空间目标表面材料光谱双向反射分布函数测量与建模

介绍了双向反射分布函数（BRDF）的绝对测量原理和方法,选用光谱分辨率为3 nm的光谱辐射度计及精度为001°的三维转角系统,搭建了BRDF自动测量平台,对空间目标表面包覆材料在400—2500 nm的光谱BRDF进行了测量.结果表明,BRDF曲线极大值所对应的散射角度一般在镜反射方向左右,其余BRDF值随散射角变化很平缓,从中间向两边逐渐变小,近似成余弦分布.测量误差为495%.应用模拟退火算法,结合BRDF五参量统计模型,获得了测量光谱范围内各波长对应的共2101组五参量值,通过对比参量计算结果和 关键词： 双向反射分布函数 绝对测量 误差分析 参量模型     

宽光谱棱镜型太阳光谱仪设计

为实现大气层外太阳光谱辐照度(SSI)变化的长期例行监测,设计了一种星载宽光谱太阳光谱仪结构。全系统仅使用单片折反式曲面棱镜实现太阳光谱250～2500 nm的分光,并通过棱镜转动实现谱平面上多探测器的同步扫描探测;同时基于Huygens子波点扩展函数（PSF）仿真了光谱仪的光谱响应函数（SRF）和光谱分辨率。分光棱镜在±2.5°扫描转角内的全谱段子午像差小于8μm;光谱分辨率在紫外谱段(250～400 nm)为0.7～3.5 nm,可见/近红外谱段(400～1000 nm)为3.5～35.0 nm,短波红外谱段(1000～2500 nm)内为28.5～41.2 nm。整个系统结构简单紧凑,性能稳定可靠,分光和像差校正能力满足大气层外太阳光谱辐照度长期监测需求。     

太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪

为满足高精度太阳光谱辐照度绝对测量的需求,研制了太阳光谱辐照度绝对测量系统及其定标单色仪。介绍了太阳光谱辐照度绝对测量的现状,并着重介绍了太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪的设计方案,以及高精度辐射定标传递链路。设计用于太阳光谱辐照度绝对测量的太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪,通过低温绝对辐射计和太阳定标单色仪实现绝对定标,使积分球太阳光谱仪测量数据可溯源至国际基本单位(SI)。结果表明:太阳定标单色仪的光谱范围覆盖300~2 400 nm,光谱分辨率为3~10 nm,输出单色太阳光功率的不确定度为0.2%~0.5%;积分球太阳光谱仪的光谱范围覆盖300~2 500 nm,光谱分辨率为1~8 nm,太阳光谱辐照度绝对测量精度最高可达0.5%。用低温绝对辐射计和太阳定标单色仪绝对定标积分球太阳光谱仪,可以实现高精度太阳光谱辐照度的绝对测量。     

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。     

静止轨道高光谱海洋水色仪光学系统设计

设计了由超大口径前置望远系统和超大视场光谱仪组成的超大口径高光谱海洋水色仪.前置望远系统采用同轴三反光学系统结构,口径为4 m,视场为0.64°,焦距为21.6 m,波段范围为400~1 000nm.超大视场光谱仪采用改进的Offner结构,视场为240mm,光谱分辨率为10nm.探测器像元尺寸为15μm×15μm,4片探测器交错拼接实现400km幅宽.超大视场光谱仪在400~1 000nm的宽波段内,点列图半径的均方根值均小于3.9μm,静止轨道高光谱海洋水色仪全系统不同波长的MTF在33.3lp/mm处大于0.52,各项指标均满足应用要求.     

星载多模式差分吸收高光谱成像仪光学设计

星载多模式差分吸收高光谱成像仪是一种新型空间大气探测仪器,要求同时具有天底、临边和掩日等多模式探测功能,主要用于二氧化硫、二氧化氮等大气痕量气体探测。提出了利用两个扫描镜切换不同探测模式、利用双光谱仪减小系统的光谱杂光,利用分色片将工作波段分成3个通道实现多模式高光谱分辨率探测的新方法,设计了一个多模式差分吸收高光谱成像仪光学系统,瞬时视场为1.8°×0.04°,系统F数为2,工作波段为250~500nm,分成250~310nm、300~410nm和400~500nm 3个通道。利用ZEMAX-EE软件进行优化设计和分析,其中250~310nm通道,光谱分辨率为0.12nm,满足光谱分辨率不大于0.4nm的指标要求;300~410nm和400~500nm通道,光谱分辨率分别为0.25nm和0.23nm,满足光谱分辨率不大于0.6nm的指标要求。多模式差分吸收高光谱成像仪在空间维方向的调制传递函数(MTF)在特征频率0.25lp/mm处达到0.98以上,能够满足空间多模式差分吸收高光谱大气探测的要求。     

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。     

共轴PGP型光谱仪的玻璃选择与优化

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。     

宽谱段成像光栅光谱仪消偏器的设计

随着宽谱段高分辨率光谱仪在海洋空间遥感领域的广泛应用,其前置消偏器的设计要求越来越高。为满足成像光谱仪的要求,利用矩阵光学的原理,对应用最为广泛的Lyot消偏器,从残余偏振度的公式出发,对其与晶体楔角和厚度的关系进行数值分析,结合残余偏振度和光学系统分辨率的要求提出了用于宽谱段光谱仪消偏器参数的设计方法。运用该设计方法对400~950nm宽谱段成像光栅光谱仪消偏器进行设计,在全波段范围内,光谱分辨率为4nm时,对任意偏振态的线偏光,消偏器的出射光的残余偏振度均小于2%。     

双激发波长拉曼光谱仪的双光路集成设计北大核心CSCD

为了提高高端探测器的利用率与增强拉曼光谱仪同时对不同物质检测的适用性,将多个波长激发的拉曼光谱仪集成设计成为一个光谱仪,将具有重要的应用价值。提出了一种基于CT结构双波长(532nm和785nm)激发的双通道拉曼光谱仪设计方法。所采用的这种设计方法基于探测器的工作特点为实现双光路结构同时工作创造了条件,从而最大程度的增加了光谱测量范围,同时该方法也实现了对探测器的有效感光面像元的充分利用并且最大程度地实现了高光谱分辨率。优化结果表明对于532nm的激发波长,分辨率为5cm^(-1)、光谱范围达到80~4200cm^(-1);对于785nm的激发波长,分辨率为3cm^(-1)、光谱范围达到200~2300cm^(-1)。     

双向反射分布函数的绝对测量方法

在光谱光度计的校准中，需要在特定的入射和接收的几何条件下进行。在一些情况，校准的几何条件和光谱区受到了限制，因此有必要建立一种可适用于任意几何条件下和更宽光谱区的校准方法。本文介绍了一种校准光谱双向反射的方法，可适用于各种入射和接收的几何条件。从４００～２５００ｎｍ的光谱范围内，确定烧结的聚四氟乙烯标准样品的绝对双向反射系数，参考标准是通过国家计量院传递的方向—半球反射系数。测量用的双向反射分布函数（ＢＲＤＦ）测定仪可以全自动地测量几乎所有可能的几何条件下的绝对双向反射系数     

光谱辐射测量仪器温度修正方法的研究及验证

光谱辐射定标是光学遥感仪器研制中的关键环节。深入分析实验室定标的光谱辐射测量仪器至户外应用的不确定度来源,环境温度是限制仪器户外高精度测量的最主要因素之一。传统的光谱辐射度实验室定标通常在室温（~25 ℃）下进行,而户外光谱辐射测量处于不同温度环境,严重影响仪器测量的准确度。设计搭建实验测量系统,采用遥感辐射领域常用的光谱辐射测量仪器,研究环境温度对光谱辐射测量的影响。实验结果显示：常用光谱辐射计（CR-280）的测量结果受温度影响明显,在10～40 ℃之间变化时,仪器光谱辐射亮度测量值在400～700nm波段内的偏差为±5%左右,而700～1 050 nm内的偏差高达±15%左右。这主要由于仪器采用硅探测器,红外波段恰好与硅的带边接近,硅探测器易受温度影响,温度增加硅的带边会向长波方向移动,光谱辐射计的响应度也随之增加。基于实验数据统计分析,提出一种适用于不同类型光谱辐射计的温度修正方法,相对于传统的斜率/截距（S/B）算法适用性更广,还可由公式计算出任意温度下的修正结果。修正后CR-280红外波段的偏差（950 nm左右）由±10%降低为±1%,明显减小了因户外使用与实验室定标温度不同造成的测量结果偏差。此外,利用不同类型光谱辐射测量仪器（Avantes及SVC HR-1024）对温度修正方法进行验证。环境温度变化时光谱仪Avantes（VIS/NIR）的测量结果存在较大偏差（1 060 nm高达±17%）。通过温度修正方法运算,仪器修正值与定标值的偏差在±1%以内。光谱辐射计（SVC HR-1024）不同波段的测量值,与定标值的偏差受温度影响不同。这主要由于：仪器由Si、制冷型InGaAs及扩展InGaAs探测器组成,Si探测器受温度影响大,950～1 000 nm波段测量值与定标值的偏差高达±10%。而制冷型InGaAs可有效控制探测器温度,受温度的直接影响相对小。但随温度增加,InGaAs探测器制冷效果受限（制冷最佳工作温度为20 ℃）,测量结果产生偏差（1%~3%）。同样,利用温度修正公式对不同温度下SVC HR-1024的测量结果进行修正运算,仪器因温度变化引起的偏差可降低至±1%以内。     

Direct monitoring of broadband light absorbers

The final performances of manufactured thin film filters usually depend on to the monitoring strategy. Some optical monitoring systems provide transmittance measurements while others measure the reflectance. With our system, we are able to simultaneously measure both transmittance and reflectance over an extended spectral range [400 nm; 1000 nm]. This reflectance channel is necessary for direct monitoring of some kinds of filters like light absorbers. Indeed, in this case, transmittance is cancelled after the first metallic layer deposition. The optical system is also very useful for in situ characterization especially for metallic absorbing materials.     

小型宽波段凹面全息光栅单色仪的优化设计

随着户外物性分析实验的日渐增多,开发轻小型、便携式,且响应波段范围宽的光谱仪器的需求越来越迫切。根据凹面全息光栅均方根优化理论,设计了一款轻小型宽波段单色仪。该单色仪主要由三块IV型凹面全息光栅和上下两层可旋转的平台组成,三块光栅对称地固定于上层平台上,由一台步进电机带动上层平台旋转实现光栅之间的切换,另一台步进电机带动下层平台旋转实现单块光栅的扫描。三块光栅的响应波长范围分别为400～1000,1000～1700和1700～2500nm,其理论分辨极限分别优于2.5,2.8和4.0nm。并对三块光栅的制作误差和双层平台结构误差进行了分析,结果表明,在能够保证的误差范围内,该单色仪的光谱质量可以较好地满足户外光谱分析的要求。     

三亚鹿回头海域盾形陀螺珊瑚和精巧扁脑珊瑚反射率光谱分析

为了进一步深入研究不同形状和不同颜色珊瑚的光谱特征,选择三亚湾鹿回头海域两种常见造礁石珊瑚(褐色片状珊瑚：盾形陀螺珊瑚(Turbinaria peltata)和蓝灰色块状珊瑚：精巧扁脑珊瑚(Platygyra daeda))为样本进行测量和分析。于2015年7月22日上午采集两种珊瑚样品各7组。样品块大小~6 cm,并将其暂养于中国科学院海南热带海洋生物重点实验站岸基实验室珊瑚养殖缸,养殖缸内水温控制在~26 ℃。待样品块暂养≥4小时后用光纤光谱仪测量其反射率,光谱采集条件为无云遮挡的晴天。所用光纤光谱仪(海洋光学USB2000+),波段为200～850 nm,光谱分辨率1.34 nm,步长0.6 nm,视场角为25°。珊瑚样品置于缸内的平台上,过滤后恒温~26 ℃的海水持续注入以保证缸内水温恒定;多余的海水自动从养殖缸上壁溢出以排除因光线折射入水体后引起的“汇聚现象”;养殖缸内壁采用黑色尼龙布贴壁,以避免玻璃缸壁光线反射对测量结果的影响。光纤光谱仪的探头与样品间距保持在5 cm,每个样品重复测量10次取平均值以代表该样品的光谱反射率。测量光源为太阳光,每次测量前校正一次光谱仪,选用可见光波段的反射率光谱进行数据分析。反射率光谱导数分析可以放大光谱间的差异,四阶导数光谱法在提高检测灵敏度、改善分辨率和加强抗干扰力等方面具有独特的优点,故此对所测珊瑚光谱反射率数据进行反射率光谱数据一阶导数、二阶导数和四阶导数分析,根据盾形陀螺珊瑚和精巧扁脑珊瑚反射率光谱导数之间的差异确定两种珊瑚光谱的敏感可区分波段。分析结果发现,可见光范围内两种珊瑚反射率差异明显;后者反射率光谱明显高于前者,仅~700 nm出现类似较高反射率。盾形陀螺珊瑚反射率介于4%～15%之间,波峰和波谷明显。400～450 nm反射率相对较低约为4%～5%;480 nm后急升至~10%,502,578,604和652 nm附近为明显波峰;随后激增至700 nm的~36%。精巧扁脑珊瑚反射率介于6%～16%之间;400～420 nm波长附近反射率值相对较低,为~6%;420～470 nm急剧升高至~15%,486 nm附近出现宽大波峰,为该珊瑚的特征峰;486,577,607和650 nm处也存在四个明显波峰;随后剧增至700 nm的~37%。光谱反射率导数分析结果表明盾形陀螺珊瑚和精巧扁脑珊瑚可区分波段为：一阶导数483.7～492.6,496.2～500和533.5～540.5 nm。二阶导数414～422.7,499.4～504,520.2～523.3,534.2～536.6,557.5～561和671.8～675 nm。四阶导数414～417.6,427.4～430.3,433.4～436.5,452.3～455.5和657.1～659.1 nm。     

基于逐步回归法的近红外光谱信息提取及模型的研究

基于多元线性回归的逐步分析算法 ,依据小麦粉的近红外吸收特性机理 ,对小麦粉的近红外光谱(10 0 0～ 2 5 0 0nm)划分三波段 (Ⅰ :10 0 0～ 14 0 0nm ;Ⅱ :14 0 0～ 186 0nm ;Ⅲ :186 0～ 2 5 0 0nm) ,并进行了各波段的光谱信息提取 ,确定了回归特征波长 ,对不同波段建立的回归模型进行了比较 ,给出了各段回归的最佳数学模型。通过对小麦粉近红外谱的信息提取及蛋白质成分的定量分析 ,比较和讨论了不同波段所建模型对小麦粉蛋白质含量的近红外分析结果 ,在应用中有一定的参考价值。     

Time-resolved spectrophotometer for turbid media based on supercontinuum generation in a photonic crystal fiber

We describe an instrument for the time-resolved spectroscopy of turbid media that is based on supercontinuum generation in a photonic crystal fiber. The light injected into the sample consists of subpicosecond pulses that cover 550-1000 nm at 85 MHz at an average power of as much as 40 mW. A spectrometer coupled to a multianode photomultiplier tube is used to detect the light simultaneously in 16 wavelength channels, with a resolution of 5-20 nm/channel, depending on the grating. Time-correlated single-photon counting is used to produce time-dispersion curves, which one fits to the diffusion equation to determine absorption and reduced scattering coefficients. We tested the instrument by measuring the time-resolved diffuse reflectance of epoxy phantoms and by performing in vivo measurements on volunteers. The results were similar to those obtained with previous discrete wavelength systems, whereas the full spectrum (610-810 nm) acquisition time was as short as 1 s owing to the parallel acquisition.     

低频超声波和甘油对皮肤组织光学透明的反射光谱研究

研究了经低频超声波和促渗剂处理后的猪皮组织在波长为400～860 nm 范围内随时间变化反射光谱特性的变化及各组于580 nm处分别在0～15 min和15～30 min时间段各组反射光谱的改变程度。实验采用带积分球附件的AvaSpec-2048光纤光谱仪测量系统。结果表明：在波长为400～860 nm 范围内,空白对照组在整个过程中组织的反射光谱变化比较少;经超声波处理后组织对光的反射率在0～15 min内是增加的,而且变化相对明显,但随着距超声波停止处理的时间加长,组织对光的反射率又慢慢恢复原状;经80%甘油处理组相对于空白对照组反射率减少得比较快;经超声波和80%甘油处理后组织的反射率变化最明显,特别是在0～15 min内下降速度最快,而且对于波长580 nm 处在0～15 min时间内第4组组织反射率的变化的速率与其他组在相同时间段内比较是：为第1组的约4.0倍和第3组的约2.3倍(在0～15 min时间内),第1组组织反射率减少了1.896%;第3组组织反射率减少了3.316%;第4组组织反射率减少了7.551%。从上面的结果发现,超声波和促渗剂80%甘油对皮组织的光透明性不仅具有协同效应,而且可以使皮组织在短时间改善光透明性。     

Realization of relative responsivity scale with the electrically calibrated pyroelectric radiometer

In UME, the relative spectral responsivity scale extending from 250 to 2500 nm was realized using electrically calibrated pyroelectric radiometer (ECPR). Its absolute spectral responsivity was determined against the electrical substitution cryogenic radiometer (ESCR) facility at 488.1, 514.6, 532.0, and 632.8 nm with an uncertainty of 1 part in 10⁴ (k=2). The relative spectral responsivity scale of ECPR was derived from the surface reflectance data and absolute spectral responsivity data for the mentioned spectral range. Optical characterization of its spatial non-uniformity (at 632.8 nm) and surface reflectance (over 250–2500 nm wavelength region) indicated that the gold-black absorber is spectrally flat within 0.1%. The total expanded uncertainty in the realization of the mentioned radiometric scale along with ECPR was estimated as 1.74%.