用于气体检测的近红外半导体激光器温控系统

为了降低软件设计复杂度并提高分布反馈激光器发光波长的控制准确度及稳定性,设计了一种用于气体检测的半导体激光器温度控制系统,它由数字信号处理器、温度设定电路、温度采集电路、模拟比例-积分-微分电路、半导体制冷器控制电路等模块构成.利用该系统对用于水汽检测、中心波长为1 860nm的可调谐分布反馈激光器做了驱动实验,结果表明:该系统的有效控温范围为10℃~50℃,控温准确度为±0.05℃,温度稳定时间小于60s;改变温控系统的驱动电流和设定温度,测得的激光器工作波长呈现出良好的调谐特性;连续4天测得的4条光谱曲线几乎重合,表明该系统具有良好的稳定性.     

基于Offner中继结构的机载棱镜色散成像光谱仪系统设计

考虑到机载遥感平台对成像光谱仪小型化、轻量化要求的逐渐提高,在分析了主要几种成像光谱仪特点的基础上,重点阐述了技术成熟度较高的光栅色散和棱镜色散型成像光谱仪,研究了基于Offner中继成像结构的紧凑型成像光谱系统。结合Offner同心光学系统成像特点,在给定系统指标的情况下,设计出了两种在发散和会聚光束中使用色散元件的全球面光谱系统,给出了系统的调制传递函数、点列图以及系统谱线弯曲、色畸变曲线。结果表明,两种结构的Offner成像光谱仪,实现了遥感仪器小型化的目的,具有接近衍射极限的优良成像性质。同时,很好地控制了系统的谱线弯曲和色畸变,保证了获取光谱数据的一致性。     

静止轨道星载差分吸收光谱仪CCD成像系统设计

静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测,针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10min、高分辨率模式下探测周期小于1h的要求,进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器,设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式,并合理设置了帧叠加数和像元合并数,达到优化成像周期的目的.1s曝光时间条件下,该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515s和3 315s,图像信噪比均大于1 000,污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求,为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.     

机载光纤式成像差分吸收光谱仪测量区域大气污染应用研究

我国大气污染呈现出区域性和复杂性等特性,开展污染气体区域分布的立体监测,能够及时了解大气环境现状、研究分析影响大气质量的各种因素,指导大气污染控制措施。机载成像差分吸收光谱仪,是目前有效的污染气体区域分布遥感手段之一。该技术观测区域大,覆盖率高,最终可提供精细化的污染气体区域分布资料,实现污染分布及传输的可视化探测。以往机载成像差分吸收光谱仪采用整体式设计,需要占用飞机光学观察窗口,航空搭载需求苛刻、应用受限。为此提出了光纤式机载成像差分吸收光谱仪,采用光纤束传输方式,安装过程中对飞机改装需求小,极大的便利了机上安装和调试,适应了适航设备认证需求。该系统采用特制多芯光纤束结合Littow-offner结构光谱成像系统,具有光谱成像分辨率高、大视场、结构紧凑等优点。在此详细介绍了该设备性能参数,并利用该系统在芜湖市周边开展了区域污染遥感应用。应用过程中,针对光纤式成像差分吸收光谱仪,提出了数据处理算法。对采集到的太阳散射光谱进行反演得到污染气体的斜柱浓度,并利用大气传输模型计算大气质量因子,实现垂直柱浓度转化。最后结合飞机姿态位置信息,快速获取了芜湖市区及其周边上空的NO₂     

星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学设计

研究星载宽视场差分吸收成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据宽覆盖轻小型星载大气痕量气体差分吸收成像光谱仪的研究目标,采用偏轴两镜系统和中继系统匹配的结构型式设计出无遮拦宽视场望远系统,将宽视场望远系统和Offner光谱成像系统匹配,设计了一个视场60°×0.24°、相对孔径1/3、工作波段280~450 nm的星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件Zemax-EE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半径的均方根(RMS)值均小于5 mm,光谱分辨率0.692 nm,满足不大于1 nm的指标要求,差分吸收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0.67以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

大功率半导体激光器温度控制技术研究

介绍了半导体激光器温度控制器的结构组成,给出了控制流过TEC电流幅度、方向和最大值的方法,利用PID实现精确温度控制。实验结果表明,控制的温度范围可达-15～＋60℃,温度稳定性为0．02℃。     

超光谱成像差分吸收光谱技术研究

基于散射光的被动差分吸收(DOAS)技术利用气体的特性吸收谱线可实现对不同大气污染气体的定量测量,介绍了一种基于成像光谱仪的光学遥感系统,该系统运用被动DOAS原理实现了对大气污染气体的二维成像测量,并报道了该系统对实验室样品池一维测量与城市道路上方NO₂组分的成像测量实验. 基于成像光谱仪的被动DOAS系统利用太阳散射光可获取垂直方向一维的光谱信息,结合扫描装置,便可实现对污染气体的二维成像解析. 关键词： 被动差分吸收光谱 成像光谱仪 污染气体 二维成像     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计与分析

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜,成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600lines/mm变间距光栅,与超环面等间距光栅相比,具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0nm,可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″,空间分辨率达到0.8arc second/pixel,光谱分辨率约为0.001 98nm/pixel,总长度不超过2.5m.计算了望远系统的理论有效面积,给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲,均满足实际应用要求.     

基于二元光学的红外成像光谱仪离轴系统设计

对Lyons采用二元光学元件的红外成像光谱仪的设计理论进行了分析，为消除其二元光学元件作为透射式成像元件导致的焦距随波长的变化而变化的缺陷.提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案，并从军事目标的红外热探测的基本要求出发，给出了具体的设计实例.设计结果表明，系统具有设计精巧、结构简单、光能接收率高、消像差特性好、对材料的要求低以及满意的红外焦平面凝视阵列探测器的配准精度和探测精度.     

干涉成像光谱仪光通量的计算与分析

论述了干涉成像光谱技术的工作原理,采用光线追迹的方法对基于Sagnac棱镜和Savart偏光镜的干涉仪中的光线传播规律进行了分析,推导出了无狭缝式干涉成像光谱仪光通量的精确理论计算公式,并对干涉成像光谱仪中具有代表性的Savart型偏振干涉成像光谱仪光通量和改型Sagnac成像光谱仪光通量进行了分析比较.通过计算机模拟给出了系统光通量随入射角和波长变化的关系曲线.该研究对干涉成像光谱仪的研究和工程化研制具有重要的指导意义. 关键词： 干涉成像光谱仪 光通量 透射比     

嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪时序设计

介绍了基于Actel反熔丝FPGA的嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪时序控制模块设计.概述了时序控制模块的功能要求,详细描述了时序控制模块外部时序接口和内部时序接口,给出了时序控制模块设计的参量配置、逻辑结构和简要结果.各项地面试验和一年的在轨飞行结果表明该设计合理可靠.     

基于超表面的多光谱成像系统设计

超表面是一种人工制造的亚波长结构阵列平面,重量轻,易集成,可实现多种功能,被广泛应用于诸多领域。传统光谱成像系统依赖于色散元件及光程累积相位差实现不同波长的色散与聚焦,无法满足系统集成化需求。不同于传统光学元件依赖电磁波在介质中传播累积相位差,超表面依靠界面相位变化来进行相位调控,可实现十分轻薄的光学系统。研究传输相位型超表面,使用时域有限差分算法(FDTD算法)优化单元结构。将超表面引入光谱成像系统中,通过优化亚波长结构尺寸,进行结构排布,开展超表面光谱成像系统研究,实现多波长色散与聚焦独立调控。利用该方法,扫描不同单元结构参数对相位的影响,依照聚焦的相位分布针对不同波长设计对应的位相分布,仿真实现了一个波段范围为510～720 nm,焦距为2 mm,谱段数为八个的超表面多光谱成像系统。通过电磁仿真软件FDTD solutions和数据处理软件计算全模结构电场的远场分布,并分析了系统的成像性能。相比于传统光栅或棱镜分光结构,超表面光谱成像系统可有效减小系统体积,其超轻、超薄、便携特点解决了现有光谱成像系统的应用局限性,为小型化、轻量化光谱成像系统的研制提供了一种新的解决方案。     

使用背照减薄型CCD的色散型超光谱成像光谱仪中近红外波段干涉条纹现象的研究与校正

使用背照减薄型CCD器件的色散型超光谱成像光谱仪在近红外波段会出现条带状干涉条纹,严重影响其在近红外波段附近的光谱分辨率。为解决该现象,建立了类似于法布里-珀罗干涉仪的多光束干涉模型,估算出700~900 nm范围内干涉条纹的强度分布并以实测数据对该模型进行了验证,分析了CCD光敏区厚度和干涉现象之间的关系。在此基础上,采用包括频域滤波在内的改进的平场校正算法,对干涉条纹的图像进行了校正,在751.83～1 010.04 nm的范围内,校正效率达到96.6%,试验结果表明,该算法可有效的消除超光谱成像光谱仪近红外波段上的干涉条纹现象,提高光谱分辨率。     

PGP成像光谱仪的全视场自动化光谱定标方法

为了对PGP成像光谱仪所获得的光谱数据进行定量化分析,需对PGP成像光谱仪进行光谱定标,以获得各光谱通道的中心波长、光谱分辨率及成像光谱仪的光谱弯曲等光谱特性信息。采用单色准直光法设计了一套全视场自动化的光谱定标系统,系统中引入球面镜为待测的成像光谱仪光谱定标提供准直光,通过可自动控制的折转镜改变定标入射光线的入射角,以此实现待测成像光谱仪空间维不同视场的自动化光谱定标。运用该定标系统对PGP成像光谱仪进行光谱定标实验,得到该成像光谱仪的光谱性能参数,并结合定标系统的结构特点,对实验的结果进行了精度分析。实验分析结果表明该系统对PGP成像光谱仪的中心波长定标精度达到0.1 nm,光谱分辨率定标精度达到1.3%。该研究设计的全视场自动化光谱定标系统具有结构新颖紧凑、通用性较强、光谱定标精度较高等特点,且由于自动化的控制,避免了由于人为参与定标过程所带来的额外误差。该系统可用于实现PGP成像光谱仪及其他同类型成像光谱仪的光谱定标。     

基于Dyson同心系统的光线折叠式成像光谱仪优化设计

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、孔径高、结构简单紧凑的优点,同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面,且物点和像点之间距离非常小。现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。为了解决实际中物点和探测器的安置问题,对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计,通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。结果表明：改进后的光学系统由于成像光束发生折叠,物面和像面成功分离,且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。     

Modeling of the Temporally and Spatially Modulated Fourier Transform Imaging Spectrometer working in orbit

Temporally and Spatially Modulated Fourier Transform Imaging Spectrometer (TSMFTIS) is a new kind of imaging spectrometer and is applicable in remote sensing. Compared with Temporally Modulated Imaging Interferometer and Spatially Modulated Imaging Interferometer, it employs immovable parts and abandons slit. Based on the analysis of its physical theory, optical principle, data gathering and processing, the mathematical model of the TSMFTIS working in orbit is proposed in this paper. The model is comprised of different function blocks, such as fore-optics, interferometer and so on. For simulation, a big remote sensing image is utilized as ground scene, and a conversion which is similar to color mode conversion from RGB to Lab is made to produce artificial spectra of various ground objects. At last, a validation experiment is performed with real-world spectra of four pieces of colorful cloths by using a commercially available spectrometer.     

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。