基于氧气A吸收带的baseline拟合距离反演算法

目标红外被动测距的实现同气体及其波段的选取密切相关。氧气A吸收带具有独特的谱线结构,对于火箭羽流或者高温辐射体的距离探测,氧气A吸收带是最佳的距离反演通道。利用该特点,详细研究了逐线积分算法(LBLRTM),并设计了氧气A带吸收系数及标准光谱计算软件;利用A吸收带吸收光谱带外数据,采用多项式拟合方法,实现基线(baseline)拟合,进而得到带平均透过率;在不同的距离条件下,将两种带平均透过率进行对比,误差在1.9%左右,拟合精度较高,该方法为后续距离的精确反演提供了理论依据。     

仪器分辨率对氧气A带被动测距的影响分析

透过率的计算是红外目标被动测距技术的核心,其精度直接影响到被测距离的精度,而仪器分辨率又直接影响到光谱信号的精度。为了研究光谱仪器分辨率对带平均透过率的影响,选用氧气A带为研究对象,采用基线拟合方式计算被测目标的带平均透过率,利用随机Malkmus模型计算被测目标距离,从而获得仪器分辨率对被动测距的影响。为此,搭建了被动测距实验系统,通过对卤素灯光源在不同距离的光谱测量,验证仪器分辨率对带平均模式被动测距的影响。首先,介绍氧气A带透过率的计算方法,计算理论值;以卤素灯为光源,利用光谱仪分别测量相同距离不同分辨率的光谱曲线,计算实测大气透过率,分析光谱分辨率对单谱线的影响;然后,在分析比较透过率模型和实测透过率谱线的基础上,对透过率计算模型进行拟合、校正,验证光谱分辨率对带模型的影响。对于单条谱线,仪器的不同分辨率可测得的谱线区别较大,而对带平均谱线,相同波数点的光谱信号取平均,获得平均效应,使得被测谱线几乎没有变化;分辨率的模型选择需根据不同的应用场合、不同的精度要求选择合适的分辨率。实验结果表明：分辨率对单谱线的透过率影响较大,随着分辨率的降低,被捕获的光谱信息点取值越少,被测目标距离相关系数越小;分辨率对带平均透过率的计算影响较小,不同分辨率下测得的目标距离,几乎重合;而仪器分辨率越高则测量时间越长,当使用带平均透过率计算被测目标距离,在精度要求范围内,可以适当降低仪器分辨率,从而极大地提高测量速度,并达到测量实时性,同时降低系统搭建的成本。该结论可为透过率测量的应用提供依据。     

积分光谱法测量塑料薄膜厚度研究

在谱带朗伯定律概念的基础上,通过分析光束在透过塑料薄膜时光强所发生的变化,提出了谱带积分透过率定义并建立基于谱带积分透过率的薄膜厚度测量模型。采用不同厚度的聚丙烯薄膜作为实验对象,使用光谱仪测量了其光谱透过率。按上述模型拟合了薄膜厚度与谱带积分透过率关系式。使用500K理想黑体,分析了基于此方法研制新型宽谱带塑料薄膜厚度在线检测装置的可行性。实验结果表明：使用积分光谱法可以较高精度的测量塑料薄膜厚度。基于此方法研制的塑料薄膜厚度在线检测装置,有望解决使用双单色光对比法测薄膜厚度时存在的准确性低、通用性差的问题。     

基于FTIR光谱辐射测量分析大气透过率

提出了一种利用FTIR光谱仪进行大气透过率测量的方法。通过黑体对系统的光谱响应进行标定,由两点温度校准得到测量光谱的辐射亮度谱。在一定的距离内实测并分析计算出了CO2红外吸收波段的大气透过率谱。采用非线性最小二乘方法将测量的CO2透过率谱与HITRAN数据库中的光谱拟合得到了干洁大气中的CO2浓度值。实验结果表明,该方法是测量大气透过率和定量分析气体组分的可行性方法。     

基于Elsasser模型的氧气A带红外目标被动测距

被动测距技术结构简单、隐身无源,尤其适用于现代军事目标的探测。发展了基于目标辐射和氧分子光谱吸收衰减特性的近距离单波段被动测距方法。根据Lambert-Beer定律,确定氧气A带透过率与被测目标距离的关系;分析吸收系数随环境参数变化的分布规律,得到被测目标辐射强度分布。根据带平均透过率和高温气体辐射窄带模型计算方法,建立了基于洛伦兹线型的Elsasser模型近距离被动测距数学模型。用实测数据计算透过率与理论模型进行拟合,最终获得被测目标的距离信息,考虑周围环境对氧分子吸收系数的影响,校正测距精度。搭建了测距实验平台,10w黑体做光源,采用分辨率为17 cm-1的光栅光谱仪,光谱输入端采用23 mm口径的望远镜以提高光接收效率,水平方向分别对200 m以内不同距离进行测试。实验结果表明,将测得数据经平滑处理后计算出透过率与相同条件下预测模型的预测值进行比较,精度小于2.18%。     

基于全滤色片匹配方法的滤色片漫入射光谱透过率评价EI北大核心CSCD

为了获得特定的探测器光谱响应,可以采用全滤色片法对滤色片进行精确匹配.在匹配计算时,通常使用滤色片的垂直光谱透过率作为计算依据;而实际应用中斜入射的光线会导致匹配计算结果和测试结果不一致.本文在光线漫入射条件下对圆柱形状滤色片的漫入射光谱透过率计算方法进行了分析,提出了一种由滤色片垂直入射光谱透过率计算滤色片漫入射光谱透过率的修正模型.设计了双积分球测量装置对滤色片的漫入射透过率进行检测.在该装置下检测不同滤色片的漫入射光谱透过率,并与修正模型计算结果进行对比验证.实验结果表明,修正模型可以在较小误差范围内由滤色片的垂直入射光谱透过率计算其漫入射光谱透过率,应用于全滤色片匹配可以显著提高匹配结果和实际测量结果的一致性.     

光纤面板透过率分布检测方法

通过建立光纤面板图像中的透过率与灰度的对应关系,运用数字图像采集、处理技术和面阵CCD成像技术,设计了用于测量光纤面板透过率分布的实验系统。通过实验给出了该系统的测量结果,并验证了该检测方法的可行性。     

从多波段图像中获取大气透过率的测量方法

提出了一种基于单帧多波段图像测量非气体吸收波段和弱气体吸收波段大气透过率的方法,可应用于相关光电工程中评估和修正大气衰减影响.首先,利用经过绝对辐射定标的图像采集设备获得辐射图像;其次,基于大气中图像退化光学模型与暗通道先验统计理论得到辐射图像暗通道对应的宽波段平均大气透过率;最后,结合特定波段消光系数和宽波段平均消光系数间的关系得到特定波段的大气透过率.实验对比分析表明:本文方法与能见度仪、激光雷达测量结果相关性较高,其中与能见度仪相比,相关系数在0.89和0.95之间,与激光雷达相比,相关系数在0.95和0.97之间;在1km近距离条件下与能见度仪、激光雷达测量结果平均相对偏差最高分别为9%和6%,在远距离条件下,与能见度仪测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为15%和30%,与激光雷达测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为9%和18%.     

基于三维射线追踪和HITRAN数据库的透过率仿真计算

星光掩星技术中,利用三维射线追踪方法模拟从地面到110 km高度红外辐射在大气中传输的路线。其中,设置频率为3.95×10~(14) Hz,地球形状为椭球状,模型为中性大气,且已知在地固系中目标恒星的三维位置坐标和低轨卫星轨道数据。再利用HITRAN数据库中高分辨率的氧分子吸收线参数,包括吸收线强度、低能态能量等,以天狼星的红外光谱作为原始的接收光谱,即去除地球大气的吸收散射等的作用,光谱能量随着波长的增大而降低,计算接收光谱在近红外氧气分子吸收A带(755～774 nm)的透过率。考虑到仪器小型化,选择氧气的特征吸收谱线760和762 nm,计算两谱线位置的大气透过率随高度的变化,并通过透过率计算接收光谱的信噪比,进行仪器设计的指导。另外,由于大气折射作用,必须将所得透过率进行折射修正。通过仿真计算可知:利用近红外波段755～774 nm,计算了80, 100和110 km三个高度的大气透过率,其随高度的逐渐增高而趋近于1。相比0.2 nm光谱分辨率, 0.1 nm分辨率条件下大气透过率的变化范围更大,为0.28～1,在110 km透过率为0.987,且探测的精确度可小一位。折射引起的透过率在60 km以上等于1,因此60 km以上可以忽略大气折射对大气透过率的影响,无需进行折射修正。利用760和762 nm的特征吸收线,得到光强度信噪比均大于100,且当分辨率为0.1 nm时,光强度信噪比的值更小,说明氧气对光谱的吸收作用更强。两种分辨率条件下所得相邻两高度的光子数变化量差别不大且大于1。最后,根据以上结果,可确定望远镜、 CCD、光谱分辨率、积分时间等参数,用以研究和测试星光掩星的反演算法,形成探测氧气从地面到110 km高度数密度变化的小型化仪器,也可预先分析探测误差等。     

利用恒星辐射测量整层大气透过率的多目标星定标

 介绍了整层大气透过率测量仪及其测量原理和Langley-Plot定标方法,提出了基于恒星整层大气透过率仪测量大气透过率的多目标星定标方法,并分别进行了K,A光谱类型恒星定标试验,得到了基于K,A两种光谱类型恒星辐射的定标值。对多目标星定标方法与单颗恒星的Langley-Plot定标方法进行了对比实验,验证了多目标星定标方法的合理性与准确性。当实时测量同类型的恒星辐射整层大气透过率时,就可以根据对应的定标参数进行测量研究。     

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.     

复合/单色光源检测红宝石吸收谱线的差异及分析

本文采用微型光纤光谱仪和复合光源联用的方式对红宝石样品进行了透过率光谱测试,并与紫外―可见光分光光度计测得的透过率光谱进行对比,发现红宝石透过率光谱在694nm主峰存在差异,并针对这一差异现象进行了荧光光谱实验。实验表明,复合光源中321nm～691nm波长的激发光可有效诱导红宝石产生以694nm为主峰的荧光,红宝石694nm处透过率光谱的形态由694nm光谱的发射与吸收程度共同决定。因此,采用复合光源的检测方式可得到与单色光检测方式不同的透过率光谱形态。本文对两种仪器的测量过程和其所用光源进行了对比分析,说明了光源能量分布对宝石光谱鉴定的影响,结果能够促进对宝石紫外可见吸收光谱鉴定的认识和改进。     

背景辐射对被动测距精度影响分析及实验研究

为了分析背景辐射对基于氧气吸收被动测距精度的影响, 利用高光谱成像光谱仪作为测量设备, 卤钨灯作为目标, 进行了实验研究.首先, 介绍了基于氧气吸收被动测距技术的基本原理; 接着, 利用高光谱成像仪采集了夜间不同距离下的卤钨灯目标光谱分布, 根据氧气吸收被动测距原理, 计算了目标的氧气吸收率, 建立了氧气吸收率与路径关系的模型; 然后采集并计算了晴天2360 m处目标在不同时刻下的氧气吸收率分布, 根据所建模型, 利用白天测得的氧气吸收率数据解算距离并分析测距误差, 最终获得背景辐射对被动测距误差的影响.结果表明: 依据所建立的模型, 白天测距误差最大6.74%, 并且随着太阳高度角变小, 所处背景变暗, 误差逐渐变小, 到夜间时最小相对误差仅1.10%, 可达到较高测距精度.     

一个新的氧吸收法被动测距公式

基于氧气A吸收带的被动测距技术已成为单站被动测距领域最具活力的研究课题之一,但是由于氧气吸收饱和区的存在,限制了被动测距的最大可达范围。采用具有1 cm–1分辨率的Modtran软件进行了分光谱透射率计算,通过数据建模获得了基于目标天顶角和平均氧气吸收率的被动测距公式。该公式避免了氧气吸收率曲线的饱和区,使得氧吸收法的有效距离估计范围可延伸到50 km。此外,该公式还有对吸收率测量误差不敏感的特性,例如,在零海拔处传感器最小可检测的吸收率Aˉ=10-2的偏差,所能产生的距离偏差不超过50 m。该结论有望突破绝大多数氧吸收法被动测距实验局限于较近距离的现状,促进其实际应用。     

C_2O分子2.7μ带谱带模型参数和光谱发射率的计算

本文在简化考虑Fermi共振的基础上。研究了CO_2分子2.7μ组合带谱带模型参数的计算方法,给出了平均吸收系数和谱线密度间隔的系统的数据。在计算中,对低温和高温两种情况分别采用不同的计算方法,为了检验数据的可靠性,使用文中所提供的数据用谱带模型理论计算了2.7μ带在某些光学路径下光谱透过率和发射率,并将它们与实验测量结果相比较,两者符合得很好。     

压片法测试纳米氧化铝的红外消光特性

溴化钾压片法研究了6个厂家生产的13种α型和γ型纳米氧化铝的红外消光特性,给出晶型、平均粒度和比表面积等表征数据,计算机分类绘制了α型和γ型纳米氧化铝的红外透过光谱,光谱带积分计算出了3-5和8-14微米两个红外窗口内的红外光平均透过率。测试结果的分析对比表明,纳米氧化铝对红外光具有良好的吸收特性,γ型纳米氧化铝的红外平均透过率普遍小于α型,比表面积越大的纳米氧化铝红外光的平均透过率越小,经过改性处理的纳米氧化铝在远红外波段红外消光作用得到显著增强。     

单目多光谱氧气吸收被动测距系统光谱通道参数分析

为消除测距光谱通道位置和数量选取对氧气吸收衰减被动测距技术测距精度的影响,基于氧气吸收衰减被动测距技术的基本原理,分析氧气A、B吸收带光谱谱线特性。对于吸收带带肩上的光谱通道,利用蒙特卡罗法,以拟合非吸收基线与理想基线的误差平方和与相关度为指标,分析光谱通道位置和数量及拟合多项式级次对非吸收基线拟合精度的影响。对于吸收带带内光谱通道,分析不同光谱通道处吸收率大小对测距距离和测距精度的影响。结果表明:在综合考虑系统实时性和测距精度要求的情况下,A吸收带两带肩上光谱通道各为1个,B吸收带单带肩上光谱通道为2个,位置均宜选择在各带肩靠近吸收带一端;吸收带内光谱通道可根据测距任务中对测程和测距精度的要求灵活选择其数量和位置。因此,在无法一次性获取测距波段完整光谱曲线的情况下,单目多光谱被动测距系统采用较少的光谱通道和最简单的直线拟合方法,不仅可以保证系统的测距精度,而且能够减少滤波片更替和软件计算的时间周期,进而增强系统数据采集和解算的实时性。     

线性渐变滤光片光谱特征参数测试方法

为了能够精确地测量线性渐变滤光片的光谱特征参数,提出一种线性渐变滤光片的透过率检测方法.该方法在测量时,用光谱仪分别采集滤光前和滤光后的光信号,计算得到测量点的光谱透过率.调节微动位移平台,对滤光片样品进行多点扫描测量,数据处理后,得到线性渐变滤光片的光谱特征参数.推导了测试光谱透过率的理论公式,仿真结果表明该方法的测量精度随着线性色散系数的增大而减小,在线性色散系数小于1.5nm·mm-1时,该方法测量的中心透过率和带宽的误差小于0.4%.根据该测量方法设计了相应的检测系统,实际测量了线性渐变滤光片的光谱特征参数.     

利用消光起伏信号测量颗粒平均粒径

窄光束照射流动颗粒系时,透过率会产生起伏.起伏的透过率信号可用来测量颗粒平均粒径和浓度.由于在测量原理和结构上非常简单,这种方法可用来实现在线、实时测量.Gregory提出的数据处理模型要求光束直径较小而且远大于颗粒直径,本文提出一种新的模型,可在光束直径接近甚至小于颗粒直径情况下对透过率起伏信号进行处理,模拟分析和实验测试表明,该方法可得到较满意的测量结果.     

透明管径及管厚的CCD成像在线测量方法

应用光线透过透明管径的折射规律,提出线阵CCD成像在线测量透明管状外径及壁厚的新方法。该方法用计算机进行模拟导出了数理模型。实验证明了这一方法的可行性,为透明管状产品的批量生产、高速、动态、非接触实时在线测量提供了一条新的技术途径。