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532nm固体激光器和632.8nm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632.67nm,其准确度优于单色仪波长扫描法测得的531.39和631.97nm。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。     

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200～840nm波段内波长精度±0.016nm,则空间遥感光谱仪的波长精度达到±0.050nm的置信度为99.82%。     

光谱成像仪快速光谱定标方法研究

光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程,为了获取光谱辐亮度,通常需要对光谱仪器进行辐射定标,将光谱仪器输出的数值,映射为物理量——辐亮度。不同的光谱仪器的光谱响应不同,因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的,需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。自第一台成像光谱仪诞生以来,其定标方法逐渐固定,通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标,其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽,可以将准单色光抽象为脉冲函数。根据脉冲函数的特性,改变准单色光的波长,扫描光谱成像仪的响应波长范围,是对光谱响应函数进行间隔采样的过程,通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。随着技术的发展,探测器的灵敏度越来越高,光谱成像仪的分辨率也越来越高,为了完成光谱定标,对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。然而准单色光的带宽越窄,其能量越低,获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间,使定标的效率降低。从光谱定标的目的出发,结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点,通过理论分析,提出一种利用宽带定标光进行光谱定标的方法,可以有效减少光谱定标的步骤,提高定标的效率,适用于光谱成像仪的快速定标。该方法用于某星载高光谱成像仪的光谱定标,待标定光谱成像仪采用棱镜分光,具有色散非线性的特点,光谱分辨率在2~18 nm之间变化,同时存在较大的谱线弯曲,导致每个像元的中心波长都不同,需要对每个像元进行光谱定标。为了避免分视场定标导致的相邻视场中心波长不连续现象,将单色仪发出的准单色光的光斑照亮整个狭缝,狭缝和单色仪之间放置柱透镜和毛玻璃,其中柱透镜用于汇聚垂直于狭缝方向的光线,提高能量利用率;毛玻璃用于匀化光照,毛玻璃的存在极大地减弱了进入光谱成像仪的能量,结合提出的方法,增加定标光的带宽,提高能量,最终完成了该光谱成像仪的快速定标,利用汞灯的特征光谱验证该成像光谱仪的光谱定标精度为0.23 nm。     

宽谱段高分辨扫描光谱定标技术

为了满足原子发射光谱仪在紫外至近红外宽谱段范围内的高光谱分辨率快速检测需求,采用精密角位移平台直接驱动光栅,配合面阵探测器,实现高精度光谱分段快速扫描探测。但在扫描过程中,探测器像元波长增量与光栅转角呈非线性关系,且不同像元的波长增量不同,这对该光谱仪波长定标造成障碍。为校正光栅色散的非线性,基于光栅方程精确计算光栅转角与探测器首尾两端像元波长的映射关系,针对同一光栅转角,探测器其余像元波长利用首尾像元波长按照局部线性色散规律计算得到,从而完成全谱段光谱定标。依据定标所得转角与探测波段对应关系依次驱动光栅转动,实现宽谱段范围内的分段高精度光谱快速扫描探测。利用汞灯光源对该定标方法的波长检测精度进行检验,在200~800 nm的宽谱段范围内,波长准确度优于0.018 nm,波长重复性优于0.001 nm。     

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。     

高稳定度可见/短波红外在轨相对定标监测系统关键技术研究

针对高稳定度遥感器在轨相对定标监测系统关键技术进行研究,阐述了工作原理和关键技术。研制了基于可见/短波红外双波段陷阱结构的高稳定度定标探测器组件,通过选择高灵敏度单元可见和短波红外光电探测器,一方面使探测器组件工作在线性更好、暗电流更低的零偏置光伏电路模式,另一方面使探测器组合成为复合型陷阱光机探测模式,并在模拟前放电路和数据采集环节进行了关键参数设计,完成了星载定标辐射源输出辐射的高稳定度相对定标监测系统设计。通过实验室内积分球以及国家计量技术机构提供的标准灯的辐射测试结果表明,系统获取的码值相对标准方差达到0.030%~0.046%(可见通道)和0.040%~0.059%(短波红外通道),实现了相对定标系统的高稳定度监测,为未来遥感器在轨相对定标提供一种优良的解决方案。     

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。     

基于自由曲面的紧凑型宽波段成像光谱仪设计

针对基于传统光学元件的成像光谱仪,在实现大视场与宽波段的同时难以满足结构紧凑的问题,在Offner成像光谱仪的第三反射镜引入圆锥曲面叠加条纹泽尼克多项式表征的自由曲面。基于矢量像差理论,分析了四阶以下的泽尼克多项式在系统中引入的像散与系统视场、波长的关系,通过选取合理的多项式叠加到圆锥曲面,设计了一款工作于可见光到短波红外波段（400～2500 nm）、体积仅42 mm×82 mm×100 mm的成像光谱仪。系统实现了双波段探测,来自两个不同宽度狭缝的光线经光栅分光后,通过分束器将工作波段分为可见近红外（400～1000 nm）和短波红外（1000～2500 nm）,优化设计结果表明,光谱分辨率分别为2.8 nm和4 nm,成像质量良好,为实现宽波段紧凑型成像光谱仪的设计提供了理论参考。     

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400~800nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1nm,波长重复性达±0.096 6nm,波长准确度达±0.096 9nm。     

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0.40nm,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0.08nm(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0.96nm,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。     

近紫外到近红外光谱辐射计及定标方法研究

为实现目标光谱辐射亮度的高精度测量，研制了一种小视场近紫外到近红外光谱辐射计，光谱范围为300 nm~2 000 nm，光谱辐射亮度测量范围为50μW/cm2·nm·sr~1 000μW/cm2·nm·sr。阐述了近紫外到近红外光谱辐射计设计原理及关键部件，使用基于钨带灯的直接定标法实现了光谱辐射计光谱辐射亮度绝对定标，测量了标准积分球光源的光谱辐射亮度，测量值与积分球光源标准值偏差优于0.5%。     

宽波段太阳辐照度仪光谱定标方法研究

宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光,利用线阵CCD反馈控制光谱扫描,波长覆盖范围为400~2 500nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标,在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描,得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程,实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较,分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5nm.用定标好的仪器进行室外测量,将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对,可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比,显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

AOTF在光谱分析中的应用研究——3.AOTF在原子发射光谱分析中的应用

本文报道了一台以声光可调滤光器(AOTF)为分光元件的自装ICP原子发射光谱仪.其硬件及软件系统均为自行设计.采用的TeO2晶体为Brimrose TEAF5-0.36-0.52-S.波长校正采用了Ca,Y,Li,Eu,Sr和Ba等六个元素的十四条谱线,经十次拟合后波长值误差小于0.1 nm.不同PMT电压下测定的峰值偏差小于0.04 nm.Ba,Y,Eu,Sc和Sr等五个元素的校正曲线平均相关系数为0.999 1,检出限在0.051～0.97 μg*mL-1范围. 在488 nm处半峰高宽度约为2.1 nm,如不采取增强分辨率的措施,该仪器在原子发射光谱分析中的应用有一定的局限性.     

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前，气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈，已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求，具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下，为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题，开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法，首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构，具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点，尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适，在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小，不同波长通道的带宽基本一致，使用25 μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm，像素采样间隔小于0.5 nm。对于太阳辐射观测来讲，这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次，在观测数据的基础上，阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集，将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI)，法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量，阐述了基于GHI，DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中，GHI是地表实际辐照度水平，适用于太阳能资源评估；DHI反映大气和云态；DNI作为直接透射形式，可用于计算日照时数和分析大气参量。并且，进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比，太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出，不同波长之间的辐射能量变化显著，而这些变化与大气变化密切相关。因此，太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息，更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道，利用特征波长维度的辐射信息，可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计，可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据，提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究；同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。     

大气/真空环境紫外臭氧垂直探测仪光谱辐照度定标研究

为进一步提高紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在轨探测及数据反演精度,提出了SBUS地面定标的一系列改进方案,其中为实现地面定标与在轨工作环境一致的全波段真空辐射定标是改进的第一项。通过构建SBUS大气/真空光谱辐照度响应度比对测试装置,实测了两种环境下SBUS整机对同一光源的光谱辐照度响应。结果显示,在250～300nm波段,真空/大气相对偏差约0.8%;在300～400nm波段,真空/大气比对结果随波长变化,最大偏差略高于15%。而仪器250～400nm波段定标环境引入的单项不确定度,真空定标比以往大气定标减小了1.8%。理论分析及实验验证后发现SBUS反射元件Al+MgF2膜层在真空/大气下光谱反射率会发生变化,从而证实了SBUS在真空环境下定标的必要性。     

单色仪波长定标中狭缝设置的影响分析

单色仪作为一种分光仪器，在传感器的辐射定标等方面具有重要应用。在实际应用过程中，其波长和带宽的设置对传感器的精确定标具有重要影响。使用低压汞灯作为波长标准光源，通过对其特征谱线扫描的方法，研究了传感器定标过程中，设置单色仪不同的狭缝宽度，对传感器精确定标具有重要影响。结果显示，当出射入射狭缝相同，同时改变其宽度的情况下，与典型校准状态(出射入射狭缝宽度设置为0.5 mm)相比，波长偏差量达到0.17 nm；当入射狭缝与出射狭缝不一致时，与典型校准状态相比，波长偏差量达到0.18 nm；当光源未充满入射狭缝与充满入射狭缝相比，最大误差达到0.02 nm，该影响几乎可以忽略。在相关的传感器光谱辐射定标实验研究中，单色仪的定标精度和准确性评估等方面具有重要应用。     

地物光谱仪测量中的温湿度影响

地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要,可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性,从而获得地表的光谱辐射亮度、光谱辐射照度或方向反射因子等信息。地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础,对于航天传感器定标、遥感数据反演等具有极其重要的意义。地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标,一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移,另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大,都会影响测量的准确性。在恒温恒湿条件下,实验采用谱线灯光源和积分球光源考察了地物光谱仪波长和光谱响应度随探测器温度的变化。数据显示当光谱仪内部硅阵列探测器温度上升时,波长位置并未发生改变;而光谱仪的光谱响应度随着温度上升明显增大。当硅探测器温度从28.3 ℃升至35.2 ℃时,光谱仪在380～990 nm的光谱响应度变化达到1.8%～7.3%;同时近红外1 000～1 800 nm的平均变化约3.0%,2 000～2 500 nm的变化约1.9%。当改变环境温度和湿度时,测量数据表明湿度影响主要在大气中水分子的吸收峰附近波长,对其他波长影响很小;光谱仪光谱响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应关系,环境温度的影响可以近似根据内部探测器温度变化予以表征。理论上当环境条件改变时,根据光谱响应度随温度的变化和探测器的监测温度,可以进行光谱数据修正。最后,实验测量了一组探测器温度下对应的光谱响应度,采用多项式拟合和最小二乘法建立了地物光谱仪光谱响应度与温度的函数关系。根据函数关系插值得到的光谱响应度修正因子和直接测量得到的数据基本一致,全谱段的差异几乎都小于0.2%,表明光谱响应度与温度的对应关系可用于解决不同环境条件下的测量准确性。     

Ultrahigh infrared normal spectral emissivity of microstructured silicon coating Au film

We studied infrared normal spectral emissivity on quasi-periodic microstructured silicon, which was prepared by femtosecond laser irradiation in SF6 ambient gas, coated with 100 nm thick Au thin film. The observed emissivity is higher than any reported previously for a flat material with a thickness of less than 0.5 mm, at a temperature range of 200 °C to 400 °C. The emissivity over the measured wavelength region increases with temperature and the spike height. These results show the potential to be used as a flat blackbody source or for applications in infrared thermal sensor, detector, and stealth military technology.