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。     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响,其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比,分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型,在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声;在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正;在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下,可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625,可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763;暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分,温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用,验证了CCD最佳制冷温度;光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大,系统增益不会影响信噪比;PRNU噪声通过校正得到明显改善,由3.32%下降到0.47%,提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

天文观测相机低噪声CCD视频处理电路的分析与设计

在讨论天文观测相机低噪声视频处理电路的基础上,对前置放大、差分放大、可编程增益放大、相关双采样及16bit模数转换等关键组成部分进行了分析,给出各组成部分的设计方法。对所设计的低噪声视频处理电路进行了PSPICE仿真和实验测试,仿真和实验结果表明,该视频处理电路在本身引入噪声较小的同时,有效地抑制了CCD的复位噪声和1/f等低频噪声,使天文观测相机的整机噪声<15e-,达到了指标要求。     

光度测量图像智能阈值降噪方法

为了提高光度测量精度,通过对光度测量过程中的入射散粒噪声、天光散粒噪声、暗电流散粒噪声、读出噪声的来源进行详细分析,有针对性地描述了降低各种噪声的方法,并针对暗电流散粒噪声与读出噪声及其他噪声残留提出了一种基于灰度直方图统计的智能阈值降噪方法;大幅消除了噪声对测量结果的影响,通过对恒星测光图像降噪前后光度计算结果的精度比对发现,采用这种方法将光度测量精度从原来的0.314 Mv提高到0.092 4 Mv,精度改善效果明显,并且解决了使用CCD测量光度结果不稳定的问题,具有较好的应用价值。     

微型化拉曼光谱系统的搭建及其在矿物分析中的应用

为使学生更好地了解拉曼光谱技术的工作原理、仪器结构和矿物拉曼光谱特征,设计了微型拉曼光谱仪.微型拉曼光谱仪由Bwtek拉曼光谱仪、3个凸透镜和滤光片等组成.应用该仪器对矿物(As4S4)的不同峰位光谱进行测量,指认了振动峰的归属.     

水下低噪声目标辐射噪声垂直嵌套阵测量方法

研究了一种水下低噪声目标辐射噪声垂直嵌套阵测量方法。首先通过分析试验水域背景噪声和被测目标辐射噪声特性,掌握不同测量频段的增益需求;然后采用凸优化方法,建立波导环境中超宽带、高稳健恒定束宽波束形成技术,推导水下目标辐射噪声垂直嵌套阵测量及空间阵列信息处理方法;最后研制垂直嵌套阵测量系统,并开展湖上试验验证。研究结果表明该测量方法具有测量带宽大、稳健性高、测量不确定度低等优点,辐射噪声测量不确定度约2 dB。     

强噪声下三轴磁力计正交及增益误差校正及其测量实验

提出了适用于强测量噪声情况下的三轴磁力计正交及增益误差建模及校正方法,详细推导了磁力计测量误差模型,给出了误差参量辨识及校正算法,仿真证明了在强噪声情况下算法仍具有良好的收敛性,给出了不同信噪比条件下误差校正精度与采样点个数的关系,证实了算法能应用在磁力计测量噪声较强场合,并将其实现地磁场强度测量实验,获得了令人满意的结果。     

窄带傅里叶变换光谱仪中平稳高斯噪声的理论分析

在本文所研究的空间调制型傅里叶变换光谱仪中, 在窄的光谱带宽内进行探测可以有效提高光谱的分辨率. 为了研究光源辐射噪声对系统的影响, 本文将辐射噪声归纳为一种高斯窄带的平稳随机过程, 利用线性系统分析方法, 根据统计学原理推导了辐射噪声作为随机变量通过干涉系统前后的输入信噪比与输出信噪比. 然后, 对于一个具有窄带矩形光谱的系统进行了计算仿真, 得出了信噪比增益随着光程差在不同自相关度和互相关度取值时的变化情况. 仿真结果表明, 不同光程差下的信噪比增益在相关度空间是一单调的平滑曲面, 增益极值始终沿着相关度圆的半径和周线移动, 并且经过一个光程差又回到初始的位置. 根据对信噪比增益的分析, 可以将噪声的相关度取值控制在某一范围之内, 并作为系统光源设计与测试的依据.     

CCD致冷技术在小型光谱仪降噪中的应用

与传统光谱仪相比,小型光谱仪在性能上存在着较大的差距,光度准确度较差、信噪比低等问题限制了其在弱光检测中的应用。分析小型光谱仪的噪声来源及其抑制方法,结合CCD设计了其致冷结构,并采用半导体致冷技术对自行设计的小型光谱仪进行了降噪处理。测量了不同温度下CCD的暗电流,发现致冷对CCD噪声起到很好的抑制作用;在此基础上,参照分光光度计的国家机械行业标准和计量检定规程,测量了致冷条件下小型光谱仪的光度噪声和基线平直度。结果表明：致冷能有效地提高仪器的性能,实验用小型光谱仪的光度噪声为±0.002Abs,基线平直度为±0.004Abs。     

基于微型光纤光谱仪的DOAS系统对大气中NO2,SO2和O3的监测研究

提出了将基于微型光纤光谱仪的DOAS系统用于空气中NO2、O3和SO2的监测,并对系统的性能包括探测器的偏置、暗电流、噪声和线性以及光谱仪的的光谱分辨率和杂散光进行了测试.在2006年3月合肥郊区用该系统对NO2、O3和SO2进行了连续观测,测量结果与购买的商用仪器DOAS2000（美国热电公司）的测量结果具有很好的相关性.结果显示该系统灵敏、简单易操作、并具有高时间分辨率的优点,非常适用于NO2、O3和SO2的连续观测.     

电子倍增CCD(EMCCD)的噪声特性分析

介绍了EMCCD的结构原理,详细分析了EMCCD的噪声来源。利用在EMCCD芯片内嵌入独特的全固态电子倍增结构,实现放大信号,抑制噪声的功能。通过对几种主要噪声的数学模型进行分析,总结出EMCCD噪声的3点特性：EM增益有效抑制了读出噪声;EM增益过程产生的噪声因子对倍增结构之前的噪声有放大作用;时钟感生电荷（CIC）的影响在EMCCD中变得重要。提高增益、深度制冷、时钟波形优化等方法可有效抑制噪声。     

光谱仪的微型化及其应用

和传统光谱仪相比,微型光谱仪的分辨率较低,但由于它体较小、价格便宜等优点广泛应用于许多测量、控制领域。讨论了微型光谱仪结构特点、关键技术和发展趋势;对多种微型光谱仪的工作原理和相应的工艺流程做了较为详细的总结;结合国内微型光机电系统制作工艺,分析了几类微型光谱仪的制作难点及其设计方案的可行性。探讨了在分辨率要求不太高的情况下微型光谱仪的多个潜在应用领域。     

远紫外光子计数成像探测器的感应电荷读出方法

为了满足空间远紫外波段成像高空间分辨率和高计数率的探测需求,阐述了光子计数成像探测器的感应电荷读出方法,用于对地球电离层进行远紫外波段遥感探测的成像光谱仪.研究了具有成形网路的电荷灵敏放大器各参数间的关系,从理论上分析了电荷灵敏放大器的上升时间及成形网络的成形时间常数对电荷读出噪声和探测系统计数率的影响,并建立了它们之间的定量关系.提出了电荷读出网络参数的设计和选取原则,并采用适合空间环境的分立电子元件研制出基于楔条形阳极光子计数式成像探测器的电荷读出电路.实验结果表明,所设计的感应电荷读取链路在成形时间为500 ns时链路等效输入噪声电荷约为230 e,电荷灵敏放大器上升时间小于8 ns,与建立的模型计算值有较好的一致性.在入射光强计数率86.2 kcps条件下,所测图像的空间分辨率达到7.13 lp/mm,满足空间远紫外波段成像光谱仪的使用要求.     

基于棱镜扫描法的太阳光谱仪光谱定标

为了标定扫描式棱镜太阳光谱仪的棱镜不同转动角度对应的中心波长和光谱带宽,利用了一种棱镜扫描方法对太阳光谱仪的光谱响应函数进行测量。该方法使用固定的单色光波长,控制棱镜转动实现单色光的像在探测器位置扫描,并通过坐标映射得到响应位置的光谱响应函数。文中根据光谱响应函数的定义,推导出棱镜扫描法与单色仪波长扫描方法波长定标原理上的等效性。之后分别以532 nm固体激光器和632.8 nm氦氖激光器为光源,使用棱镜扫描法测量太阳光谱仪对应波长位置的光谱响应函数,并以单色仪波长扫描法实验作为对比。实验结果表明,对于扫描式棱镜太阳光谱仪,棱镜扫描法测量的中心波长分别为531.86和632.67 nm,其准确度优于单色仪波长扫描法测得的531.39和631.97 nm。由于不受单色仪性能的限制,前者测量的光谱带宽值也优于后者。最后以汞灯为光源使用棱镜扫描法对太阳光谱仪进行了光谱定标实验,实现了特征光谱定标法结合棱镜扫描法对中心波长及光谱带宽的标定。该方法同样可以应用于扫描式光栅光谱仪以及单色仪的光谱定标。     

复杂液体光谱法分析的浓度分辨率及浓度分布影响

为保证基于光谱技术的复杂溶液检测的可行性,分析多波长建模对浓度分析的精度增益,以及确定合适的组分浓度分布以得到质量高、普适性佳的定量分析模型,从光谱检测仪器噪声、光谱数据多波长建模和被测溶液成分浓度分布影响因素入手,对复杂溶液成分浓度检测精度的影响进行分析。通过对浓度分辨率分析,对已知光谱仪噪声条件下能够实现的溶液成分浓度分辨率进行评估,也为在已知定量分析所需浓度分辨率条件下选择满足测量要求的光谱仪器提供理论依据。基于过采样提高测量精度技术分析,表明多波长建模带来了精度增益,从而提高浓度检测灵敏度。考虑被测成分含量以及非测量成分的含量在所测范围内疏密比和加权欧氏距离,为选择满足浓度分布的有利于提高模型质量、减小预测误差的样本集进行建模提供理论指导。     

微型光谱仪的数据噪声处理

原始信号的噪声处理是微型光谱仪器数据处理的重要组成部分,为了提高在弱光照射下便携式微型光谱仪的工作性能,在分析了线阵CCD探测器的各种噪声来源基础上,指出依靠硬件电路去除噪声在微型仪器设备应用的局限性。虽然判断一段离散数据曲线上噪声大小可以采用解析几何或者傅里叶变换得到特征频谱来判断,但是运算复杂,不利于在单片机应用中编程。通过对Freeman方向链码的分析,提出利用Freeman方向链码判断一段曲线上的噪声程度,量化后作为平滑窗口尺寸选择的依据。在处理线阵CCD输出信号中将该方法与固定窗口曲线平滑或者FFT数字滤波器进行了比较,证明了其可行性。Freeman链码的应用简化了在单片机编程中使用数字滤波器的大模块的编程,降低了编程难度,同时使信号噪声的处理仅仅在数学运算阶段中,不引入其他的电路噪声,从而达到比前期增加电子元件处理的方法能更好地抑制噪声的目的。     

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3.43 nm@800 nm,信噪比的理想分辨极限为6.8 dB。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。     

新型偏振干涉成像光谱仪噪声分析与评价

简要论述了自行设计、研制的新型偏振干涉成像光谱仪的基本原理;对该新型偏振干涉成像光谱仪的噪声进行了全面分析;给出了与系统通量相关的总噪声理论表达式;提出了结合成像光谱仪系统、CCD图像传感器与光谱图像提取噪声的分析方法;辅以信噪比的评价,得知成像光谱仪系统通量虽然对噪声具有巨大贡献,但不会影响系统信噪比;为成像光谱仪信噪比的准确计算与降噪方法的有效采用提供了新的理论指导.     

宽量程微电流测量系统

宽量程微电流测量系统利用多增益前置放大器与可编程增益数据采集卡组成两级放大,通过PC机控制选择不同增益实现宽量程的测量,并对其噪声进行了仿真分析,提出了提高信噪比的措施.实验表明,该系统能对动态范围10-11~10-4A电流信号进行有效测量.     

量子点红外探测器的噪声表征

为了表征噪声对量子点红外探测器性能的影响, 本文推导了噪声的理论模型. 该模型通过考虑纳米尺度电子传输和微米尺度电子传输对激发能的共同影响, 并结合噪声增益, 实现了对噪声的估算. 得到的结果与实验的数据相比, 显示了很好的一致性, 从而验证了这个模型的正确性. 关键词： 电子传输 暗电流 增益 噪声