FTIR单边干涉图相位校正技术的研究与改进

基于傅里叶变换红外光谱仪干涉图的单边过零采样和非对称性,对相位校正技术进行研究和改进。针对Mertz乘积法对切趾函数的匹配性要求高,干涉图非对称切趾旁瓣抑制效果差、光谱分辨率低的缺点,综合Mertz法和Forman法的特点提出一种改进的相位校正方法。采用对称化方法将单边干涉图变换为双边干涉图、对称切趾、傅里叶变换重建功率谱,并采用对称化的双边干涉图傅里叶变换求取高分辨率的相位谱,提高相位校正的精度。通过仿真分析了非对称窗函数较对称窗函数有比较宽的主瓣宽度、高的旁瓣幅值,分辨率降低;实验验证该改进的相位校正方法功率谱误差小、计算量少,且光谱分辨率比较高,达到2cm-1。     

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1 572 nm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。     

紫外傅里叶变换光谱仪干涉图数据处理

阐述了干涉图数据处理方法 ,采用紫外傅里叶变换光谱仪实验测量了汞灯光谱干涉图。使用四阶Blackman Harris窗函数作为切趾函数 ,采用最小二乘法拟和多项式对光源傅里叶变换光谱进行相位校正 ,获得了高精度的Hg紫外发射光谱     

一种提高静态傅里叶干涉仪光谱分辨率的方法

为了在不改变静态傅里叶变换干涉具尺寸的前提下提高光谱分辨率,设计了正交斜楔型静态傅里叶变换干涉具,采用两个正交的等效斜楔形成连续的光程差变化.通过推导传统干涉具与正交斜楔型干涉具的光程差函数,设计了采用正交斜楔型干涉具增加有效探测长度,从而提高光谱分辨率的方法.经仿真计算,正交斜楔型干涉具的最大光程差为0.323 4 mm,比传统干涉具的0.080 8 mm大4倍左右,即光谱分辨率提高了4倍.实验证明,由于正交斜楔的探测原理使干涉具边缘的干涉条纹产生畸变,故要对干涉条纹进行边缘切除及滤波,给出了切除大小的计算公式.采用WQF520型光谱仪进行对比实验,检测800 nm的激光,该干涉具误差小于1 nm.该方法可有效地提高静态傅里叶变换干涉具的光谱分辨率.     

一种提高静态傅里叶干涉仪光谱分辨率的方法

为了在不改变静态傅里叶变换干涉具尺寸的前提下提高光谱分辨率,设计了正交斜楔型静态傅里叶变换干涉具,采用两个正交的等效斜楔形成连续的光程差变化.通过推导传统干涉具与正交斜楔型干涉具的光程差函数,设计了采用正交斜楔型干涉具增加有效探测长度,从而提高光谱分辨率的方法.经仿真计算,正交斜楔型干涉具的最大光程差为0.323 4 mm,比传统干涉具的0.080 8 mm大4倍左右,即光谱分辨率提高了4倍.实验证明,由于正交斜楔的探测原理使干涉具边缘的干涉条纹产生畸变,故要对干涉条纹进行边缘切除及滤波,给出了切除大小的计算公式.采用WQF520型光谱仪进行对比实验,检测800 nm的激光,该干涉具误差小于1 nm.该方法可有效地提高静态傅里叶变换干涉具的光谱分辨率.     

复杂脉冲单发频域干涉测量

以傅里叶变换极限脉冲作参考脉冲,利用单次测量分析法对复杂的皮秒脉冲进行测量,用窗口傅里叶变换代替傅里叶变换对干涉条纹进行时间-频率分析,直接提取出复杂脉冲的啁啾特性或光谱成分,将光谱图中的功率密度S(ω,t)沿ω轴求和重建脉冲的时域包络.分别用该方法和传统频域干涉测量法测量一个线性啁啾脉冲和一个复杂脉冲.结果表明,该方法可实现复杂整形脉冲的实时测量,且时间分辨率为70 fs.     

复杂脉冲单发频域干涉测量（英文）

以傅里叶变换极限脉冲作参考脉冲,利用单次测量分析法对复杂的皮秒脉冲进行测量,用窗口傅里叶变换代替傅里叶变换对干涉条纹进行时间-频率分析,直接提取出复杂脉冲的啁啾特性或光谱成分,将光谱图中的功率密度S(ω,t)沿ω轴求和重建脉冲的时域包络.分别用该方法和传统频域干涉测量法测量一个线性啁啾脉冲和一个复杂脉冲.结果表明,该方法可实现复杂整形脉冲的实时测量,且时间分辨率为70fs.     

光纤傅里叶变换光谱仪干涉图的对称化处理

偏离中心条纹的抽样以及光纤干涉仪的缺陷引起光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)输出的干涉图不对称,导致由傅里叶余弦变换计算得到的光谱带有相位误差,影响光谱的线型。文章首次将卷积方法应用到光纤傅里叶变换光谱仪中干涉图的对称化处理,利用干涉图的中心部分计算出相位误差,通过傅里叶变换得到了对称化处理函数,用卷积运算在时域完成了光谱的相位误差校正。实验研究表明,在FFTS中该方法能在时域有效地实现干涉图对称化,校正了光谱的相位误差。该方法不仅克服了双边干涉图的缺点,而且校正的结果有较高的准确度。     

多普勒差分干涉光谱仪大气风速反演过程中窗函数优化

多普勒差分干涉光谱仪是傅里叶变换型光谱仪,在大气风速反演过程中,偶延拓的反演光谱无法直接解出目标谱线的相位,而且在实际测量中反演光谱中含有的杂散光谱线、噪声等,使得复干涉图相位发生变化,最终导致反演风速值的偏差。所以,在对实际噪声环境下测得数据的处理过程中,获取反演光谱相位信息时需要对目标谱线进行提取。针对不同信噪比的干涉图,利用蒙特卡罗方法对不同线宽的不同窗函数的优化反演结果进行分析。结果表明:对于信噪比高于26.5dB的干涉图,线宽为4~5倍光谱分辨率的高斯窗函数是最优的窗函数优化方式;对于信噪比低于26.5dB的干涉图,线宽为7~12倍光谱分辨率的矩形窗函数的反演风速值更精确,是最优的窗函数优化方式,可以复原相位信息,反演出大气风速的近似值。     

大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。     

基于Nuttall窗三谱线插值的激光多普勒信号处理方法研究

快速傅里叶变换(FFT)是主要的激光多普勒测速系统信号处理方法,由于受到频谱泄露和栅栏效应的影响,其处理精度并不理想。基于Nuttall窗三谱线插值法的激光多普勒信号处理方法就是一种好的处理方法,它可以有效地抑制频谱泄漏和栅栏效应,改善信号分析精度,提高速度测量精度。由于Nuttall四项余弦窗的能量集中在主瓣,旁瓣非常小,因此加Nuttall四项余弦窗的FFT三谱线插值算法能够极大地减小频谱泄漏的影响,谱间干扰也很小,能很好地减小频谱泄漏和栅栏效应。     

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。     

Factors Analysis for CO2 Retrieval from the Ground-Based Hyperspectral Measurements in the Short Wave InfraredSCIEI北大核心CSCD

Ground-based CO2 inversion accuracy determines the understanding of CO2 source and sink. However the study about factors affecting ground-based CO2 inversion. In order to improve CO2 inversion accuracy, the effects from aerosol, spectral shift, spectral band selection, spectrometer response function type, half width and truncation error have been analyzed by using radiative transfer model. The results show that: (1) the multiple scattering of aerosol can be ignored when instrument field of view is less than 1.5 degrees and aerosol optical depth is less than 0.5. (2) The inversion results are smaller when there are spectral offsets. The inversion errors increase nonlinear with spectral offsets. And the higher the spectral resolution, the larger the effect of spectral shift. (3) Different spectral bands have various average signal-to-noise ratio, selecting channels with appropriate signal-to-noise ratio and enhancing instrument signal-to-noise ratio can reduce the effect of instrument noise. (4) The higher the instrument resolution, the more important the degree of accuracy of instrument line function for simulated spectrum. Therefore, for hyper-spectral observation, the constancy of environmental temperature is key of acquiring high precision inversion results. (5) For over-high spectral resolution, simulated spectrum is anamorphic due to crosstalk effect. Therefore the crosstalk effect must be considered when the spectrometer resolution is advanced.     

自回归谱分析法在亚毫米波付里叶变换谱中的应用

付里叶变换是目前最常用的谱分析方法,它具有分辩率高、测量速度快、数据处理自动化等优点。但是,它的分辨率受到信号的信噪比、动镜的扫描长度和所用的窗口函数的限制。本文介绍了自回归谱分折法在亚毫米波付里叶变换谱中的应用。它是对取样得到的干涉图进行自回归谱分析,从而得到完整的功率谱信息。它的特点是消除了窗口函数的影响,并可对取样点以外的干涉图进行线性预测,从而大大提高了分辩率。本文详细地介绍了自回归谱分析法应用到亚毫米波付里叶变换谱中的实现方法和得到的结果。实验证明,应用了这种方法以后,现有的亚毫米波付里叶变换谱仪的分辨率可提高4倍左右。     

窗口傅里叶变换轮廓术中窗口尺度选取的改进

多尺度窗口傅里叶变换法根据条纹信号的瞬时频率梯度来确定信号的局域平稳长度,再由局域平稳长度来控制窗口的尺度,即窗口的尺度和局域平稳长度成正比。使用多尺度窗口傅里叶变换法来使条纹信号的频谱局域化,可以在条纹信号的频率分辨率和空间分辨率之间达到一种较佳的调和。针对多尺度窗口傅里叶变换三维形貌测量技术中局域平稳长度提取算法的不足进行了改进,使窗口尺度的选取更具合理性,对变形光栅基频提取更精确,进一步减小了位相测量的误差。给出了理论分析、计算机模拟以及实验结果。     

LS算法在亚毫米波付里时变换谱中的应用

本文介绍自回归谱分析法的另一种算法-前后向最小二乘法(LS算法)在亚毫米波付里叶变换谱中的应用。LS法比最大熵谱法(Burg法)具有更高的分辨率,而且可以避免谱线的分裂和减少谱线的偏移,从而得到更精确的结果。本文还着重讨论了光谱的窗口宽度和噪声对分辨率的影响     

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。     

空间外差干涉光谱仪仪器线型函数测量新方法研究

空间外差干涉光谱技术是近年发展起来的新型静态超分辨光谱分光技术,仪器线型函数是其基本性能参数之一,代表了仪器的光谱分辨能力,需要精确表征。在分析仪器线型函数影响因素(切趾、有效视场角与离轴像元效应)以及测量方法与测量光源等特殊性要求基础上,提出了一种可调波长单色面光源的全新测量方法,并利用可调谐激光器与消散斑积分球等设备搭建了测量实验装置。在仪器线型函数测量实验中,通过选取光谱范围内的典型谱段进行高光谱(0.1 nm步长)扫描,经过干涉数据误差修正、光谱复原以及坐标归一化等数据处理过程,获取了仪器线型函数的能量分布形式。此外,利用全光谱范围内扫描的干涉数据,得到仪器线型函数的全峰半宽随波长的变化规律曲线。最后,将本方法获取的实测仪器线型函数与模拟光谱(LBL计算)进行卷积获取理论谱,并与地基探测实验获取的实测大气CO₂吸收光谱进行比对分析,两者吻合一致,验证了本方法获取的仪器线型函数具有较高的精度。