临边成像光谱仪信噪比分析及实验研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。信噪比是定量评价成像光谱仪成像质量和辐射性能的的一项重要指标,信噪比的估算和测量对成像光谱仪的研制至关重要。针对临边成像光谱仪从辐射传输和能量转换角度,建立了信噪比模型,推导了色散型临边成像光谱仪信噪比计算公式,编制了信噪比快速计算程序。利用大气辐射传输软件MODTRAN 4.0模拟计算出在典型观测条件下仪器入瞳光谱辐亮度,从理论上估算了已研制成的临边成像光谱仪原理样机在典型观测条件下的信噪比。结果表明,在典型观测条件下原理样机的信噪比不低于8。作为实验验证,利用内照明积分球光源对临边成像光谱仪原理样机进行了信噪比测量,测量结果证实了理论模型的正确性。     

星载扫描层析临边成像光谱仪光学设计EI北大核心CSCD

星载扫描层析临边成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据临边宽水平覆盖轻小型星载扫描层析临边成像光谱仪的研究目标,采用一维扫描镜、离轴抛物面望远系统和非球面光栅光谱成像系统匹配,设计了一个视场0.75°×0.017°、相对孔径1/1.8、工作波段280～800 nm的星载扫描层析临边成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件CODE V进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图直径的均方根（RMS）值均小于34 mm,光谱分辨率0.84 nm,满足的指标要求（≤1.2 nm）,扫描层析临边成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.57以上,能够满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用,根据应用技术指标,在传统全景环形透镜的基础上,结合探测器尺寸限制,精细调整四个球面的曲率半径,以便得到最佳光学传递函数。然后基于像差理论设计中继镜组系统,补偿全景环形透镜产生的像差,采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合,负透镜采用熔石英,正透镜采用氟化钙,从而使色差最小。最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,列出重要的公差参数,为后续加工装调提出要求。优化结果表明,光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了0.7以上,各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm,完全满足设计指标要求,也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。     

空间遥感仪器探测器工作温度对信噪比的影响分析

临边观测是一种新的空间大气遥感探测方式,但大气散射光谱辐射随临边高度的增加而迅速减弱。所以信噪比是临边遥感仪器的关键性能指标。在深入分析典型仪器信号光谱辐射传输特性和噪声来源的基础上建立了随探测器制冷温度变化的信噪比模型,并在一台临边遥感光谱仪原理样机上模拟试验验证了空间环境下临边高度70km处的信噪比,理论分析和实验结果一致表明:探测器制冷到一定温度时,仪器的信噪比达到了一个极限值。在综合考虑功耗、散热等问题的基础上获得了探测器的最优工作温度。     

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308 nm波段受到太阳能量激发,发射出OH A2Σ＋-X２Π（0,0）荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8 nm,光谱分辨率为0.008 25 nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308 nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。     

星载扫描层析临边成像光谱仪光学设计

星载扫描层析临边成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据临边宽水平覆盖轻小型星载扫描层析临边成像光谱仪的研究目标,采用一维扫描镜、离轴抛物面望远系统和非球面光栅光谱成像系统匹配,设计了一个视场0.75°×0.017°、相对孔径1/1.8、工作波段280~800 nm的星载扫描层析临边成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件CODE V进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图直径的均方根(RMS)值均小于34 mm,光谱分辨率0.84 nm,满足的指标要求(≤1.2 nm),扫描层析临边成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.57以上,能够满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

空间遥感大气痕量气体临边探测仪设计与研究

为满足空间大气痕量气体探测的迫切需求,设计并研制了一个空间遥感大气痕量气体临边探测仪原型样机.该样机光学系统由离轴抛物面望远镜和改进型Czerny-Turner光谱仪组成,工作波段为380~570 nm.在工作波段内,点列图半径的均方根值均小于9 μm,校正了像散,整个工作波段内同时获得了良好的成像质量.原型样机质量12 kg,体积420×350×200 mm³,空间像元分辨力0.6 km,光谱分辨力0.86 nm,各项指标均满足要求.利用临边探测仪原型样机进行了外场观测试验,外场观测光谱数据与模拟光谱数据进行了比对,二者具有很好的一致性,表明大气痕量气体临边探测仪功能和性能良好,满足大气痕量气体探测的应用要求.     

稳态大视场偏振干涉成像光谱仪中视场补偿型Savart偏光镜透射率研究

论述了基于视场补偿型Savart偏光镜的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的分光机理.依据电磁场边值条件,分析了光在视场补偿型Savart偏光镜中各晶体分界面上的透射情况,得出了透射率的理论计算公式.采用计算机模拟,分析了在半波片为不同材料时,透射率随入射波长、视场角及半波片厚度的变化关系.研究表明,视场补偿型Savart偏光镜具有大视场、高通量、高探测灵敏度的显著特点.此研究可为新型干涉成像光谱技术的研究和新型偏振干涉成像光谱仪的设计、研制提供重要的理论指导. 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 视场补偿型Savart偏光镜 透射率 电磁场边值条件     

显微成像光谱仪技术的研究及应用

显微成像光谱仪技术是一种生物组织检测方法,目前广泛应用于生物医学检测和疑难病症分析,已成为组织检测领域的研究热点。论述了显微成像光谱仪各结构功能模块的工作原理及特点,并对其各主要技术指标进行了分析。介绍了目前的发展现状,并对所出现的多种显微成像光谱仪的技术方案及特点做了详细的总结。研究结果表明,显微成像光谱技术作为一种新的技术手段,必将在临床医学、生物学、材料学以及分析化学等领域得到广泛的应用。     

星载光栅色散型光谱仪消偏器的设计与分析

为了保证成像测量结果的相对准确性,需要消除光谱仪中光学器件的偏振响应,加入消偏器是一种常用的消偏方法。由于成像光谱仪探测性能的要求,不仅需要消偏器在光谱仪的响应波段内具有良好的消偏效果,还要求消偏器应尽可能小地影响光谱仪的成像质量;对大气遥感探测星载双楔角临边成像光谱仪中的消偏器进行研究,通过积分的方式对消偏器的楔角进行计算分析,通过MATLAB的优化仿真确定了影响消偏器性能的参数,并对其进行了相关的误差分析。     

计算层析成像光谱技术研究进展

从技术特点和研究热点的角度,综述了近些年来计算层析成像光谱技术的国内外进展,主要包括计算层析成像光谱仪的系统结构改进及与其他技术联用的新集成设计,新器件新设备的研发和应用,仪器定标技术和目标重建算法的优化与改进等;并按照应用范围的特点进行了分类,对在探测波段扩展和应用领域拓展等方面的应用现状进行了总结.介绍了光栅型和旋转棱镜型计算层析成像光谱技术的原理,并展望了计算层析成像光谱技术的发展趋势.     

成像光谱仪同心光学系统的研究

介绍了Offner凸面光栅成像光谱仪和Dyson凹面光栅成像光谱仪两种常用的同心光学系统。Offner凸面光栅成像光谱仪采用全反射的形式,使用光谱范围很宽,加工、装调较为简单,受外界环境影响较小;Dyson凹面光栅成像光谱仪在体积和尺寸上的优势较为明显,易于实现整体结构的小型化。给出了这两种成像光谱仪的具体设计实例,两种光学系统的成像质量均能达到较为理想的结果,其结构畸变均＜0005%,在使用光谱范围内,光谱分辨率均能到达3 nm,具有高质量的光学传递函数。最后,给出了配合成像光谱仪使用的多种前置光学系统的结构形式,并讨论了消除系统杂散光的方法及消除光谱级次重叠的方法。     

红外成像光谱测量中Dyson光学系统的研究进展

传统的红外成像光谱仪难以同时实现弱遥感信号下的高信噪比和仪器小型化的要求,基于Dyson同心光学结构的新型遥感红外成像光谱仪具有数值孔径大、信噪比高、结构简单、体积小、重量轻的优点,用于强背景信号下的微弱红外成像光谱信号测量时,可实现传统的红外成像光谱仪难以实现的高信噪比测量。本文概述了Dyson同心光学结构的产生、发展及最新研究动态,重点介绍了Dyson同心光谱仪的原理、研制过程中的难点以及在高性能遥感红外成像光谱测量中的应用,为高性能红外成像光谱仪的研究提供了参考。     

我国X射线光谱现场分析技术研究进展

X射线光谱现场分析技术是在现场工作条件下对待测目标体中元素进行快速定性和定量分析的仪器分析技术,被广泛应用于一些大型分析仪器和化学分析方法所不能直接应用的领域。该文回顾了近二十年来我国X射线光谱现场分析技术的研究进展。从现场原位分析和现场取样分析两个角度,评述了现场X射线光谱仪的研究进展和主要技术特征;探讨了X射线光谱现场分析数据处理的关键技术问题,概括了X射线仪器谱解析方法的创新性和演变规律;介绍了我国现场X射线光谱分析在地质普查、环境污染调查、文物现场鉴定、合金分析中的重要应用;评价了国际上X射线光谱现场分析仪的研究现状和进展。提出了X射线光谱现场分析技术的研究方向,以期在更多的应用领域得到长足发展。     

空间调制干涉光谱成像仪定标技术研究

根据光谱成像仪对定标内容的要求,结合空间调制干涉光谱成像仪的原理和特点,介绍一种空间调制干涉光谱成像仪实验室与飞行定标方法,利用此方法可以满足空间调制型干涉光谱成像仪的定标要求.     

星载成像光谱仪杂散光检测技术

介绍了星载成像光谱仪杂散光检测技术在国内外的发展状况,阐述了成像光谱仪杂散光的定义、来源和危害,分析了杂散光检测的必要性。通过截止滤光片法、光谱法、谱杂散光系数法、级数透过率法、氧气吸收光谱及参数拟合法、卷积计算法和矩阵修正法等7种光谱仪器杂散光检测方法优缺点的对比,给出了星载成像光谱仪杂散光检测技术的具体要求和发展趋势,认为单一的检测技术很难满足工程研制的实际需要,针对各研制阶段的组合检测技术将是星载成像光谱仪杂光检测的发展方向。     

改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法

像散是目前影响Czerny-Turner结构成像光谱仪空间分辨率最大的像差。首先引入柱面反射镜,利用光焦度衡量像散大小,推导出易于计算的像散校正公式,有效地校正了像散。给出准直镜到光栅距离的计算方法,有效校正了成像光谱仪边缘视场像差。给出了成像光谱仪像面倾角的计算方法,实现了宽波段的像差校正。最终利用上述方法设计了一套用于115～200nm的改进型Czerny-Turner成像光谱仪,焦距f′=48mm,F数为5.0,全视场、全波段调制传递函数(MTF)在0.7以上。全波段光谱分辨率为0.22nm,像面大小为8mm×7mm。设计方法适用于多种结构要求的成像光谱仪。     

Analysis of the lateral displacement and optical path difference in wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer

The mechanism of beam splitting and principle of wide-field-of-view compensation of modified Savart polariscope in the wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer (WPIIS) are analyzed and discussed. Formulas for the lateral displacement and optical path difference (OPD) produced by the modified Savart polariscope are derived by ray-tracing method. The theoretical and practical guidance is thereby provided for the study, design, modulation, experiment and engineering of the polarization interference imaging spectrometers and other birefringent Fourier-transform spectrometers based on Savart polariscopes.     

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.     

干涉成像光谱仪技术的新发展

综述了成像光谱仪的发展过程以及空间调制干涉成像光谱仪技术的新原理、新技术、新发展。对干涉成像光谱技术的原理进行了论述 ,分析了Sagnac型和偏振型干涉成像光谱仪的分光机理和成像原理。提出了未来光谱仪技术的发展方向。