空间外差光谱仪定标方法研究

空间外差光谱仪(SHS)是近年来迅速发展起来的新型超光谱分析技术,但针对该项技术的定标研究方法还不成熟。本文在分析空间外差仪原理的基础上,探讨了SHS实验室定标方法,内容包括光谱定标和辐射定标。利用可调谐激光器与元素光谱灯,根据光谱带宽内的发射谱线所对应的波长,以及探测器尺寸与系统带宽之间的关系,设计了光谱定标方案。定标结果显示仪器光谱分辨率和光谱范围与理论设计值一致,通过多次光谱稳定性测试,光谱漂移较小。在辐射定标中,利用积分球系统进行了稳定性定标,利用标准灯和漫反射板完成了响应度定标,并利用定标系数进行了实例验证。定标结果显示该方法能够满足空间外差光谱仪定标要求,为获取的光谱数据进行定量反演奠定了基础。     

空间外差光谱仪中窄带滤光片的光谱特性研究

高光谱空间外差干涉光谱仪的光谱响应由窄带滤光片的光谱特性决定,由于窄带滤光片的制备水平与理论值存在差距,使得发生光谱展宽或波长漂移等现象,在空间外差光谱仪中形成高频和低频光谱混叠从而导致复原光谱失真。在分析滤光片对仪器光谱响应性能影响的基础上,通过在空间外差光谱仪核心干涉组件光栅的胶合过程中,根据窄带滤光片实测波长透过率曲线,利用可调谐激光器动态监测调整光谱仪基频波长的方法改善对其造成的光谱混叠。结果表明,通过实测滤光片特性调整光栅偏转角度来改变基频波长,可最大程度地有效利用仪器所能覆盖的光谱范围,根据干涉图的复原光谱信号可知试验装置的有效光谱范围从758~770.9 nm增加至756~770.9 nm。     

空间外差光谱仪相位校正方法的研究

空间外差光谱仪在应用的过程中由于各种测量原因使采集的干涉图存在相位误差。对此提出了一种改进的相位校正方法,该方法在提取单边变换光谱进行傅里叶逆变换求取干涉图相位曲线的基础上,通过拟合相位斜率求出相位误差,然后计算相位校正函数,将变换光谱与相位校正函数进行卷积来实现光谱相位校正。把该方法应用于实测单色谱与仿真水汽光谱的相位校正,实验结果显示该方法能有效的去除单色光谱边缘的低频假信号,提高干涉图的周期性和对称性;对于叠加了相位误差的连续光谱,使其校正前后的光谱与原光谱的标准偏差由0.47降为0.20,提高了光谱的准确性。     

空间外差光谱仪实验室定标技术研究

针对空间外差光谱仪(SHS)超光谱分辨率、空间干涉形式及窄带光谱范围的特点,分析了定标原理及要求,确定了单色可调均匀面光源的光谱定标和积分球辐射定标系统的绝对辐射定标方法,搭建了定标系统,实现了对光谱仪的光谱定标和辐射定标,并对定标的不确定度进行了分析,得出空间外差光谱仪的光谱定标不确定度为0.015cm-1,辐射定标不确定度为4.02%,满足给定的技术指标要求。通过对大气中CO2吸收谱的实际测量对定标结果进行验证,结果表明实测谱与模拟谱吸收峰位置对应准确,辐射亮度吻合理想,为CO2的定量反演奠定了基础。     

空间外差光谱自适应基线校正研究

空间外差光谱具有较高的信噪比与光谱分辨率,在大气微量气体遥感领域得到重要应用,实现基线的自适应校正是光谱预处理的重要环节。基于光谱的特点,分别采用阈值拟合法和改进的经验模态法对实测近红外水汽空间外差光谱进行基线校正。结果表明,两种方法均能实现光谱基线的自动扣除;以光谱扭曲程度及光谱相似度对两种方法的校正效果进行定量评价,阈值拟合法校正后的光谱扭曲程度及光谱相似度为0.761和0.955,改进经验模态法的结果分别为0.717和0.954,说明改进经验模态法略优。在校正方法的耗时上,改进经验模态法以其特有的算法优势仅需较少的迭代次数就能获得最终的基线光谱,完成校正,耗时不足阈值拟合法的十分之一,效率更高。     

空间外差光谱仪干涉图滤波方法研究

在分析空间外差光谱仪干涉图生成及特点的基础上,提出了基于改进旋滤波的干涉图降噪方法。该方法是在干涉条纹的切线方向进行滤波,能够在不改变干涉图条纹细节的基础上减少干涉图中的随机噪声和暗斑噪声的影响。同时该方法还能有效降低平均光谱的背景噪声,提高特征光谱与背景噪声的信噪比,结果显示旋滤波方法对加入噪声前后干涉图的平均光谱背景噪声信噪比改善分别为47%和240%,能够将一些峰值较小的特征谱从背景噪声中提取出来,提高空间外差光谱技术对一些弱特征光谱的识别率。     

空间外差光谱技术与FTS的比较研究

空间外差光谱技术是一种新型的可实现超分辨的光谱技术,它综合光栅和FTS技术于一体。对空间外差光谱技术与传统的傅里叶变换光谱技术(FTS)进行比较研究,介绍了两种光谱技术的光学原理,围绕着仪器的光谱分辨率和光谱范围进行比较分析,给出了一组系统设计参数的比较例子。分析结果表明,空间外差光谱技术可以充分利用探测器的空间频率,在一窄带光谱范围内,获得超高的光谱分辨率。     

非对称空间外差光谱技术研究

传统空间外差光谱技术存在光谱分辨率、光谱范围与探测器象元数之间的制约关系。非对称空间外差光谱技术相比传统空间外差光谱技术主要区别在于增加单臂光栅到分束器的距离,能够在系统参数不变的情况下大大的增加光谱分辨率。首先阐述了非对称空间外差光谱技术的基本原理,并给出相应的系统参数计算公式推导结果,从理论上推导出单臂光栅偏置量增加和光谱分辨率增加之间的关系。偏置量作为非对称空间外差光谱技术的重要参数,受短双边象元数和光谱分辨率需求的制约。根据实验室现有实验平台参数,给出偏置量选择原则及结果。在元器件参数相同的情况下,分别计算了两种形式的理论光学性能参数,并且进行了仿真验证,得出非对称空间外差光谱仪与传统空间外差光谱仪光谱范围相同,但具有更高的光谱分辨率,并且分辨率提高与偏置量增加关系与理论计算相符。最后通过单色光扫描方法对非对称空间外差光谱仪实验室装置进行光谱范围和光谱分辨率的定标,定标结果与理论计算值吻合较好。     

空间外差光谱仪基频波长的定标

基于空间外差光谱仪的工作原理和干涉图的产生机制,提出了一种空间外差光谱仪的基频波长定标方法。沿干涉条纹法线方向求取像元相位,通过对法线方向的像元相位进行线性拟合求取相位直线的斜率,该相位斜率与干涉条纹法线方向的空间频率具有对应关系,在获取两种已知波长的激光干涉图的相位斜率后即可确定该空间外差光谱仪的基频波长。四组波长数据的测试结果显示,用该方法定标的基频波长具有很好的一致性,标准差为0.044 nm。定标结果仿真的光谱与实测光谱完全一致,证明了该方法的可行性。     

空间外差光谱仪基频波长的定标

基于空间外差光谱仪的工作原理和干涉图的产生机制,提出了一种空间外差光谱仪的基频波长定标方法。沿干涉条纹法线方向求取像元相位,通过对法线方向的像元相位进行线性拟合求取相位直线的斜率,该相位斜率与干涉条纹法线方向的空间频率具有对应关系,在获取两种已知波长的激光干涉图的相位斜率后即可确定该空间外差光谱仪的基频波长。四组波长数据的测试结果显示,用该方法定标的基频波长具有很好的一致性,标准差为0.044 nm。定标结果仿真的光谱与实测光谱完全一致,证明了该方法的可行性。     

Raman spectroscopic detection for liquid and solid targets using a spatial heterodyne spectrometer

Spatial heterodyne Raman spectroscopy (SHRS) is a new type of effective method for the analysis of structure and composition of liquid and solid targets with the characteristics of no moving parts, high spectral resolution, high optical throughput and large field of view. The technique is very suitable for detecting the targets from long distances or under the conditions with ambient light, which is essential for the exploration of planetary surface. In order to have a better understanding of the ability of SHRS for the detection of liquid and solid targets, a breadboard was designed, built and calibrated. Signal to noise was estimated at different integration time or laser power for carbon tetrachloride. Pure materials or materials contained in bottles were both tested. The mixture of organic liquids or inorganic solids were tested. In order to test the detection ability for natural targets, some composition‐unknown rocks and pebbles were tested. The results have shown that SHRS can meet the requirements for the detection of weak Raman signal scattered from artificial or natural targets. Standoff detection of sulfur from 5‐m or 10‐m distance without using any telescope or collimation optics was also tried to test the high optical throughput of SHRS. The potential feasibility of standoff detection has been proved. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

空间外差拉曼光谱仪成像镜头光机热集成分析

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型;仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化;将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。     

Correction for phase-shift deviation in a complex Fourier-transform integrated-optic spatial heterodyne spectrometer with an active phase-shift scheme

We report that a spectrum can be retrieved with a planar waveguide spatial heterodyne spectrometer (SHS) incorporating an active phase-shift scheme, where the phase shifts are distributed around π/2. This was confirmed experimentally with an SHS that had 32 interleaved Mach-Zehnder interferometers and whose free spectral range was 625 GHz. The phase shifts ranged from 0.71 to 2.2 rad against the target of π/2 rad.     

Fourier-transform, integrated-optic spatial heterodyne spectrometer on a silica-based planar waveguide with 1 GHz resolution

Spatial heterodyne spectrometers (SHS) can achieve high resolution with excellent optical throughput. We demonstrate a planar waveguide SHS incorporating 64 asymmetric Mach-Zehnder interferometers and show measurements that verify 1 GHz resolution across a 64 GHz measurement range.     

Optical heterodyne Herriott-type multipass laser absorption spectrometer

We present a Herriott-type multipass laser absorption spectrometer enhanced by optical heterodyne detection. The proposal is demonstrated by measuring the spectra of water vapor molecule in the region from 12247.6873 to 12249.6954 cm-1. Compared with direct absorption spectroscopy, the signal-to-noise ratio is improved nearly one magnitude of factor by combining with the optical heterodyne spectroscopy and extra weak absorption lines are observed. The minimum detectable absorption is estimated at 4.36×10-8 cm-1 and the measured line shape dominated by Doppler broadening can be precisely recovered by direct transformation of experimental optical heterodyne spectral profile.     

激光外差光谱仪的仪器线型函数研究

激光外差是一种基于相干探测原理的高灵敏度光谱检测技术,因其同时具有很高的光谱分辨能力,被广泛应用于诸多研究领域.在光谱测量过程中,仪器线型函数对吸收谱线的平滑作用,会对气体浓度的反演结果产生影响.为了获取激光外差光谱仪的仪器线型函数,基于激光外差原理和信号处理过程,对影响仪器线型函数的射频滤波带宽和积分时间等参数进行了分析,获得了仪器线型函数表达式.利用自行建立的激光外差光谱仪,多次测量了3.53μm波段内水汽、甲烷的吸收谱线,分别将射频滤波频域响应函数和本文获得的仪器线型函数耦合进水汽、甲烷柱浓度的反演.结果表明,射频滤波带宽为30 MHz、积分时间分别为10 ms和100 ms时,光谱仪的实际分辨率分别约为0.005 cm~(-1)和0.025 cm~(-1);使用仪器线型函数对积分时间为100 ms时测量的数据进行反演,透过率残差平方和与甲烷吸收峰值处的残差分别减小16%和100%,提高了气体浓度反演的准确度.     

Infrared laser heterodyne ozone spectrum

An infrared laser heterodyne spectrometer (IRLHS) has been developped for both laboratory and atmospheric studies. A long path and temperature adjustable cell has been designed for laboratory spectra. An ozone spectrum with 5MHz (0.00016 cm^–1) resolution is presented.