新激光拉曼光谱仪通过鉴定

浙江大学光学仪器系研制的LRZ-Ⅰ型激光拉曼光谱仪于6月6日由国家教委科技司组织了鉴定。参加鉴定会的专家和代表们对于浙江大学光仪系依靠国内技术研制成功高度精密的光谱仪器表示赞赏。一致认为该仪器是我国自行研制的第一台带微机的激光拉曼光谱仪,达到和超过了原订设计指标。它的功能和主要技术指标达到了国外八十年代初同类仪器的水平。LRZ-Ⅰ型激光拉曼光谱仪的光学系统和精密机械结构,采用了适合我国国情又能保证仪器精度和主要能性的方案,具有自己的特色。在波数扫描机构上采用国内研制的高精度线性编码器,并利用微机实行闭环控制,保证了波数精密度和波数重复性。在确定LRZ-Ⅰ型仪器设计方案时,决定将仪器设计成既可手控,也可由微机控制;并要求在采集光谱数据后,能对数据进行多种处理,能以不同方式显示或输出;还要求操作方     

普通发射式光谱仪的功能扩展与改造研究

光谱仪是进行光谱分析时所必需的重要仪器。目前在科学研究和高等教育教学中广泛应用的光谱仪大多单为某一功能而设计,且价格昂贵。本文以常见的发射式光栅光谱仪为例,进行普通光谱仪的功能扩展设计研究与测试,使普通光谱仪从单一的发射光谱仪扩展成为集荧光光谱、透射光谱和反射光谱的测量于一体的综合性光谱仪。结果表明:通过添加外部光源、搭建测试样品架的方法,在精度要求不是特别高的情况下,可以满足一般教学科研的需要。通过扩展设计,降低了分析测量的成本,对于样品的低成本分析测量及改进普通光谱仪的设计具有一定的借鉴意义。     

一种基于EWMA-PCA的水质光谱数据标准化方法研究

模型传递对于解决由于样本与各仪器响应函数不同所导致的量测信号不一致具有重要意义,而解决模型传递的有效方法是仪器或数据标准化。针对现有的光谱标准化方法中,鲜有对紫外-可见吸收光谱的应用研究,且紫外-可见光谱法水质多参数检测光谱探测单元存在分辨率、精度、响应范围不统一,难以进行不同仪器间测试数据的比对及多参数数据拟合的问题,提出采用EWMA-PCA归一化算法,实现紫外-可见水质光谱在不同仪器上的模型传递。EWMA(exponentially weighted moving-average)是一种指数加权平均移动算法,用以寻找以较高概率产生观察紫外-可见水质光谱数据的系统发生树,最大概率复原理论紫外-可见水质光谱数据,使紫外-可见光谱特征不丢失、不偏移,减小由于数据处理对紫外-可见水质光谱数据的影响。采用不同浓度的邻苯二甲酸氢钾溶液,对日本滨松C10082CAH光谱仪、美国海洋光学Maya2000Pro光谱仪以及厦门奥谱天成ATP2000光谱仪进行对比测试实验。对比组1选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机海洋Maya2000Pro光谱仪,对比组2选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪,对比组3选取源机海洋Maya2000Pro光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪。三组比对实验结果表明,该算法能很好地应用于不同的比对光谱仪中,在采用EWMA-PCA归一化算法对水质吸收光谱数据标准化后,相关系数达到99.576 5%,方差达到0.082 3%,且波峰偏移量可降低至0.000 5%,基于EWMA-PCA归一化光谱标准化算法具适应性广、所需传递样本少、传递精度高等优点,研究结果对光谱法水质检测仪器的广泛应用具有重要理论指导意义和工程应用参考价值。     

高速紫外-可见分光光度计的研制

研制了一种采用线阵CCD的高速紫外-可见分光光度计。报道了该分光光度计的硬件结构、软件系统设计和初步的性能测试结果。初步测试结果：波长范围 200～820 nm,全谱扫描时间<0.1 s,光谱带宽 0.7 nm,波长精度 ±1 nm,光度精度±0.005 AU,杂散光<0.1％,基线平直度<0.001 AU(rms)。该仪器使用操作简便,测量速度快,性能优良,具有强大的光谱数据分析与处理功能,而且还独具远程操作和访问功能。预期该仪器除了可用于常规分析测试外,还适用于化学和生物等领域的动力学反应研究。     

光栅光谱仪光路结构的设计

为提高光栅光谱仪的波长扫描精度,设计了一套可对光栅转动情况进行实时反馈的系统结构,实现了仪器在高速和高精度扫描上的统一。在对反馈结构进行设计时,应用光栅尺测位移技术对正弦丝杆上的滑块进行位移反馈,由计算机对其进行接收和处理。对比实验显示,仪器本身波长扫描精度为 0.7 nm,加入反馈电路进行反馈后波长扫描精度可达 0.15 nm。结果表明,加入对光栅转动情况的反馈结构后,可使光栅光谱仪满足高精度扫描要求。     

成像光谱仪星上定标技术

成像光谱仪是同时获取地物图像和光谱信息的新一代光学遥感仪器。星上定标是成像光谱仪光谱图像数据定量化应用的基础。本文阐述了成像光谱仪星上定标的原理,按照星上定标采用的参考标准对星上定标技术进行了分类,详细介绍了星上辐射定标和光谱定标技术,并展望了成像光谱仪未来发展趋势。绝对辐射定标已经成为成像光谱仪星上定标的基本要求,太阳将逐步代替星上标准灯成为绝对辐射标准。基于不同参考标准的定标方法的综合应用将使星上定标精度和可靠性大大提高。随着定标精度的进一步提高,地面光谱定标装置将逐步空间化,基于探测器的星上辐射定标系统也将逐步得到应用。     

用1～18GHz啁啾脉冲傅里叶变换微波光谱仪检测化学反应（英文）

傅里叶变换微波光谱仪是测量分子转动跃迁的主要工具,是研究分子转动光谱学的重要仪器。以量子力学为基础的转动光谱学对物质分子的结构分析以及破解射电望远镜所捕获的深空分子信号至关重要,这使得微波光谱仪在相关领域能发挥不可或缺的作用。目前,世界各国都在致力于研制和改进微波光谱仪以提高仪器的分辨率、灵敏度、以及应用范围,我国也正在该类仪器研制上进行积极的探索,期望为该领域做出应有的贡献。介绍了一种工作频段在1~18 GHz的宽带啁啾脉冲式傅里叶变换微波光谱仪的设计和研制。该光谱仪用于线性频率扫描的宽带啁啾脉冲信号由采样速率为1.25 GS·s^-1的任意波形发生器产生。宽带啁啾脉冲信号经混频和放大后可覆盖特定的频率范围,随即通过喇叭天线传播到样品真空室与超音速膨胀的气相样品分子束相互作用。样品分子被激发后发出的分子自由感应衰减信号由接收电路导出并放大,然后直接在高速数字示波器上数字化。该微波光谱仪的诸多电子器件均由计算机控制,利用开发的LabVIEW程序可实现仪器的自动化控制。应用气体喷嘴技术能有效降低待测样品气体束在检测室的转动温度,使仪器获得更好的检测灵敏度。应用多脉冲自由感应衰减技术能大幅度提高信号采样频率从而进一步提高仪器灵敏度。利用实验室研制的啁啾脉冲式傅里叶变换微波光谱仪对盐酸和叔丁醇的化学反应进行了监测,并成功检测到了该反应的产物叔丁基氯。通过测量天然丰度下反应产物叔丁基氯及其单取代37Cl同位素异数体的分子转动光谱数据,并利用光谱分析软件拟合这些数据后得到了叔丁基氯精准的光谱参数(转动常数,离心畸变常数,核四极耦合常数等)和分子结构信息。将以上参数和结构信息与高斯计算结果对比后证实了本实验宽带光谱仪检测到的光谱数据具有高精准度。通过对比前人所测的光谱数据进一步展示了该实验宽带光谱仪在低频范围内杰出的测试性能。     

紫外双光栅光谱仪结构设计与波长精度分析

为了满足太阳光谱在170～380 nm波段的精确观测需求,设计了波长重复性精度优于±0.02 nm的紫外双光栅光谱仪。波长扫描机构是双光栅光谱仪的关键组件,根据凹面光栅色散原理,将光学设计指标转换为波长扫描机构设计的输入参数,分析了影响光谱仪波长重复性精度的误差源。根据分析结果得知,丝杠的重复定位误差是影响波长重复性的主要误差源。选用重复定位精度为±2μm的丝杠设计了波长扫描机构,并对光谱仪整机进行了设计。以汞灯光源对光谱仪的波长重复性指标进行了验证实验。实验结果表明,设计的光谱仪波长重复性介于-0.005～+0.007 nm之间,满足波长重复性优于±0.02 nm的指标要求。     

自制CCD光谱仪

根据多年教学经验，把传统光栅光谱仪用现代技术进行改造，自制了一套CCD光谱仪．此仪器克服了传统光谱研究的方法——照相法、光电法的缺点，并能同时采集各个波长点的数据，串行地传输给计算机．由计算机对这些数据进行图像处理，实现了光谱的快速分析．实践证明：该仪器比购买的多功能光栅光谱仪在教学中有更多的独特优点。     

基于AOTF的成像光谱仪及其在同色异谱目标鉴别中的应用

为了同时获得同色异谱目标的光谱信息和空间分布信息,设计了基于声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的成像光谱仪,主要包括前置成像透镜组、AOTF滤光成像模块、AOTF驱动器、CCD图像检测器、图像采集卡和计算机。在计算机的控制下,实现波长的快速扫描,获取每个设定波段下的灰度图像,构建一个光谱图像立方体,因此可以获得图像中任意一点的光谱信息。所设计的成像光谱仪,光谱范围为550 ～1 000 nm,光谱分辨率2.6 nm(@632 nm),光谱扫描速度快,任意两个波长之间的切换时间小于80 μs,整个仪器无机械运动部件,功耗低,抗振能力强。利用该仪器对真假玫瑰花进行了鉴别试验,对涂改物证进行了信息复原实验,并成功地辨别出真假玫瑰花和复原出涂改物证,证实了该成像光谱仪具有优异的同色异谱目标鉴别本领,在同色异谱物质的鉴别上具有广阔的应用前景。     

两种近红外光谱仪的番茄可溶性固形物含量定量模型比较研究

以番茄可溶性固形物含量(SSC)的无损速测为例,分别采用线性渐变分光(LVF)、数字光处理(DLP)近红外光谱仪对大、小番茄采集近红外光谱数据;分别基于两种近红外光谱仪数据计算大、小番茄平均光谱及差谱,并比较两种近红外光谱仪所采集大、小番茄近红外光谱数据的特征;对两种近红外光谱仪的数据分别进行主成分分析(PCA),并比较了大、小番茄前3主成分的得分分布;按SSC梯度对数据进行分级,采用偏最小二乘(PLS)回归结合全交互验证算法分别基于两种近红外光谱仪数据建立番茄SSC定量校正模型。结果表明：(1)大、小番茄LVF近红外光谱的平均光谱及其差谱的光谱特征分别与DLP近红外光谱的平均光谱及其差谱的光谱特征相似。(2)大、小番茄LVF近红外光谱数据PCA前3主成分得分散点分离趋势不明显,而DLP近红外光谱数据PCA前3主成分得分散点基本上不具有分离趋势。(3)基于LVF近红外光谱数据所建各模型的相对预测性能(RPD)皆不低于2.11,其中标准化预处理所建模型具有最佳性能,模型维数(N_f)、校正测定系数(R_C²)、校正均方根误差(...     

一种Offner型小型短波红外成像光谱仪

通过对Offner分光光学系统分析,给出了快速计算初始结构参数公式,根据算得的初始结构参数优化出一套适用于短波红外(1 000～2 500 nm)的分光光学系统,设计的光学系统相对孔径大(F/#2.2)、光谱分辨率高(优于10 nm)和入射狭缝长(12 mm),在整个波长和视场范围内调制传递函数MTF均大于0.5。完成的成像光谱仪整机体积小,重量轻(小于5 kg),仪器测试结果表明,全光谱范围内光谱线性好,光谱标定后波长精度优于4 nm, 通过对不同波段分辨率测试,全波长范围内光谱分辨率与设计相符,动态成像实验表明, 光谱图像清晰并且光谱数据质量佳。     

基于高光谱仪与光谱仪模型共享的海洋沉积物碳含量速测的研究

实验室光谱仪和高光谱相机是两种获取物质光谱图像的仪器,两种仪器在实际应用方面各有优势且应用范围广泛。本文以光谱仪为主仪器,高光谱相机为从仪器,通过实验室光谱仪和高光谱相机之间的模型转移来实现对海洋沉积物碳含量快速预测。结果显示,当使用数据标准化处理光谱数据,且校正集和检验集的比例为3∶1,使用PDS-DMP-S/B模型转移算法进行模型转移时,建模结果的R■值为0.69,达到了比较理想的建模结果,为海洋沉积物碳含量从点到面的预测提供了一种新的、快捷的方法。     

大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。     

傅里叶变换光谱相位特性及处理方法研究

相位校正是傅里叶光谱仪的关键处理步骤,校正精度受仪器特性和不受控环境因素等的影响,如干涉仪温度变化、机械振动等。针对干扰因素引入的相位不确定性及由此带来的校正难题,在对傅里叶光谱仪相位特性进行量化分析的基础上,将测量光谱相位分解为干涉仪温度相关的仪器相位和零光程点采样误差相关的线性相位。其中,仪器相位主要由傅里叶光谱仪自身特性决定,受到干涉仪温度波动影响,干涉仪温度稳定时的仪器相位大致为常数;零光程差点采样误差是线性相位的主要来源,并且每次测量时的采样零光程差点位置都有所不同,这会导致每个获取干涉数据的光谱相位不同。假设干涉仪稳定在温度限内的仪器相位大致为常数,就可将相位处理简化为对线性相位的校正,而包含仪器相位的剩余相位则可在后续的辐射定标过程中予以剔除。相位处理的具体流程如下,获取反演光谱相位数据后,考虑仪器相位的温度相关性,首先采用最小二乘拟合方法提取线性相位项,然后基于提取的线性相位对干涉数据进行对称化处理,对称化处理后的干涉数据相位足够稳定,允许通过光谱均值降低振动等物理效应的干扰,最后在辐射定标过程中,使用复数辐射定标流程,并取定标结果实部作为目标场景的标定光谱辐射数据,即可移除大部分仪器相位,从而完成了相位校正。实验验证环节,首先采用最小拟合方法得到并移除测量光谱的线性相位项后,分析了不同阶次拟合多项式对仪器相位提取精度的影响,结果表明, 5次多项式即可满足需求,此时的均方误差为0.13 rad,更高阶次不会继续改善提取精度。然后基于5次多项式,获取了干涉仪温度为283, 290和300 K时的仪器相位。测量光谱数据移除线性相位和仪器相位后,残余相位误差为幅值在零点处分布的随机噪声,结果表明仪器相位具有温度相关性,与理论假设相符。最后,实验验证了相位处理方案的可行性,结果表明校正相位残差优于±0.04 rad,辐射不确定度优于0.8 K。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱图像校正方法研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种宽视场、高分辨率的成像光谱仪。光谱弯曲和条纹的存在干扰光谱仪的成像质量,影响光谱数据的反演精度,需要在轨对光谱图像进行校正。为此,在地面对仪器的全视场光谱图像校正算法进行研究。通过图像合并方法获得仪器全视场光谱图像,并对光谱图像的光谱弯曲和条纹进行详细的分析,结合仪器的特点提出相应的光谱弯曲校正算法和均匀性校正算法。光谱图像校正结果表明,光谱图像的光谱弯曲、横条纹和斜条纹得到了较好的校正,验证了光谱校正算法的可行性,为仪器在轨光谱图像校正提供了依据。     

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪光谱定标

为了对大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪进行全谱段高精度光谱定标,通过分析干涉型光谱仪的工作原理,对光谱漂移因子进行理论推导,发现通过有限光谱位置校正能实现全谱段光谱定标。采用了以波长计为基准,通过连续可调谐激光作为测试光源的光谱定标方法,并以高精度气体池系统进行交叉定标来验证定标精度。试验结果表明,通过测量光谱漂移因子来进行光谱定标的测试精度优于0.004 cm?1,满足高精度光谱仪定标需求,漂移因子能够应用于干涉型光谱仪光谱定标。     

近红外等效光谱测量方法研究

便携式近红外光谱仪器测量低反射率或透过率样品的漫反射率或透过率光谱时,由于仪器噪声的影响,光谱数据小、信噪比低,即使采用降噪数据处理,所得光谱数据仍无法满足分析精度的要求。因此研究了近红外等效光谱测量方法：根据低反射率或透过率样品在常规测量条件下反射信号的强度,增大仪器测量时光源电流以增大样品扫描信号、减小参比反射或透射光强以避免参比信号超量程,并计算得与常规测量方法相同的等效光谱,以提高样品近红外反射率或透过率光谱数据的信噪比。理论分析和实验结果表明采用近红外等效光谱测量方法,可获得与常规测量方法的光谱数据相同、且信噪比增大的等效光谱。     

傅里叶变换红外光谱仪光阑孔径及扫描速率设置探讨

傅里叶变换红外光谱仪辐射通量大,特别适用于测量弱信号光谱,从而具有很高的灵敏度.因此也对处理系统有着苛刻的要求,在实际测试中,博里叶光谱仪光阑孔径及扫描速率设置是相关联的,直接影响到采集及数据处理的精度.通过试验,研究探讨了傅里叶光谱仪光阑孔径及扫描速率设置极限及平衡点,兼顾快与准.     

用于FTIR大气成分监测的太阳跟踪系统设计

介绍研制的太阳跟踪和傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术相结合的大气成分监测系统.该系统跟踪部分以ATmega128芯片为控制核心,结合光学、电子学、GPS模块、PSD位置传感器以及机械部分完成对太阳运行的实时跟踪,利用FTIR光谱仪和计算机处理得到的光谱数据用于大气成分的监测.通过实验验证,FTIR大气成分监测系统运行稳定、可靠,跟踪精度在0.3°以内.