辐射计设计原理及关键部件，使用基于钨带灯的直接定标法实现了光谱辐射计光谱辐射亮度绝对定标，测量了标准积分球光源的光谱辐射亮度，测量值与积分球光源标准值偏差优于0.5%。     

基于探测器标准的高精度光谱辐射标准光源

本文在评述低温绝对辐射计和SIRCUS发展的基础上,讨论了基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源的工作原理、发展与应用前景。在探测器型光谱辐射标准研究方面,工作在液氦温度的低温绝对辐射计不确定度达0.01%。美国国家标准与技术研究院(NIST)建立的均匀光源光谱辐照度和光谱辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)采用一系列激光器,由低温绝对辐射计传递的硅陷阱探测器定标,不确定度已达到0.1%,成功应用于空间遥感仪器高精度辐射定标。分析认为,发展中的基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源,定标精度高,自行校正老化、衰减,保证了定标精度长期稳定。     

高光谱地基CO_2太阳辐射计的定标

介绍了一种用于大气CO2太阳吸收光谱地基观测的高光谱太阳辐射计,包括仪器的设计结果及相对光谱辐射亮度的测量原理。以可调谐红外激光器加积分球作为定标光源,详细介绍了波长、仪器线型函数的定标过程和方法。定标结果表明,在仪器有效工作波段(1560~1575nm)内,光谱分辨能力为0.097nm,杂散光水平在0.5%左右。定性比较了仪器的大气CO2太阳吸收光谱测量结果与LBLRTN软件的理论计算结果,两者在吸收峰的强度、位置、形状等方面都具有较好的吻合度。     

系统级定标方法实现基于低温辐射计的标准灯400～900nm波段光谱辐照度

为提高光辐射工作标准精度和满足遥感器高精度辐射定标需要,开展了以低温辐射计为初级标准,滤光片辐射计为传递标准的标准灯光谱辐照度实现研究。通过滤光片辐射计响应的系统级定标、辐照度标准灯物理模型和递归迭代优化算法,由滤光片带宽下的积分响应得到辐照度标准灯的连续光谱分布。系统级的定标方法避免了滤光片透射率、几何因子测量和使用与标定状态不一致引入的不确定度。初步结果表明,该方法实现的400～900 nm波段标准灯光谱辐照度与基于国际温标(ITS-90)高温黑体标定的结果相对差别在后者的不确定度范围之内。在国内尝试实现了基于低温辐射计的标准灯光谱辐照度标准传递,对提高光辐射计量、辐射测温以及遥感器特别是高光谱遥感器辐射定标精度有重要意义。     

基于日盲型滤光片辐射计的232～400 nm波段辐射标准传递研究

传统滤光片辐射计在测量紫外(UV)波段时带外泄漏影响严重。将日盲型光电管作为UV滤光片辐射计的探测单元,采用搭建的比对测量装置对日盲型UV滤光片辐射计各通道进行系统级相对光谱辐射功率响应度测量,再利用溯源至中国计量科学研究院(NIM)的光谱辐射照度标准灯对UV滤光片辐射计进行绝对光谱辐射照度响应度定标。采用单色仪系统完成UV滤光片辐射计与溯源至美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准探测器的对比,两者结果最大相差2.09%,验证了辐射标准传递的准确性。最后,通过立体角构建,将232～400 nm辐射标准传递到了大口径大动态范围UV积分球辐射源中。     

新一代高温黑体和同步辐射装置及其在地外太阳光谱辐照度测量中的应用

在地外太阳光谱辐照度测量和大气定量遥感等项研究的推动下,近二、三十年,国际上光谱辐射计量技术发展十分迅速。基于先进的高温技术、优异的高温热解石墨材料和独特的设计,全俄光学物理测量研究所(VNIIOFI)研制出温度高达3 200～3 500 K、具有高均匀性和高稳定性的大面积普朗克高温黑体光源。基于低温绝对辐射计的滤光片辐射计迭代测温技术,使高温黑体温度测量不确定度小于0.5 K。在德国物理技术研究院(PTB),将这种高温黑体直接用于国际空间站地外太阳光谱测试仪器(SOLSPEC)的辐射定标,定标综合不确定度小于0.5%～1%。2008年德国物理技术研究院(PTB)建成名为计量光源(MLS)的新一代专用同步辐射存储环并投入使用。为调节同步辐射的光谱分布,稳态下其能量可设置为105～630 MeV任意值,相应特征波长随之从735 nm改变至3.4 nm。为在不改变光谱分布情况下改变光强,电子束流可调节 11个量级,即从 1个存储电子(相当于1 pA)到200 mA。美国国家标准技术研究院(NIST)在同步辐射紫外辐射装置(SURF Ⅲ)3号光束线上建立了使用同步辐射的光谱辐照度定标装置(FICUS),为紫外传递标准光源定标,光谱范围200～400 nm,相对测量不确定度1.2% (k=2)。新一代同步辐射装置为地外太阳光谱辐照度测量仪器,如SUSIM,SOLSTICE,SBUV,SIM和SOLSPEC等,短波段高精度辐射定标奠定了技术基础。该文描述新型高温黑体和同步辐射装置的建立与发展,光谱辐照度和光谱辐亮度标准的传递及国际比对并评述它们在太阳光谱辐照度测量中的应用。     

一种2～14μm红外光谱辐射计的辐射定标方法

提出了一种分区多点标定的辐射定标方法。定标原理如下:将测量目标的温度区间分为n个子区间,测量并记录目标温度区间内n+1个不同温度黑体对应的红外光谱辐射计输出数据,并分别计算各个子区间的定标系数;进行红外光谱辐射测量时,比对红外光谱辐射计输出数据和记录数据,确定待测目标所属温度子区间;使用对应子区间的定标系数进行辐射定标,以提高测量精度。使用该方法对研制的渐变滤光片型红外光谱辐射计进行辐射定标,并根据定标结果反演测量黑体的等效亮温温差。实验结果表明,该方法的辐射定标精度优于1.5 K,可应用于红外光谱辐射计的辐射定标。     

基于超窄带激光器扫描技术的气体检测研究

基于气体的差分吸收检测原理和超窄带半导体激光器的光谱扫描技术,设计了一种高精度分布式二氧化碳气体检测网络.系统采用超窄带可调谐半导体激光器作为光源,设计了新型气室结构,通过方波信号对光源光谱进行调制,消除了其他气体成分和灰尘颗粒的干扰,并结合空分复用技术,实现了二氧化碳的实时分布式检测.利用超窄带光谱扫描技术测得了不同...     

两种紫外-真空紫外光谱辐射标准的比对

研究了紫外 真空紫外波段壁稳氩弧光谱辐射标准光源及基于同步辐射标准的传递标准光源———氘灯的光谱辐射特性 ,建立了高精度光谱辐射计量系统 ,在 16 5～ 30 0nm之间 ,将两种类型光谱辐射标准进行比对 ,相对光谱分布的一致性好于± 5 %。     

圆形渐变滤光片光谱辐射计辐射定标

基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究,以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间,采集目标温度区间内多个不同温度黑体对应的测量光谱,并计算各个温度下的响应度函数。在进行红外光谱测量时,将目标光谱与区间内记录的不同温度点光谱进行比对,从而确定待测目标所属温度子区间的上下限。根据子区间计算的响应度函数,通过线性插值求得待测目标的响应度函数并进行辐射定标。基于该方法的实验结果表明,待测目标理论辐亮度与使用分区线性法进行辐射定标得到的辐亮度在波长范围内的平均偏差小于1%。通过定标结果反演测量黑体的等效温度,等效温度误差小于2%。     

星载成像光谱仪杂散光测量

星载成像光谱仪用于获得高准确度的光谱遥感数据,而杂散光是影响其光谱测量准确度的重要因素之一.介绍了此类成像光谱仪杂散光的定义、来源和危害,在比较截止滤光片法、光谱法、谱杂散光系数法等光谱仪器常用杂散光测量方法优缺点的基础上,论述了使用杂散光影响因子描述光谱仪杂散光的可行性和优越性.最后,介绍了使用窄带滤光片测量星载成像光谱仪杂散光影响因子的测量系统组成、测量步骤和测量结果,并分析了测量方法的不确定度.结果表明：杂散光影响因子能有效描述光谱仪的杂散光特性,测量结果与光源、探测器等测量条件无关;窄带滤光片法测量不确定度为0.646%（置信概率约为95%）,能满足星载成像光谱仪杂散光测量的工程需要.     

发光二极管光谱测量中的杂散光与带宽校正

光谱仪的杂散光和带宽是LED光谱测量中比较重要的两个误差影响因素,为了得到更精确的测量结果,必须对杂散光和带宽影响进行校正.用He-Ne激光测出光谱仪的线扩展函数,在假设光谱仪是线性波长不变系统的前提下,构建杂散光分布函数矩阵,转化为杂散光校正矩阵,从而对所测信号进行杂散光校正;在三个波段内分别由光谱仪带宽函数计算带宽校正系数,将被测波长点及其邻近带宽波长点上的测量结果进行加权平均,从而得到带宽校正结果.将两种校正方法应用在一台多通道快速光谱仪上,测量各种颜色的LED,实验结果表明能有效地校正杂散光和带宽影响,色品坐标最大校正了(-0.003,0.007).且该方法降低了应用成本,在保证精度的情况下简化了计算量,使得校正更易于实施.     

星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外-真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160~250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250~400 nm为4.3%;250~400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。     

光谱仪测量窄带宽光源光谱分布的七点修正法

针对光谱仪在测量窄带宽光源的光谱分布时出现的光谱变形现象,提出了一种带宽修正方法—七点修正方法。首先,利用泰勒级数和相关的导数公式,得到了七点修正公式的数学解析式;其次,用光谱线型为正弦函数的模拟光谱对七点修正法进行验证,采用正弦函数来模拟真实光谱,通过光谱仪的带宽函数计算出测量值,然后应用七点修正公式,对测量值进行修正;最后利用中心波长为365 nm的LED光源对七点修正法进行了实验验证,用双光栅单色仪来测量LED光源的光谱辐射照度,光谱仪带宽分别选为5与0.5 nm,将七点修正公式应用于测量值,得到修正值。模拟结果表明： 在选定的模拟条件下,修正后得到的中心波长处的峰值可以达到真实值的99%以上;实验结果表明： 修正后中心波长处的峰值可以达到真实值的95%以上。由模拟结果和实验结果可知,七点修正法与三点修正法和五点修正法相比,修正效果有明显提升,这种带宽修正方法可以广泛应用在光谱测量领域。     

星载超光谱成像仪杂散光及其测量

超光谱成像仪比一般光谱仪器具有更多的光谱通道和更高的光谱分辨率,而杂散光是影响超光谱成像仪光谱测节精度的重要因素之一,当前光谱仪器的杂散光测量方法尚不能满足超光谱成像仪杂散光检测的需要.作者探讨了此类成像光谱仪杂散光的定义、来源和危害,论述了使用杂散光影响因子di,j描述光谱仪杂散光的可行性和优越性,并给出了杂散光受扰系数fi(λ)和杂散光干扰系数Fi(λ)的定义、物理意义和工程应用价值.最后,介绍了使用窄带滤光片测量星载超光谱成像仪杂散光的测量系统组成、测量步骤和测量结果.结果表明:杂散光影响因子di,j能正确表示光谱仪的杂散光特性,与光源、滤光片、探测器等测量条件无关,而测量效率比谱杂散光系数法至少提高1倍,满足星载超光谱成像仪杂散光测量的工程需要.     

原子吸收自吸背景校正中杂散光的研究Ⅰ——杂散光的性质及其对背景校正性能的影响

在自吸背景校正中不被样品基体吸收的杂散光有不同于氘灯和塞曼背景校正的特殊性。用截止溶液法检验了杂散光的存在,并用重铬酸钾溶液分子吸收模拟背景吸收的方法研究了杂散光的影响。源于空心阴极灯光源的杂散光在样品束(常规脉冲低电流)和参比束(窄脉冲高电流)中的比率有很大的差异,前者比后者更高。这种差异是自吸背景校正误差的重要来源,在高背景校正时引起的误差不容忽视。文章还对杂散光比率与灯电流、光能量和光谱带宽等方面的关系进行了研究。结果表明,杂散光比率与灯电流大小有很大关系,灯电流大,杂散光比率小,但杂散光比率随灯电流的变化与被检测的分析线能量无直接关系;杂散光比率随着光谱带宽的减小而降低,其性质类同于连续光谱。     

视场角和定位误差在光谱辐射亮度测量中的影响

为了减小不同光谱辐射计间瞄准区域差异带来的光谱辐射亮度不一致性,讨论了视场角及定位对于测量准确性的影响。通过建立太阳光白板和卤钨灯白板系统光路下的光谱辐射亮度测量模型,分析了不同几何光路视场区域平均辐射亮度与中心辐射亮度的差异。数值模拟表明,太阳光白板光路修正因子仅与视场角大小有关;卤钨灯白板光路修正因子随测量距离增大而减小,距离600 mm时8°和14°视场角的修正因子分别变为0.993 5和0.980 2。最后,实验验证了卤钨灯白板系统下角度误差和位移误差对光谱辐射亮度的影响。结果表明,修正因子对水平方向的角度误差和位移误差呈现非对称性,两侧差异高达2%。因此,依据视场角和几何定位可以对测量结果进行数据修正,有助于提升光谱辐射亮度测量不确定度水平。     

车载光电系统电视摄像机光学系统设计及杂散光分析

设计了一款双视场电视摄像机,小视场用于对目标的跟踪,大视场用于捕获和观察目标,两视场光学系统的传递函数MTF在50 lp/mm频率处均大于0.6,点列斑直径均小于像元尺寸5.5 μm,畸变均小于0.1%。两视场共用一个面阵CCD成像器件,通过分光棱镜分光。由于在该光学系统中分光棱镜表面反射会产生杂散光,形成鬼像。因此,利用LightTools软件对系统进行了杂散光的仿真分析。分析结果表明:大视场的半视场角在5.7°～7.6°之间和小视场的半视场角在2.6°～3.5°之间的入射光线被分光棱镜下表面反射后,以及小视场的半视场角在-2.7°～-3.5°之间的入射光线被分光棱镜后表面反射后, 变成杂散光,聚焦到像面, 形成鬼像,采用在分光棱镜后方设置消杂光光栏的方法来抑制杂散光。验证结果表明,仿真分析准确,提出的消杂光措施有效。     

侧面遮拦式日晕光度计的杂散光理论分析

提出了一种侧面遮拦结构的日晕光度计,在镜筒内通过设置多层挡板结构逐层抑制处于内视场的挡板边缘衍射光,同时采用倾斜布置的上挡板结构抑制处于外视场的入射窗口边缘衍射光和侧壁散射光.建立数学模型对这些杂散光抑制挡板进行了仿真计算,结果表明,优化各挡板的几何参数后,日晕光度计的设计视场可达3.5～10个太阳半径,视场内的杂散光水平均可低于10-8平均太阳亮度.相对于高山天文台的日晕光度计在4～8个太阳半径的视场内总杂散光达到10-2平均太阳亮度,该日晕光度计扩展了可观测视场,并使杂散光抑制提高了一个量级.     

激光感生双光栅中频谱分辨率的研究

研究了用于测量两束光频差的时间延迟激光感生双光栅的频谱分辨率，确定了当泵浦光具有高斯线型时四波混频信号的产生条件，此条件通过在可调谐的窄带激光和宽带激光间的拍频实验得到证实。