短波红外平场光谱仪的波长定标

针对自行研制的短波红外平场光谱仪,讨论了波长定标的原理和方法.短波红外平场光谱仪由两个分光探测单元组成,探测单元以平场凹面光栅分光,处于焦平面上的线阵列探测器探测,波长定标分为两个波段进行.为了实现准确的波长定标,针对短波红外平场光谱仪的特点设计了波长定标步骤.双单色仪可以输出光谱仪波长范围内任意波长单色光,选用双单色仪作为光谱定标光源,双单色仪的输出单色光光潜分辨力为1.5 nm,经过光谱仪的分光会聚后成像在线阵列探测器像元上,采用重心法计算出给定波长对应的像元精确位置,通过多项式拟合得出两个探测单元的波长定标系数.定标结果表明,在900～2400 nm波长范围内,定标曲线拟合误差小于0.5 nm,波长定标不确定度优丁0.6 nm.     

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。     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

光栅色散型成像光谱仪室内外光谱定标中心波长偏移研究

成像光谱仪使用前需要对其进行光谱定标以确定其各光谱通道的中心波长和光谱带宽。但是室内外光谱定标实验结果表明随着使用环境的变化成像光谱仪各通道的中心波长和带宽将发生变化。对光栅色散型成像光谱仪各光谱通道的中心波长室内外定标结果的偏移进行研究,从光栅色散型成像光谱仪的光学结构和工作环境参数出发对造成其中心波长偏移的因素进行分析和建模,对震动、机械形变和浓度等主要影响因素进行理论推导和数量级估算,结合实验结果进行对比分析。理论推导和实验数据分析都表明光栅色散型成像光谱仪室内外光谱定标获得的各通道中心波长的偏移量与各通道的本征波长成二次函数的关系,其中震动和机械形变所带来的系统光路结构的细微改变是造成其中心波长偏移的主要因素,使用环境温度的差异也对该成像光谱仪各光谱通道的中心波长具有一定的影响。     

小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备,为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标,设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构,以高光谱分辨率为出发点,通过推导计算,从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路,给出仪器的重要必要结构参数,并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点,对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计,并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系,完成了仪器的整体结构设计和装调。应用汞灯可见光光谱进行波长定标,采用最小二乘法得到定标曲线,并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法,求得仪器的波长重复性和波长准确度;仪器在400~800 nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1 nm,波长重复性达±0.096 6 nm,波长准确度达±0.096 9 nm。     

宽光谱棱镜型太阳光谱仪设计

为实现大气层外太阳光谱辐照度(SSI)变化的长期例行监测,设计了一种星载宽光谱太阳光谱仪结构。全系统仅使用单片折反式曲面棱镜实现太阳光谱250～2500 nm的分光,并通过棱镜转动实现谱平面上多探测器的同步扫描探测;同时基于Huygens子波点扩展函数（PSF）仿真了光谱仪的光谱响应函数（SRF）和光谱分辨率。分光棱镜在±2.5°扫描转角内的全谱段子午像差小于8μm;光谱分辨率在紫外谱段(250～400 nm)为0.7～3.5 nm,可见/近红外谱段(400～1000 nm)为3.5～35.0 nm,短波红外谱段(1000～2500 nm)内为28.5～41.2 nm。整个系统结构简单紧凑,性能稳定可靠,分光和像差校正能力满足大气层外太阳光谱辐照度长期监测需求。     

紫外可见偏振成像光谱仪的光谱定标与匹配方法

紫外可见偏振成像光谱仪中沃拉斯顿棱镜的色散效应会导致探测器同一空间通道的中心坐标发生偏移，影响目标信号探测精度。根据偏振解调算法，利用沃拉斯顿棱镜出射的两正交分量调制光谱(S光和P光)实现偏振信息解调时，还需要完成光谱匹配。针对这一问题，提出了一种光谱定标与匹配方法。首先利用平行光源标定了仪器视场角与空间维像元的对应关系，提取出各空间通道对应的像元坐标集合并确定了视场定标方程；在同一空间通道内，通过低压汞灯标准光源对波长与像元的对应关系进行标定，得出光谱定标方程；利用视场定标和光谱定标结果完成正交分量光谱的匹配；最后利用太阳光谱中Fraunhofer线的特征波长对定标结果进行了检验。结果表明：紫外可见偏振成像光谱仪正交分量的光谱吸收峰位具有较好的一致性，定标值和标准值的偏差在0.1 nm以内，这验证了定标结果的准确性。     

用于290～450 nm光谱测量的平场光谱仪

介绍了以自扫描光电二极管阵列(SPD)为探测元件的平像场光谱仪。该谱仪采用车尔尼—特纳(Czerny—Turner)正交型结构,光谱分辨力为0．5nm/pixel。介绍了使用标准直流汞灯和标准石英卤素钨灯进行波长定标和辐射定标方法。并利用该平场光谱仪对290～450nm太阳紫外／大气光谱进行了测量,给出了测量结果。讨论了探测器的特性;为抑制温度对测量结果的影响,探测器两端侧某些像元被物理屏蔽,设置其为背景参考像元即哑元,利用哑元进行实时背景扣除方法来抑制温度漂移、暗电流、暗噪声等因素对测量精度的影响。根据仪器结构讨论了狭缝对谱线的影响,给出了狭缝宽度和谱线宽度的对应关系,并对仪器谱面上的相对测量误差进行了分析。     

宽波段单色仪多级谱高精度波长定标

通常利用单色仪输出的单色光对空间遥感光谱仪进行波长定标。提出以空间遥感光谱仪的置信度为标准,来评价宽波段单色仪高精度波长定标精度的方法。通过对仪器精度的分析,分别求出单色仪的波长的重复性误差和偏差。应用高压汞灯的本征谱和光栅衍射多级谱作为定标谱线,避免更换灯源带来的误差。通过粗细定标相结合的方法,缩短扫描时间,并且运用高斯拟合对波峰进行精确定位,缩小误差。最后利用高次拟合得到的关系式,测出单色仪波长精度,计算出空间遥感光谱仪定标的置信度。以1.5 M单色仪为例,单色仪在200～840 nm波段内波长精度±0.016 nm,则空间遥感光谱仪的波长精度达到±0.050 nm的置信度为99.82%。     

基于激光诱导击穿光谱的波长校准法研究

基于线列光探测器件的光谱仪具有多光谱通道探测的优点，以及其在物质光谱分析中担当的重要角色。分析了基于线列光探测器件光谱仪的波长准确度问题，提出利用激光诱导击穿原子光谱丰富波长校准特征波长谱线的思想。实验选用光谱波长范围为200nm～600nm的凹面光栅光谱仪、2048元焦平面的CCD器件和低压汞灯，分别对铜、铝、镁、钙、硅等5种样品进行了激光诱导击穿光谱试验；利用选取的10条激光诱导原子光谱波长数据并结合低压汞灯的10条特征谱线对光栅光谱仪重新进行波长校准，获取的试验数据有力地证明了这种思想的可行性。     

高光谱分辨率紫外平场光谱仪的研制

光栅作为一重要的分光元件,广泛应用于各类光谱仪,其中球面变线距平场光栅以其独特的平场特性使其容易与阵列探测器结合使用,一次实现宽光谱范围的记录。商业球面平场光栅一般只会提供光栅的公称线密度以及相应的安装参数,而不会提供光栅具体的变线距参数,并且提供的安装参数是针对整个使用波段优化的结果。使用者往往只需要其中的一部分波段。针对这种情况,根据球面平场光栅聚焦、分光原理,利用生产厂家提供的光学元件安装参数给出了推导球面变线距光栅变线距参数的方法。并给出了利用这些参数,根据光谱仪的实际工作波段确定最佳的CCD安装位置的方法。根据推导的光栅变线距参数可以对光学系统进行光学追迹已验证光学系统的性能。研制了一台高分辨率紫外平场光谱仪,覆盖光谱范围230~280 nm。采用的球面变线距光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,使用波段为170~500 nm。推导了该光栅的变线距参数,并针对230~280 nm波段对CCD的安装位置进行了优化。同时利用不同元素的标准光源空心阴极灯对光谱仪进行了波长标定和光谱分辨率测试。波长标定采用参数拟合法,整个波段范围内的标定精度优于0.01 nm。光谱分辨率测试的结果表明光谱仪的光谱分辨率达到0.08 nm@280.20 nm。     

可见-短波红外波段光谱模块光机装调及分析

介绍了自行研制的辐射仪器的光谱模块,其光谱范围覆盖可见-短波红外波段(400 nm~2 500 nm),讨论了光谱模块的装调方法并对装调结果进行了分析研究。辐射仪器由3个光谱模块组成,分别是可见波段光谱模块(400 nm~1 000 nm),近红外波段光谱模块(900 nm~1 700 nm)和短波红外波段光谱模块(1 600 nm~2 500 nm),光谱模块的探测单元均以平场凹面光栅分光,线阵探测器探测信号,光谱模块的光机组件主要包括光纤头、狭缝、反射镜组件、光栅组件和探测器组件等。鉴于光谱模块的光机装调效果与其光机设计息息相关,装调结果的好坏能反映光机设计的优劣,针对光谱模块的光机设计特点进行了光机装调。光机装调分析结果表明:3个光谱模块的波长分辨率分别优于4 nm,15 nm和20 nm,达到了仪器的设计指标,验证了光机设计、装调的合理性。     

基于超连续光源的InGaAs探测器相对光谱响应度定标技术

InGaAs光电探测器是近红外波段重要的光探测器件之一,具有高量子效率、低暗电流、宽带宽等特性,被广泛应用于光电测量、光通信及遥感等领域中。基于超连续白光激光器与双单色仪的光谱比较装置,利用标准InGaAs陷阱探测器对平面InGaAs探测器在900 nm～1600 nm波段进行了相对光谱响应度的定标,并与利用钨灯作为光源的响应度定标结果进行了比较。两种光源条件下,光谱响应度在900 nm～1600 nm波段最大相对差值小于0.2%,取得了较好的一致性。超连续光源的测量重复性最大值小于0.06%,远小于使用卤钨灯的测量重复性1%,降低了因测量重复性贡献的不确定度分量,验证了超连续激光器在探测器相对光谱响应度定标中的可行性。此外,还对被定标的平面探测器光谱响应度结果进行了测量不确定度分析。     

硅陷阱探测器在350—1064 nm波段的绝对光谱响应度定标

介绍了利用钛宝石可调谐激光器、倍频器和单波长激光器作为光源,在24个波长分立点定标了三个硅陷阱探测器的绝对光谱响应度,解决了红外激光的精确定位与调整、窗口透过率模拟定标等关键技术.结果显示：在激光波长为412—800nm时,三个陷阱探测器定标的不确定度约低于0.05％;当激光波长大于800nm以及低于355nm时,获得的陷阱探测器的定标不确定度约低于0.065％.硅陷阱探测器可以作为空间各类遥感器在350—1064nm波段定标的传递标准探测器. 关键词： 陷阱探测器 低温辐射计 光谱响应度 辐射定标     

Design and experiment of spectrometer based on scanning micro-grating integrating with angle sensor

A compact, low cost, high speed, non-destructive testing NIR (near infrared) spectrometer optical system based on MOEMS grating device is developed. The MOEMS grating works as the prismatic element and wavelength scanning element in our optical system. The MOEMS grating enables the design of compact grating spectrometers capable of acquiring full spectra using a single detector element. This MOEMS grating is driven by electromagnetic force and integrated with angle sensor which used to monitored deflection angle while the grating working. Comparing with the traditional spectral system, there is a new structure with a single detector and worked at high frequency. With the characteristics of MOEMS grating, the structure of the spectrometer system is proposed. After calculating the parameters of the optical path, ZEMAX optical software is used to simulate the system. According the ZEMAX output file of the 3D model, the prototype is designed by SolidWorks rapidly, fabricated. Designed for a wavelength range between 800 nm and 1500 nm, the spectrometer optical system features a spectral resolution of 16 nm with the volume of 97 mm × 81.7 mm × 81 mm. For the purpose of reduce modulated effect of sinusoidal rotation, spectral intensity of the different wavelength should be compensated by software method in the further. The system satisfies the demand of NIR micro-spectrometer with a single detector.     

光栅色散型成像光谱仪的在轨光谱定标方法研究

精确的光谱定标是定量化反演地物信息的前提与基础。光栅色散型可见近红外成像光谱仪(VNS)主要用于海洋水色遥感和海岸带监测,采用推扫式成像方式,工作波段范围覆盖400～1 040 nm,空间维视场像元总数为1 024,共设置256个光谱通道,光谱采样步长为2.5 nm。针对仪器入轨后可能发生的光谱通道中心波长漂移或通道宽度展宽问题,基于光谱特征曲线匹配思想,提出了利用太阳大气廓线和星上定标器镨钕特征光谱进行在轨光谱定标的新方法。开展了在轨光谱真实性检验与定标的地面模拟实验,采用最小差值与相关系数联合算法对数据进行了处理。以大气氧气吸收763 nm波段为例,介绍了在轨光谱定标的步骤。给出了太阳夫郎和费517 nm、Pr-Nd玻璃685 nm和氧气吸收763 nm三个典型波段对应VNS的光谱通道的定标结果：三个通道穿轨视场Smile效应幅度相近,约为0.6 nm;中心波长漂移方向和大小各异,分别为0.707,-0.369和0.293 nm;对穿轨方向各像元的测量值进了二次曲线拟合,763 nm通道标准偏差小于另外两个通道,三个通道的光谱定位精度较高优于0.176 nm。为成像光谱仪开发出一种适用的在轨光谱定标算法。