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。     

像元光敏宽度对干涉成像仪复原光谱幅值的影响

推导出了静态干涉成像光谱仪的探测器阵列采样空间调制干涉图的实际数学表达式,由此进一步推导出了含像元光敏宽度的复原光谱幅值的一般表达式。分析结果表明,当像元间距一定时,光敏宽度对复原光谱幅值存在影响。对于确定的光敏宽度,随着波数的变长,复原光谱幅值所受到的影响逐渐增大;对于确定的波数,随着光敏宽度的变宽,复原光谱幅值所受到的影响逐步增大。     

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.     

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。     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

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。     

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.     

地物光谱仪测量中的温湿度影响

地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要,可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性,从而获得地表的光谱辐射亮度、光谱辐射照度或方向反射因子等信息。地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础,对于航天传感器定标、遥感数据反演等具有极其重要的意义。地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标,一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移,另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大,都会影响测量的准确性。在恒温恒湿条件下,实验采用谱线灯光源和积分球光源考察了地物光谱仪波长和光谱响应度随探测器温度的变化。数据显示当光谱仪内部硅阵列探测器温度上升时,波长位置并未发生改变;而光谱仪的光谱响应度随着温度上升明显增大。当硅探测器温度从28.3 ℃升至35.2 ℃时,光谱仪在380～990 nm的光谱响应度变化达到1.8%～7.3%;同时近红外1 000～1 800 nm的平均变化约3.0%,2 000～2 500 nm的变化约1.9%。当改变环境温度和湿度时,测量数据表明湿度影响主要在大气中水分子的吸收峰附近波长,对其他波长影响很小;光谱仪光谱响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应关系,环境温度的影响可以近似根据内部探测器温度变化予以表征。理论上当环境条件改变时,根据光谱响应度随温度的变化和探测器的监测温度,可以进行光谱数据修正。最后,实验测量了一组探测器温度下对应的光谱响应度,采用多项式拟合和最小二乘法建立了地物光谱仪光谱响应度与温度的函数关系。根据函数关系插值得到的光谱响应度修正因子和直接测量得到的数据基本一致,全谱段的差异几乎都小于0.2%,表明光谱响应度与温度的对应关系可用于解决不同环境条件下的测量准确性。     

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.     

紫外可见偏振成像光谱仪的光谱定标与匹配方法

紫外可见偏振成像光谱仪中沃拉斯顿棱镜的色散效应会导致探测器同一空间通道的中心坐标发生偏移，影响目标信号探测精度。根据偏振解调算法，利用沃拉斯顿棱镜出射的两正交分量调制光谱(S光和P光)实现偏振信息解调时，还需要完成光谱匹配。针对这一问题，提出了一种光谱定标与匹配方法。首先利用平行光源标定了仪器视场角与空间维像元的对应关系，提取出各空间通道对应的像元坐标集合并确定了视场定标方程；在同一空间通道内，通过低压汞灯标准光源对波长与像元的对应关系进行标定，得出光谱定标方程；利用视场定标和光谱定标结果完成正交分量光谱的匹配；最后利用太阳光谱中Fraunhofer线的特征波长对定标结果进行了检验。结果表明：紫外可见偏振成像光谱仪正交分量的光谱吸收峰位具有较好的一致性，定标值和标准值的偏差在0.1 nm以内，这验证了定标结果的准确性。     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

根据Czerny-Turner结构光谱仪工作原理,以便携式微型光学系统为设计目标,设计了一种光谱范围为200900nm的交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后,引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合,设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径,继而结合彗差约束条件,确定球面镜离轴角,并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化,并采用自主研制的样机进行光谱测量,分析结果表明,该光学系统能够在狭缝宽度为25μm,光栅常数为1.667μm/line条件下,实现中心波长分辨率优于1nm,边缘波长分辨率优于1.5nm.     

Factors Analysis for CO2 Retrieval from the Ground-Based Hyperspectral Measurements in the Short Wave InfraredSCIEI北大核心CSCD

Ground-based CO2 inversion accuracy determines the understanding of CO2 source and sink. However the study about factors affecting ground-based CO2 inversion. In order to improve CO2 inversion accuracy, the effects from aerosol, spectral shift, spectral band selection, spectrometer response function type, half width and truncation error have been analyzed by using radiative transfer model. The results show that: (1) the multiple scattering of aerosol can be ignored when instrument field of view is less than 1.5 degrees and aerosol optical depth is less than 0.5. (2) The inversion results are smaller when there are spectral offsets. The inversion errors increase nonlinear with spectral offsets. And the higher the spectral resolution, the larger the effect of spectral shift. (3) Different spectral bands have various average signal-to-noise ratio, selecting channels with appropriate signal-to-noise ratio and enhancing instrument signal-to-noise ratio can reduce the effect of instrument noise. (4) The higher the instrument resolution, the more important the degree of accuracy of instrument line function for simulated spectrum. Therefore, for hyper-spectral observation, the constancy of environmental temperature is key of acquiring high precision inversion results. (5) For over-high spectral resolution, simulated spectrum is anamorphic due to crosstalk effect. Therefore the crosstalk effect must be considered when the spectrometer resolution is advanced.     

基于大气吸收带的超光谱成像仪光谱定标技术研究

超光谱成像仪是谱像合一的新型光学遥感仪器,其光谱定标的主要任务就是确定超光谱成像仪各通道中心波长和光谱带宽.利用超光谱成像仪光谱采样间隔和大气吸收带中明显的吸收峰对超光谱成像仪进行光谱定标,并通过与定标好的光纤光谱仪结果进行比对,结果显示利用该方法对超光谱成像仪进行光谱定标的定标精度可达1 nm.该方法用于棱镜色散型超...     

极紫外平场光栅光谱仪的研制和性能测试

研制了一台高分辨率极紫外光谱仪,用于磁约束等离子体诊断。采用一块具有平场特性的全息球面变线距光栅作为分光元件,光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,掠入射角为3°。一台可深度制冷、背照式面阵CCD作为光谱探测器,用机械快门控制曝光时间。通过CCD在光谱聚焦面的移动,可以记录的光谱范围为5～50 nm。用Penning放电光源测试了光谱仪的性能; 利用光源的标准谱线,进行了波长标定,波长精度为0.003 nm,并计算出系统各参数的实际值;当入缝宽度设置为30 μm时,在20 nm附近,光谱分辨率达0.015 nm,达到设计指标。     

光谱成像仪快速光谱定标方法研究

光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程,为了获取光谱辐亮度,通常需要对光谱仪器进行辐射定标,将光谱仪器输出的数值,映射为物理量——辐亮度。不同的光谱仪器的光谱响应不同,因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的,需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。自第一台成像光谱仪诞生以来,其定标方法逐渐固定,通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标,其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽,可以将准单色光抽象为脉冲函数。根据脉冲函数的特性,改变准单色光的波长,扫描光谱成像仪的响应波长范围,是对光谱响应函数进行间隔采样的过程,通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。随着技术的发展,探测器的灵敏度越来越高,光谱成像仪的分辨率也越来越高,为了完成光谱定标,对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。然而准单色光的带宽越窄,其能量越低,获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间,使定标的效率降低。从光谱定标的目的出发,结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点,通过理论分析,提出一种利用宽...     

高光谱分辨率紫外平场光谱仪的研制

光栅作为一重要的分光元件,广泛应用于各类光谱仪,其中球面变线距平场光栅以其独特的平场特性使其容易与阵列探测器结合使用,一次实现宽光谱范围的记录。商业球面平场光栅一般只会提供光栅的公称线密度以及相应的安装参数,而不会提供光栅具体的变线距参数,并且提供的安装参数是针对整个使用波段优化的结果。使用者往往只需要其中的一部分波段。针对这种情况,根据球面平场光栅聚焦、分光原理,利用生产厂家提供的光学元件安装参数给出了推导球面变线距光栅变线距参数的方法。并给出了利用这些参数,根据光谱仪的实际工作波段确定最佳的CCD安装位置的方法。根据推导的光栅变线距参数可以对光学系统进行光学追迹已验证光学系统的性能。研制了一台高分辨率紫外平场光谱仪,覆盖光谱范围230~280 nm。采用的球面变线距光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,使用波段为170~500 nm。推导了该光栅的变线距参数,并针对230~280 nm波段对CCD的安装位置进行了优化。同时利用不同元素的标准光源空心阴极灯对光谱仪进行了波长标定和光谱分辨率测试。波长标定采用参数拟合法,整个波段范围内的标定精度优于0.01 nm。光谱分辨率测试的结果表明光谱仪的光谱分辨率达到0.08 nm@280.20 nm。     

二维阵列狭缝阿达玛光谱仪波长准确度研究

二维阵列狭缝模板是阿达玛编码模板的一种新的设计思想,分析了模板上同列狭缝的加工误差对仪器波长准确度的不利影响,在此基础上,给出了减少同列狭缝高度、垂直光谱维方向上位置不一致性误差对仪器波长准确度影响的方法,以及同列狭缝在光谱维方向上位置不一致导致解码所得谱线产生的光谱偏移量的粗略估计方法,并建立模型进行仿真,计算了当模板上某列狭缝存在宽度、光谱维方向上位置不一致性误差时,解码所得其他各列狭缝谱线分布上测量误差的大小,根据仿真结果可以初步确定模板的加工精度。通过该研究有助于合理设计MEMS(微机电系统)二维阵列狭缝模板,获得对系统误差的有效补偿,提高仪器的波长准确度。     

基于全息光学元件的光纤光谱仪的光路设计

基于全息光学理论分析了全息光学元件的高斯成像性质,包括光焦度、成像位置、衍射效率以及作为光纤光谱仪光栅元件的可行性,并以全息光栅的成像理论以及光谱仪工作原理为基础,设计了光谱仪器光学系统的各个参数,通过Zemax软件的仿真、像质评价及优化,得出最终的参数和模拟结果。所使用的全息光栅记录波长为575 nm,记录光束之间的夹角为10,一束为平面波,一束为球面波,焦距40 mm,使用+1级衍射光,光栅孔径为10 mm。光谱仪的工作波长范围为400 nm～800 nm,体积140 mm*30 mm*40 mm,谱面展宽29.1 mm。通过在光学平台上搭建光路,利用已研发完成的电路系统及光谱仪软件,针对汞灯光谱进行了试验,光谱分辨率优于8 nm,测量得到的汞灯光谱与标准汞灯光谱一致,表明了所设计的基于全息元件的光纤光谱仪光学系统是可行的。