光电阵列探测器对色散型光谱仪分辨极限及波长准确性的影响

针对光电阵列探测器对色散型光谱仪的光谱分辨极限和波长准确性可能造成的不利影响，分别从空域和频域两方面分析了阵列探测器的光敏元中心距、谱线的宽度有普线与光敏元的相对位置对分辨极限及波长准确性的影响，并通过计算机模拟定量地给出了在不同情况下其分辨极限和波长准确性的大小，得出了高斯型谱线的宽度小于光敏元中心距的5倍时，光谱仪系统不能同时提高其光谱分辨极限和波长准确性的结论。     

光电阵列探测器对色散型光谱仪的光谱分辨极限及波长准确性的影响

针对光电阵列探测器对色散型光谱仪的光谱分辨极限和波长准确性可能造成的不利影响 ,分别从空域和频域两方面分析了阵列探测器的光敏元中心距、谱线的宽度及谱线与光敏元的相对位置对分辨极限及波长准确性的影响 ,并通过计算机模拟定量地给出了在不同情况下其分辨极限和波长准确性的大小 ,得出了高斯型谱线的宽度小于光敏元中心距的 5倍时 ,光谱仪系统不能同时提高其光谱分辨极限和波长准确性的结论。     

色散型光谱仪采样调制传递函数及对高斯型光谱谱线的影响

光电探测器参数的选择对色散型光谱仪性能具有重要影响,有必要对光谱仪中光电探测器的离散采样过程进行深入探讨.文章从频率域的角度出发,建立了采样模型,探讨了输入余弦信号的空间频率、光电探测器采样的像元宽度及像元的初始相位对采样结果的影响.引入取整函数,给出了统一的采样调制传递函数表达式,提出并计算了平均采样调制传递函数,消去了初始相位的影响,便于实际应用.对于色散型光谱仪光学系统产生的典型高斯型光谱谱线,将高斯谱线的傅里叶变换与平均采样调制传递函数相乘,得出了光谱仪整系统的调制传递函数表达式.在频率域分析了采样过程的平均混叠误差与空间频率的关系,研究了平均混叠误差极大值与高斯光谱谱线宽度的关系,并给出了要精确恢复谱线所需谱线宽度的阈值.该阈值对于光谱仪系统的光学参数选择有重要的参考意义.     

探测器光谱响应对光谱仪器波长标定中谱峰位置的影响

一般光电探测器的光谱响应是随波长变化的,这在光谱仪器进行波长标定的过程中,可能会改变标定谱线峰值所在的位置,从而影响标定结果的准确度。为此,针对采用阵列探测器的光谱仪器,建立了以高斯线型为标定谱线轮廓的模型,分析了谱线在探测器上经光谱响应调制及积分抽样后峰值位置发生移动的情况,给出了保证在峰值位置不偏移的情况下探测器光谱响应需满足的条件,特别给出了当仪器分光元件为光栅时,在该条件下结合仪器参数的表达式。为保证光谱仪器波长标定的准确度,在仪器设计阶段,可应用此条件选择适宜的探测器;在仪器应用阶段,亦可根据实际探测器参数,应用此条件选择适宜用于标定过程的谱线。     

光谱仪联合使用提高谱线的测量宽度

为了提高光谱仪测量谱线的精度,推导出计算机自动控制多光栅转动的光谱仪测试系统的角色散率、线色散率和分辨本领等参量公式,提出一种将两台光谱仪联合使用以提高谱线测量精度的测量方法.理论分析了两台光谱仪联合测激光线宽的原理,并用两台光谱仪联合使用对He-Ne激光谱线宽度进行了测量.实验结果表明,两台光谱仪联合测量He-Ne激光谱线的半峰全宽的放大倍数3.38×105,比单台光谱仪测量至少可以将谱线宽度的测量精度提高5个数量级.     

Offner型成像光谱仪波长使用范围和光谱分辨率研究

研究了Offner型成像光谱仪消像差结构的参量和性能.用几何法推导出Offner型成像光谱仪的波长使用范围、系统线色散以及光谱分辨率的计算公式;在理想像差条件下,分析了Offner型成像光谱仪光谱分辨率与入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率和探测器像元尺寸各个因素之间的关系;探讨了提高光谱分辨率采用的方法和技术,解决了光谱仪的各个参量和光谱分辨率之间的矛盾.研究表明:当系统像差很小可忽略时,通过减小狭缝宽度,有利于提高光谱分辨率;Offner型成像光谱仪的分辨率由入射狭缝宽度、光栅和CCD像元尺寸三者中分辨本领最低的参量确定.     

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。     

CO2探测仪1610nm通道光谱仪的精细定焦

基于能量集中度的装调方法采用一套由可调谐激光器、积分球、平行光管和数据采集处理软件等组成的精细定焦系统,以确定CO₂探测仪1 610 nm通道光谱仪的最佳焦面位置并完成探测器的精确安装,以像元光谱响应曲线(ILS)的全高半宽度(FWHM)作为聚焦评价函数,通过调整探测器方位遍历搜寻该函数最小值并作为正焦的最终评价依据,进而完成光谱仪的精细定焦任务。定焦结果显示:探测器获得的光谱响应曲线平均半宽度为0.128 1 nm,与理论值吻合良好。该系统不仅操作简单、结构紧凑且具有较高的定焦精度,也为光谱仪定标等后续工作提供了实验保障。     

基于激光驱动等离子体光源的近红外傅里叶变换光谱系统

近红外傅里叶变换光谱仪作为一种常用的科研级近红外光谱检测仪器,广泛应用于各个科研领域。目前的近红外光谱仪着重于光谱分辨率方面的提升,在光谱信噪比提升方面关注较少。光谱信噪比直接影响光谱线指数测量精度的优劣,光谱信噪比越高,光谱线指数测量精度越高,越有利于对微量物质进行精细光谱比对。因此,提升光谱仪的光谱信噪比是十分必要的。对比常用的钨灯光源,激光驱动等离子体光源(LDLS)不仅在近红外区域具有高光照强度的优点,而且其独特的高频调制输出信号在经锁相放大器调制解调后能够很好的抑制背景信号对干涉光谱所带来的影响。高亮度与辐射调制的结合使得以LDLS作为光源的近红外傅里叶变换光谱系统在光谱信噪比方面获得显著提升。基于上述原因,提出利用新型激光驱动等离子体光源作为光谱信号输出源的近红外傅里叶变换光谱系统,并与含有调制能力的钨灯光源搭建的近红外傅里叶变换光谱系统进行了信噪比的比较实验。首先利用钨灯光源由斩波器高频调制再经过锁相放大器解调的方式,对锁相放大器积分时间进行优化并通过计算干涉光谱信噪比进行评估,分别对比了积分时间为0.5,1,5,10和20 ms的干涉光谱信噪比与对称度,确定后续系统中的锁相放大器最佳积分时间为5 ms,该状态下钨灯光源所实现的干涉光谱信噪比经计算约为90∶1;其次利用激光驱动等离子体光源代替钨灯光源和斩波器,在最佳积分时间下进行干涉光谱信噪比对比评估,结果表明激光驱动等离子体光源的干涉光谱信噪比与传统钨灯光源相比提升111倍;最后,利用近红外标准片对系统进行光谱测量准确性评估,结果表明利用该光源的近红外傅里叶变换光谱系统的近红外吸收峰值误差<0.5 nm,具有高光谱准确性与分辨能力。     

光电成像系统中的光学传递函数

本文研究了光电成像系统中的光学成像、抽样和重建等各个过程对整个系统的光学传递函数的影响。分析了光电成像系统在积分抽样和图像运动情况下的光学传递函数，重建图像中的频谱混叠和假响应情况，由此给出光电成像系统获取图像的一些原则。     

基于荧光光谱法的钞票识别技术

以光栅光谱仪为基础,光电倍增管作为探测器,运用VC++语言设计了计算机采样界面,形成了荧光光谱分析的钞票识别光电系统。在紫光灯激发下,对钞票进行了荧光光谱特性分析,设计了基于荧光光谱分析的钞票识别光学系统、光电信号的检测和信号处理系统。测试结果表明：真假币的荧光光谱曲线有着明显的区别,它们的峰值分别为545nm和525nm。设计的荧光光电系统灵敏度高,可靠性好。     

气垫导轨上运动物体加速度测量方法的改进

利用计数计时测速仪测量气垫导轨上滑块运动的加速度,其测量精度直接依赖于2个光电门之间距离的测量,而在实验中该距离的测量往往不易达到很高的精度,致使加速度的测量精度不高.对计数计时测速仪的电路和单片机程序稍加修改,使之能测出滑块从一个光电门运动到另一个光电门所需时间,就无需测量2个光电门之间的距离,因而提高了加速度的测量精度,节约单片机的资源并缩短运行时间.     

光电探测器阵列光敏元宽度对谱线峰值位置影响的研究

本文针对采用光电阵列探测器进行信号采集的光谱分析系统,分析了探测器阵列光敏元宽度对光谱峰值定位的影响.指出由于光敏元具有一定宽度,导致非对称型光谱峰值的亚象元定位误差,并提出用反卷积消除这种误差.     

逐线积分气体吸收模型及其在NDIR气体检测中的应用

介绍了一种精确的逐线积分痕量气体吸收模型,模型适用于中红外波段大气环境中痕量气体、污染气体检测的理论研究和工程应用。首先介绍了气体辐射特性的理论计算方法和现有逐线积分大气模 型,比较了各自的优劣性,其次详述了逐线积分计算的理论: 吸收系数是温度、波长、气体浓度和相关吸收线参数的函数,单条谱线的平均吸收系数是积分线强与谱线线型的卷积,在不同的大气条件下选 择不同的线型。最后,详细描述了模型的算法细节,并给出了模型计算的结果与傅里叶变换光谱仪实测数据的对比,举例介绍了吸收模型在NDIR气体探测技术中的实际应用,并使用该模型模拟了NDIR探 测器两个通道的信号强度随尾气中CO₂,CO浓度变化的关系,通过计算确定了NDIR探测器合适的工作范围。所述模型利用HITRAN光谱数据库,考虑了展宽、线翼截断、温度修正、光谱分辨 率变化等情况,可以有效的模拟大气环境中多种气体的红外吸收特征。     

Efficient line-by-line calculation of absorption coefficients to high numerical accuracy

Modeling radiative transfer at high resolution is computationally expensive due to the need to evaluate spectral absorption coefficients on a line-by-line basis. A simple yet efficient method is presented here for calculating these coefficients to high numerical accuracy. For each spectral line retained in the model, this method evaluates a contribution to absorption over the entire frequency range of interest (i.e., the far wings of each line are not truncated). The accuracy achieved is independent of the size of the sampling interval. The level of accuracy may be varied continuously over many orders of magnitude, thereby permitting the user to trade accuracy for speed and rendering it easy to perform convergence studies that quantify the numerical error. The method is applicable to any analytic model of the spectral line shape.     

光谱仪动态采样时间特性的研究

在实时传输的光谱仪数据采样中,通常存在采样时间间隔不等的现象,这使得实时传输光谱仪在一些特殊场合的应用受到较大的限制,如在预测能力更强,检测精度更高的动态光谱分析法中。而恰恰在动态光谱法等时间分辨光谱分析中对光谱信号的采样定时特性要求更高,时间间隔不等会直接影响光谱分析的结果,得到失真的结论。同时与一般采样所不同的是,光谱仪是一定时间的积分采样,这无形中增加了对光谱仪定时采样特性研究的难度。因此,巧妙地利用锯齿波的幅值与时间存在一线性编码的关系,对某一型号的光谱仪进行采样时间及采样时间间隔的测试与分析,测试表明采样时间与积分时间的设置相关,同时时间间隔与积分时间也息息相关,进一步探究了该型号光谱仪在不同积分时间下采样时间间隔波动的范围。研究对注重光谱时间特性的分析法提供积分时间选取的参考依据,同时也提出了一种评估动态时间特性的方法,有利于光谱的动态特性的评估与应用。     

基于极值统计的拉曼光谱信噪比评估方法与应用

随着近年来便携式光谱仪技术的迅速发展,CCD光谱仪相对于传统光谱仪在光谱收集方式上发生了很多变化：（1）采集到的光谱对信号进行叠加积分,传统信噪比评估方法无法通过单次检测获得探测器波动;（2）对于谱图噪声（谱线随机波动）,由探测器响应随机波动和扫描重复误差转变为CCD探测器像素响应差异、探测器随机噪声和与光学系统分辨力有关的模式噪声。噪声类型发生改变,导致原有的光谱质量评价方法适用性变差,基于实测光谱提出更具适应性的光谱质量评价方法具有很强的现实意义。根据拉曼光谱仪检测器的变化,对采集光谱信号的成分进行分析,在该分析的基础上提出了CCD光谱仪的噪声模型假设,根据该假设使用不同的信号极值点频率对不同的噪声进行像素分离,并对噪声频率模式进行了数值模拟,模拟结果与假设相符;在此基础上提出并实验验证了通过谱线极值间距评估谱线噪声的拉曼光谱信噪比评估方法,该方法包括以下两个步骤：（1）通过采集多次实测光谱进行叠加,叠加过程中对对应不同频次的光谱极值点数量进行统计,得到统计结果后基于文中规律分离光谱仪中的环境噪声和暗噪声;（2）应用上述分离结果,对实测光谱中对应暗噪声的谱线极值点作统计平均,再将该值应用于文中公式,计算得到信噪比。该方法在进行了步骤（1）的前期准备后,可以通过单张谱图评估CCD拉曼光谱仪的随机噪声,并用于评估光谱的信噪比。基于光学构架相同、CCD探测器不同的三个拉曼光谱系统进行实验,采用该方法通过设定信噪比阈值对谱图质量进行控制,获得了一致的光谱曲线;基于该方法对同步叠加平均法进行信噪比拟合,拟合优度达到98%。该方法可用于拉曼光谱仪的性能评估和获取拉曼光谱谱图的质量实时控制。理论和实验表明：对于基于CCD探测器的拉曼光谱仪器,当确定样品和特征峰时,可以基于此方法获得信噪比。该方法还可用于比对不同配置的拉曼光谱设备,以及作为控制谱图质量一致性的标准,并对基于拉曼光谱技术的智能鉴别系统的开发具有指导意义。