基于面阵CCD的瞬态光谱检测方法研究

针对瞬态光谱检测中对CCD线扫描速度要求高的特点,提出一种基于面阵CCD的瞬态光谱检测方法。该方法通过改变面阵CCD的电荷转移方式,以实现基于面阵CCD的高速线扫描。为了探究此方法的可行性,初步通过改变线阵CCD的电荷转移方式,建立了基于线阵CCD的单点超快探测系统。在发光二极管(light emitting diode,LED)光脉冲探测实验中,系统分别工作在单点超快探测模式和正常模式下。测试结果表明,基于线阵CCD的单点超快探测方法是可行的,单点探测速率可达20MHz。从而在理论上证明,通过改变CCD电荷转移方式以实现基于面阵CCD的瞬态光谱检测也是切实可行的。     

基于CPLD的LED芯片光谱采集系统的研究

发光二极管(light emitting diode,LED)芯片的光谱检测是LED芯片规模化制造中的一项关键技术。根据光谱测量原理,针对LED芯片光谱测量应用的要求,文章研究了基于复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device, CPLD)的LED芯片光谱采集系统。以CPLD为主芯片,为线阵电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)提供工作时序信号,同时控制信号调理、转换、传输模块中的采样率和数据的存储与传输。采用光栅单色仪作为分光器件,线阵CCD作为光电转换器件,检测LED芯片的相对光谱能量分布曲线,同时计算LED芯片光学特性的光谱参数。基于CPLD的LED芯片光谱采集系统简单、快速,同时能达到LED芯片光谱检测精度的要求。     

面阵傅里叶变换太阳光谱仪高速采集系统设计与实现

同时或准同时多谱线太阳成像观测可以获得太阳大气三维磁场和热力学参数,是未来太阳观测焦面终端设备的重点发展方向。傅里叶光谱仪具有宽波段、高灵敏度、高光谱分辨率的优势,但因受限于高帧频、大面阵探测器制约,尚未用于太阳光谱成像常规观测。随着CMOS图像传感器技术迅猛发展,在可见光和近红外波段,探测器面阵大小和帧频相比传统CCD探测器有了质的提升,使得面阵傅里叶太阳光谱仪研制成为可能。通过引入高帧频面阵CMOS图像传感器,针对面阵傅里叶变换太阳光谱仪科学需求,设计了一套高速数据采集软硬件系统,实现了面阵傅里叶太阳光谱仪10 kHz高速触发,万帧/秒快速采集,0.5 GB·s-1大数据量连续、实时存储等功能。在此基础上,依托国家天文台怀柔太阳观测基地现有的IFS-125HR傅里叶变换光谱仪, 搭建可见光实验系统,以可见光色球谱线（Hα 656.3 nm）及其附近光球谱线为目标波长,开展面源太阳光谱探测。分别以实验室钨灯和太阳为光源,进行等光程差间隔采样,成功获得了面阵干涉图,首次反演得到面源窄带连续谱以及656.3 nm附近太阳色球和光球线。采用交叉定标方式,将得到的太阳光谱与美国国立太阳天文台NSO傅里叶变换光谱仪获得的标准光谱在同等分辨率下进行比较,结果基本一致,验证了新研制的面阵傅里叶太阳光谱仪高速数据采集系统性能及面阵傅里叶变换太阳光谱仪在太阳观测中的可行性。该研究为后续可见光宽波段面阵傅里叶太阳光谱仪的研制奠定了技术基础,同时为“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”（AIMS）后续从线源扩展到面源观测积累了宝贵经验。     

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。     

一种基于空问外差光谱技术观测的逐线积分水汽浓度反演方法

空间外差光谱技术(SHS)是一种可进行高光谱分辨率探测的光谱分析技术,其灵敏度高,可实现成像探测,特别适用于大气中痕量气体的观测.鉴于此,提出了一种在实验室理想环境下水平观测水汽的逐线积分反演算法.使用Voigt线型函数计算出所选带宽内各吸收线的吸收系数,并将半宽校正剑相应压力水平下;考虑各吸收线的线翼吸收贡献,计算出波段内的平均透过率;结合通过实测光谱得出的透过率推算水汽浓度.应用在1590～1610 cm-1波段内傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的实测数据计算不同水汽浓度的平均透过率,并与相应的应用Modtran计算的结果相比较,最终验证了算法的可行性.     

傅里叶光谱仪高精度光谱定标研究

为了提高傅里叶光谱仪光谱定标精度,减小光谱定标误差,基于风云四号大气垂直探测仪实验室气体池光谱定标数据,进行傅里叶光谱仪高精度光谱定标算法研究。首先,分析了傅里叶光谱仪的分光原理,并在对参考激光波数漂移、光线离轴、以及有限视场引起光谱波数偏移的原理进行分析后,得出傅里叶光谱仪光谱定标公式及定标参数的计算方法;接着分析了快速傅里叶变换(FFT)的栅栏效应和干涉图截断产生的sinc函数造成的光谱定标误差较大的原因;然后通过对比几种不同的光谱细化方法,选择高效的快速Chirp Z-transform(CZT)进行光谱细化,解决FFT光谱分辨率较低导致光谱误差较大的问题;通过对气体池参考气体在HITRAN数据库中的理论谱线,用Gaussian线型展宽并卷积sinc函数处理后作为光谱定标参考谱线的方式,减小由sinc函数引起的谱线间串扰造成的光谱定标误差,从而提高光谱定标精度。最后,使用实验测得的数据对该光谱定标算法进行验证,对比使用CZT细化光谱前后定标误差,和参考谱线处理前后的定标误差,证明该算法可以有效提高光谱定标精度,最高可将光谱定标误差减小10倍以上。     

O( Ⅰ ,Ⅱ) 禁戒线极光及其光化学反应

利用干涉成像光谱技术被动探测上层大气风场所使用的光源主要是氧禁戒线极光。讨论了禁戒跃迁出现较强谱线需要的两个条件,对满足上述条件的上层大气中的原子氧(OⅠ)和离子氧(OⅡ)的可见光波段禁戒线进行了详细的计算,并对应指出产生这些O(Ⅰ,Ⅱ)禁戒线的光化学反应。得出的结论是被动探测上层大气风场所用极光源可以使用所指认的10条O(Ⅰ,Ⅱ)禁戒线和允许线:557.7nm,630.0/636.4/639.3 nm,672.8nm,732.2/733.2nm,777.7/777.6/777.4nm,比加拿大的风成像光谱干涉仪(WINDII)使用的极光谱线增添了5条:639.3nm,672.8nm,777.7/777.6/777.4nm,扩展了成像光谱干涉仪的波段范围。     

高分辨率光谱仪线阵CCD采集系统设计

为了满足高分辨率光谱仪高灵敏度、高分辨率、低噪声的技术要求,设计了用于微光成像系统的背照式CCD驱动电路及主控电路。线阵CCD采集系统采用Altera公司的MAX X系列FPGA作为核心控制器件,为线阵CCD提供多路驱动信号;线阵CCD探测器输出模拟信号经过信号预处理及AD采样,变换为数字信号后通过USB接口模块发送给光谱仪。通过将线阵CCD采集系统安装到高分辨率光谱仪,对汞灯谱线进行特征峰测试,光谱分辨率可以达到0.062 nm,满足高分辨率光谱仪的探测要求。     

全光纤频域光学相干层析成像系统优化研究

针对频域光学相干层析(SD-OCT)系统特有硬件(线阵CCD及分光光栅)参数对成像质量造成的影响,展开了对基于光纤的频域OCT系统中硬件参量的模拟和优化工作,分析了分光计中CCD线列阵像素数及数字化深度、CCD安装偏差等因素对OCT成像质量的影响,并对光谱像素图定位进行了修正.研究表明:纵向分辨率不受CCD线列阵像素数的影响,CCD线列阵像素数的增多将线性地增大最大测量深度;CCD数字化深度小于6 bit将直接导致系统纵向分辨率的锐减;线阵CCD偏离聚焦透镜焦面将导致点扩展函数的强度减弱、系统分辨率降低;在较小角度内转动CCD,将使纵向分辨率得到提高;采用氖灯光谱进行像素图定位校正之后,可以相应地提高系统分辨率.部分模拟结论得到实验验证.采用此模拟优化结果,可根据OCT成像的具体要求对系统硬件参量进行优化选择.     

层析型线阵推扫成象光谱技术及其仿真研究

本文设计了一种层析型线阵推扫成象光谱仪。与色散型推扫成象光谱仪或干涉型推扫成象光谱仪不同的是,它用线阵CCD代替面阵CCD,同时又具有高通量、多通道、高信噪比、结构简单、轻量等优点。其基本原理是利用光栅的多级衍射实现视场条带目标的一维空间和一维光谱组成的“空间-光谱平面”到一维投影象的Radon变换,然后由逆Radon变换重构二维数据(一维光谱和一维空间),另一维空间信息通过推扫便可得到。文章还提供了重构算法和计算机仿真试验结果,验证了算法和方案的可行性。     

成像光谱的信息采集与数据处理

论述了成像光谱技术中的光学成像技术、光谱信息采集及探测器像点与光谱图像像点的定位技术,提出了一种精确确定ＣＣＤ面阵上像敏元与光谱图像像素对应关系的新方法。系统电路能够对视频信号进行处理,输出带有标志线的复合视频信号,同时精确测定标志脉冲的位置,以数据形式提供给计算机,通过计算机对图像及采集的数据的分析处理,从而确定图像像素和ＣＣＤ面阵上像敏元的对应关系。系统软件能方便的实现对电路的控制、数据采集、光谱图像的分析、显示绘制图像的ＲＧＢ值和灰度曲线,能稳定运行于Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下,使用灵活方便     

双通道共轴聚焦型X射线晶体光谱仪

研制了一种用于Z箍缩等离子体X射线光谱诊断的双通道共轴聚焦型晶体光谱仪。谱仪采用均匀色散(即线色散率为常数)和球面云母晶体作为两个通道的X射线色散元件,位于中轴线上的双胶片盒作为探测器,在大致相同的光谱范围内同时获取Z箍缩等离子体的时间积分光谱。在中国工程物理研究院"阳"加速器上开展了Z箍缩内爆摄谱实验,两通道分别获得了Z箍缩铝丝阵等离子体的类氢和类氦光谱谱线。实验结果表明:均匀色散通道光谱分布遵循均匀色散条件,实验得到的线色散率和设计值吻合很好,最大相对误差仅为3.48%,和球面晶体通道相比,它能更容易、更准确识别和处理光谱,在识别和分析陌生复杂光谱成分时具有优势。     

用CCD分析光源的辐射光谱

本文介绍了利用光电图象技术对光源光谱进行分析的工作。利用ＣＣＤ线阵器件和计算机，我们获得了黑体、灰体及单色光源的光谱特性以及有关数据。     

炸药爆轰瞬时温度的实时测量

针对爆轰时刻光谱的特点,结合多光谱测温的理论基础,采用高速率线阵CCD,设计了瞬时多光谱爆轰测温系统。通过FPGA对各个模块进行控制,完成数据的采集、存储和传输;结合多项式回归算法,拟合出爆轰瞬间光谱信息的动态波形图。在标定过程中,采用两束激光特征谱线630和532nm进行CCD的标定,确定出对应的像元序号分别是175和270。对卤钨灯的表面温度进行实时监测表明:基于高速线阵CCD的多光谱测温系统可以完成多个时刻的瞬时光谱采集;在40MHz的高速时钟驱动下,CCD的帧频可以稳定工作在73kHz。     

基于宽光谱监控的光学薄膜自动控制技术

单波长监控很难精确控制宽波段上的光学特性.若采用宽光谱扫描可以在很宽的波长范围内监控薄膜特性,则控制既直观又准确.虽然宽光谱监控的思想很早就提出了,但这项技术的实用性一直不高.开发了一套宽光谱监控系统,使用线阵CCD配合计算机,可以实现光谱快速扫描.通过采用一些特殊的方法,系统可以达到较高的精度.配合改进的光学薄膜监控软件,可以满足基于宽光谱监控的自动控制要求.     

结合二维分光光谱仪与可调谐法布里-珀罗干涉仪的超高分辨率光谱测量技术研究

提出并实验演示了一种新型的超高分辨率光谱测量技术,通过将二维分光的高分辨率面阵光谱仪和可调谐法布里-珀罗(F-P)干涉仪相结合来实现超高分辨率的光谱测量,其中高分辨率面阵光谱仪的分辨率优于可调谐F-P干涉仪的自由光谱范围(FSR)。所采用的可调谐F-P干涉仪光谱范围为780~840 nm,FSR为3.75 GHz,精细度大于100。利用虚拟成像阵列和平面衍射光栅构建了二维分光面阵光谱仪,实现了17.4 nm(792~809.4 nm)光谱范围内0.7 GHz的光谱分辨率,分辨率值高于可调谐F-P的FSR。二者的结合实现了优于37.5 MHz的超高光谱分辨率。利用所构建的光谱仪实际测量了锁模钛宝石激光器的激光光谱,证实可以较为清晰地分辨其间隔为76.3 MHz的各个纵模。     

基于LCTF的多光谱面阵CCD相机的辐射定标

基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的多光谱面阵CCD相机是一种新型的多(高)光谱成像系统,它利用液晶的电控双折射效应和偏振光的干涉原理,在面阵CCD上记录任意一个波长的图像信息.由于LCTF和帧转移型面阵CCD工作方式的特殊性,普通的定标方法不能满足遥感应用的精度需求.提出用积分球+标准探测器的定标系统对相机进行性能检测...     

基于三维荧光光谱技术结合交替加权残差约束四线性分解的不同盐度条件下混合油液检测

石油作为一种重要的化石能源,是人类社会生产活动中不可缺少的一部分。石油在被人们开采、使用的过程中不可避免地会发生泄漏,泄漏的石油会给生态环境带来严重的威胁。因此,在石油泄漏后需要及时对其进行处理,而其前提是能够准确识别石油种类。由于石油中多种物质具有荧光特性,因此应用荧光光谱法可对石油进行有效检测。但石油所含组分较多,使得其光谱信息重叠严重,识别困难。而三阶校正方法具有"三阶优势",可以分辨高共线性、高噪声水平下的数据。其中,三阶校正中的交替加权残差约束四线性分解(AWRCQLD)算法具有收敛速度快、对组分数不敏感等优点;因此,利用三维荧光光谱技术结合AWRCQLD算法,对混合油液进行检测。首先,配制3种盐度条件下的十二烷基硫酸钠(SDS)溶剂;并在每种盐度条件下分别将航空煤油和润滑油按照不同浓度比混合,最终得到24个校正样本和9个预测样本。然后,使用FLS920荧光光谱仪对实验样本进行光谱数据采集。其次,使用扣除空白法去除光谱中的散射,并通过核一致诊断法判断混合油中的组分数。最后,用AWRCQLD算法对四维光谱矩阵进行解析。研究结果表明,在0～20盐度范围内,随着盐度的增加,航空煤油的荧光强度先减小后增大,润滑油的荧光强度先增大后减小;混合油解析光谱曲线分别与航空煤油及润滑油的实际光谱曲线重合度良好;经AWRCQLD算法解析后得到的航空煤油的回收率范围为100.2%～109%,均方根误差为0.002 1 mg·mL~(-1);润滑油的回收率范围为91.8%～109.3%,均方根误差为0.004 8 mg·mL~(-1)。通过引入盐度作为新一维度的数据,从而将三维光谱数据阵扩展到相应的四维光谱数据阵。并利用AWRCQLD算法对四维光谱数据阵进行了解析,实现了在不同盐度条件下对混合油的定性和定量分析。同时,为不同盐度条件下的混合油液检测提供了参考。     

可见近红外波段光谱辐射采集系统的设计与应用

针对目前卫星遥感器进行场地定标的光谱观测仪器的应用需求，设计了可见近红外波段(0.4 μm~1.0 μm)的光谱辐射采集电路系统，并结合光谱辐射采集模块进行了应用与数据分析。重点介绍了线阵探测器的选型与驱动需求，并完成了基于STM32微处理器的设计。结合辐射观测需求，在信号处理部分使用仪表放大器运放对探测器的模拟输出信号进行处理，并采用STM32内部的A/D转换器采集。分析数字信号输出的结果，该辐射测量电路系统的的采集数据达到了1 LSB的数据精度(≤0.8 mV)。探测器电路系统应用到光谱辐射采集模块中，进行了户外应用与数据分析，光谱辐照度比对结果的偏差小于5%。光谱辐照度的比对结果证明整个系统可以直接进行产品应用，满足野外辐射测量数据的可靠性获取。     

新型显微成像光谱仪系统中线阵针孔离焦研究

显微成像光谱仪技术是最近新兴的一种生物组织检测方法,它可以广泛应用在生物医学检测,疑难病症分析、预防、诊断中,已经成为当今生物组织检测领域研究的热点。提出了一种新型的基于线阵针孔阵列的激光扫描共焦显微成像光谱仪系统LP-LSCMIS方案,介绍了其工作原理及优点,讨论了该装置中线阵针孔阵列离焦对系统性能的影响,分析了离焦对生物组织荧光图像的光谱分辨和自体荧光光谱的调制深度的影响。推导出了光谱分辨和调制深度与离焦量的关系式。结果表明,离焦对仪器的性能有较大的影响,因此在装置装调时要求有更高精度的调整机构。