双通道曲面棱镜高光谱成像系统设计

为满足航空航天载荷宽谱段、小型化的探测需求,提出一种双通道曲面棱镜高光谱成像系统的设计方法,实现单台光谱成像仪可同时覆盖可见光和短波红外两个波段。可见光和短波红外两个通道共用一个离轴三反前置成像系统和部分光谱系统,通过在像面前放置的分色片进行分光,使得可见光由分色片全部反射,短波红外由分色片全部透射,反射光和透射光分别被不同的探测器接收。根据此方法设计了谱段范围为420～2500nm的双通道光谱成像系统。结果表明,该系统结构简单,光学成像性能良好,光学总长度小于350mm。与传统的宽谱段光谱成像方法相比,该方法可以满足系统的小型化和低成本需求,适用于航空航天遥感应用。     

光栅色散型成像光谱仪的偏振校正方法研究

光栅色散型成像光谱仪工作在可见近红外波段,主要用于海洋水色遥感。仪器采用推扫式成像,共设置15个光谱通道,穿轨方向由1024个像元组成,总视场宽度为14.2°。成像仪的各光谱通道对入射光的偏振状态敏感,为了提高大气顶入瞳辐射的测量精度,需要了解仪器的偏振响应特性,包括偏振灵敏度和相位角。发射前搭建了偏振测试系统,测量仪器的偏振灵敏度和相位角,它们是光谱通道和视场像元的函数。其中980nm波段的偏振灵敏度最高,平均值约为4.69%,443nm波段的偏振灵敏度最低,平均值约为1.81%。随着视场的变化,灵敏度呈现中间低,两边高的变化规律。提出成像仪偏振响应校正方法,利用偏振状态已知的入射光进行实验验证,结果表明该方法可将成像光谱仪偏振响应引入的辐射测量不确定度降低1%~6%。     

用于空间激光通信系统的近红外分色片设计与研制

介绍了一种1530nm透射、1560nm反射和45°工作列近红外分色片的设计与制备方法。选择Ta2O5和SiO2两种光学薄膜材料,采用多谐振腔法布里-珀罗(F-P)窄带滤光片结构作为初始膜系,并选择4H作为谐振腔的间隔层进行消偏振设计,实现分色片透、反射过渡区域的压缩。采用电子束蒸发加离子辅助沉积技术,并应用光学极值法监控各膜层厚度,实现分色片多层膜的制备。利用分光光度计对分色片的光谱进行了分析测试,结果表明研制出的分色片在工作波长的光学能量传递效率高于92%,适用于空间激光通信系统中不同波长信号的分离与高效传递。     

可见/红外宽光谱分色片偏振调控的设计

针对光学系统中可见/红外宽光谱分色片的偏振特性,采用诱导透射法设计了满足偏振遥感光学系统能量要求的可见/红外宽光谱分色片,并对其偏振特性进行了分析.通过计算获得了透射带400～900 nm可见/红外宽光谱分色片的偏振情况,采用等效层理论在其基底背面设计了偏振调控膜系,对分色片透射带的偏振度加以调控.使用needle优化...     

MgF_2薄膜对荧光薄膜紫外响应灵敏度的增强特性研究

在光敏面上镀制荧光薄膜将紫外光转变为可见光,是提高CCD和CMOS图像传感器紫外响应灵敏度的一种有效方法。针对荧光薄膜入射界面的散射和反射损耗降低荧光发光强度的分析,研究在荧光薄膜上镀制增透膜和阻隔膜的灵敏度增强特性。采用真空热阻蒸发的镀膜方法分别制备了单层Lumogen荧光薄膜和MgF2/Lumogen复合膜。利用原子力显微镜,紫外可见近红外分光光度计,荧光光谱仪对两种样品的表面粗糙度,漫反射和透射光谱以及荧光发光光谱分别进行对比测试分析。结果表明:MgF2保护层降低了表面粗糙度,减小了入射界面的漫反射损耗,对500~700nm的可见波段具有明显增透作用,也增强了Lumogen薄膜对紫外波段受激发射的荧光强度;同时,MgF2薄膜的抗损伤及水汽隔离性能对荧光薄膜紫外响应能力具有保护作用,为延长紫外CCD薄膜及器件的工作寿命提供了有效手段。     

空间紫外遥感光谱仪器偏振特性研究

为提高仪器整机性能及遥感数据反演质量,分析了仪器光学系统膜系对偏振的影响,利用氙灯、准直系统、布儒斯特起偏器和紫外光谱仪构建了一套偏振响应测试系统,测量了仪器在200~320nm紫外波段范围内的P光与S光的偏振响应。测试结果表明,仪器在P偏振光与S偏振光照射下呈现出不同的偏振响应,偏振态由S变化到P,紫外光谱仪响应峰值波长位置由290nm变化到275nm,双片漫透射板相比单片漫透射板,紫外光谱仪能量减少40%~75%;增加单片与双片漫透射板后,紫外光谱仪的偏振响应值均在265nm波长处达到最大,其中双片漫透射板使紫外光谱仪偏振响应更接近单位值1,缩小了不同偏振态光的偏振响应差异,更适用于同步辐射光源定标需求。     

双折射消偏振膜的设计和制备

基于倾斜沉积薄膜材料的双折射特性,采用单一TiO2设计和制备了中心波长为632 nm的双折射消偏振膜。首先以60°和70°的沉积角度镀制了TiO2单层膜,通过单层膜的透射光谱分别拟合出两种沉积角度下薄膜对s和p偏振光的等效折射率nPH,nSH和nPL,nSL。通过对折射率的组合,实现正入射时s偏振光透射率大于p偏振光,而入射角度增大会使两者透射率差值减小,基于这一思想设计并制备了消偏振膜。分别测量了消偏振薄膜在400~800 nm波段范围内正入射及倾斜入射条件下s和p偏振光的透射光谱。入射角为60°时,s偏振光反射带宽基本与p偏振光反射带宽重合,在波长632 nm左右基本实现消偏振。结果表明,利用材料的双折射特性,可以设计和制备出倾斜入射条件下消偏振薄膜。     

基于同心离轴双反射系统成像光谱仪的像散校正(英文)

提出了一种基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪,该系统由四片球面反射镜与一块平面光栅组成.在分析同心离轴双反射系统的基础上,结合像差理论与光程函数概念,推导了同心离轴双反射系统的像散公式,得到其消像散条件.消像散理论表明,将消像散的同心离轴双反射系统分别应用于成像光谱仪的准直光路与聚焦光路中,可以实现成像光谱仪全光路消像散.研究了准直光路与聚焦光路共心对称的成像光谱仪结构,给出了其通用设计算法.根据初始结构计算方法,设计了工作波段在远紫外(120~180nm)的成像光谱仪实例,给出了初始结构的点略图与像散曲线图,以验证消像散理论的正确性.结果表明,初始结构完全符合消像散理论.优化设计后的成像光谱仪光谱分辨率接近1.6nm,调制传递函数值全视场全波段在0.37以上,具有良好的成像质量.     

石英消偏器紫外-真空紫外消偏特性研究

在Lyot消偏器的基础上 ,设计研制了由两块楔角相同的楔形石英晶体构成的石英消偏器 ,用于降低光谱仪偏振响应度。根据矩阵光学理论 ,数值模拟计算了紫外 真空紫外波段石英消偏器消偏特性随其中心厚度以及入射光偏振状态、光谱带宽等的变化规律。利用氟化锂偏振器作为起偏器和检偏器 ,在 1mSeya Namioka单色仪上实验研究了石英消偏器在紫外 真空紫外波段的消偏特性 ,经过石英消偏器后 ,出射光的偏振度小于 1% ,可满足石英消偏器用于光谱辐射测量的工作要求。     

AOTF成像光谱仪声光晶体光谱传递函数的研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,仪器的光谱传递函数是衡量仪器性能的一项重要指标。介绍了单AOTF型和双AOTF型成像光谱仪的工作原理,利用光学域光谱透过函数,推导了以波数Δv表示的单、双型AOTF光谱传递函数,在工作波段为400 nm~900 nm内,计算对比了单、双AOTF型光谱传递函数,并对影响双AOTF型光谱传递函数的因素进行了仿真分析,最后对仪器参数的选取进行了分析和讨论。结果表明:在入射光极角30°, 声光互作用长度5 mm工作波段下,当双AOTF型成像光谱仪工作中心波长相等时,相比同一工作中心波长时的单AOTF型成像光谱仪,光谱传递函数提高了68%;当工作中心波长不相等时,双AOTF型光谱传递函数并不绝对优于单AOTF型,存在临界值。     

外差式偏振干涉成像光谱技术研究

提出了一种新型的基于Savart偏光镜的外差式偏振干涉成像光谱技术,该技术在偏振干涉成像光谱仪中引入一对平行偏振光栅对,使其得到的干涉图频率与波数相关,具有了波数外差的特点,降低了干涉图频率,从而可利用较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.对外差式偏振干涉成像光谱技术的基本原理进行了研究,详细分析了系统光程差、干涉图表达式、光谱分辨率以及光谱复原方法等.最后给出了外差式偏振干涉成像光谱仪的设计实例并进行了计算机仿真模拟,所复原的光谱与输入光谱曲线相符合,验证了方案的正确性.外差式偏振干涉成像光谱仪具有结构紧凑、光通量高、稳定性强、光谱分辨率高的特点,尤其适合超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱探测应用.     

利用一种偏振方法减小由强反射或弱反射强度引起的植被反演误差（英文）

无论是多角度遥感的发展、还是偏振、高光谱遥感的发展,它们有一个相同的目的,即利用电磁波的种种特性、以及空间特性来对地球表面的一切地物进行精确的识别。任何单一的方法和手段不可能完整地描述和反映地物的所有特征。偏振测量是目标测量识别技术中不可缺少的技术之一,并且成为近年来全世界目标识别领域中的研究热点。由于定量遥感的反射强度对植被遥感的影响不可忽视,反射辐射信号呈现饱和或过弱都不能被检测到。而偏振是植被定量遥感的重要手段,因而有必要开发一种克服由反射强度强弱引起的植被反演误差的方法,这也是我们目前的研究目标。如果反射的辐射信号太强或太弱,都会影响遥感的准确性,而来自植被的偏振光可以提供有用的信息,特别是当反射的辐射信号饱和时,使得传感器不能获得足够有用的非偏振信息。本研究采用基于地面的偏振成像光谱仪系统,开发了一种偏振方法来克服反射强度过强过弱引起的植被反演误差。利用FISS-P偏振成像光谱仪系统研究了反射强度对遥感植被NDVI和DoLP效用的影响,实验地点在北京市中国科学院奥林匹克科技园。在对目标采样时对反射率强,反射率弱以及反射率适中的植被分别测量,同时对目标植被的不同波段(470,555,670,864nm)的DoLP进行计算与分析。地基成像光谱仪系统(FISS-P)提供了具有偏振信息的高空间分辨率图像,我们可以确定在阴影和强反射区域中单个像素的光谱偏振特性。在成像光谱信息的基础上,利用光的偏振性来对地物的物理特性进行分析。本文使用斯托克斯分量来表征反射光的各个偏振分量,使用线偏振度(DoLP)表征反射光偏振程度。信号饱和度和阴影效应导致归一化植被指数(NDVI)植被密集程度非常低,造成严重的反演误差,然而强反射对线偏振度(DoLP)的影响不大。研究结果表明,反射辐射信号饱和时,偏振效应可以通过适当的频带提高植被的反演精度,平均NDVI的相对误差为33.8%,而DoLP(670nm)的相对误差仅为6.3%,而其他波段的DoLP(555nm,864nm)的相对误差要大很多。这项研究结果表明,在植被识别时可以忽略强反射,然而,阴影(弱反射)效应是不容忽视的。FISS-P偏振成像光谱仪是用于计算具有不同反射强度的样品类型的偏振和非偏振参数的有效工具,同时发现在识别植被时,强烈的反射可以忽略不计,但是植被的阴影(弱反射)效应不容忽视。与非偏振方法相比,偏振效应可以提高反射辐射信号饱和时的植被反演精度。这项研究分析了使用偏振法强弱反射强度引起的误差减少。为了进一步揭示植被的阴影(弱反射)效应与DoLP之间的关系,还有一些问题需要解决。     

空间辐射基准传递不确定性的光谱敏感性分析

空间辐射基准对卫星观测气候变化的研究具有重要意义,空间辐射基准的建立不仅可以提高卫星自身观测的相对精度,而且还能通过基准传递来满足其他卫星的在轨溯源需求,用于基准传递的空间高光谱基准遥感器的光谱分辨率对传递相对精度有重要影响。分别利用MODTRAN模式和AER LBL模式的模拟结果作为高光谱遥感器的太阳反射波段和地球热发射波段的代理数据,分析了光谱采样对光谱辐射观测结果的影响以及光谱采样差异引起的辐射基准传递的不确定性。考虑5种下垫面和6种大气条件,对比了不同光谱采样间隔下光谱辐射的差异,并利用敏感性实验的方法,以MERSI-II为目标遥感器,评估了空间辐射基准交叉传递的光谱不确定性。结果表明:光谱采样间隔越大,光谱辐射的差异越大,在气体吸收区、绝对辐射低信号区、近紫外太阳光谱暗线区的最大辐射差异可达100%;在大气窗区,当太阳反射波段的光谱采样间隔优于4nm时,基准传递的不确定性小于0.3%,当地球热发射波段光谱的采样间隔优于2cm-1时,不确定性可小于0.1K;在近紫外太阳光谱暗线区和气体吸收区,太阳反射波段的基准传递对光谱采样十分敏感,当采样间隔为4nm时,中心波长为1.38μm的通道的不确定性可达40%,当地球热发射波段在7.2μm水汽弱吸收区时,光谱采样间隔优于0.8cm-1才能满足不确定性小于0.1K的需求。     

稳态大视场偏振干涉成像光谱仪中视场补偿型Savart偏光镜透射率研究

论述了基于视场补偿型Savart偏光镜的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的分光机理.依据电磁场边值条件,分析了光在视场补偿型Savart偏光镜中各晶体分界面上的透射情况,得出了透射率的理论计算公式.采用计算机模拟,分析了在半波片为不同材料时,透射率随入射波长、视场角及半波片厚度的变化关系.研究表明,视场补偿型Savart偏光镜具有大视场、高通量、高探测灵敏度的显著特点.此研究可为新型干涉成像光谱技术的研究和新型偏振干涉成像光谱仪的设计、研制提供重要的理论指导. 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 视场补偿型Savart偏光镜 透射率 电磁场边值条件     

高分辨率傅里叶变换光谱技术在短波段光学中的应用及进展

讨论了傅里叶变换光谱技术向短波段光学扩展的必要性和主要技术难点,分别介绍了几种应用于紫外、真空紫外及软Ｘ射线波段的傅里叶变换光谱仪结构性能与原理,并进一步阐述了高分辨率傅里叶变换光谱仪在短波段光学中的应用     

水体细菌微生物多波长透射光谱快速准确获取方法研究

为实现水体细菌微生物快速在线监测,搭建了多波长透射光谱快速测量实验系统,利用该系统分别测量了重铬酸钾标准溶液紫外波段及中性滤光片可见波段的透射光谱,并与紫外-可见分光光度计测得的透射光谱进行对比分析,验证了实验系统测量透射光谱的准确性;以水体中常见的金黄色葡萄球菌作为研究对象,利用搭建的实验系统获取金黄色葡萄球菌溶液在220～900 nm波段的前向小角度透射光谱,进一步验证了实验系统测量细菌微生物透射光谱的准确性和快速性。结果表明,由实验系统和紫外-可见分光光度计测得的重铬酸钾标准溶液,与中性滤光片紫外波段及可见波段透射光谱的线性拟合相关系数分别为0.999 7和0.999 5,光密度误差分别在5.00%和4.58%以内,说明两个系统测量光谱的一致性较好,所搭建的实验系统测量标准样品紫外-可见透射光谱准确度较高;对于金黄色葡萄球菌,实验系统测得的透射光谱经过校正后,与紫外-可见分光光度计测得的透射光谱线性拟合的相关系数为0.999 97,两者相比的光密度误差在0.74%以内;系统重复30次细菌光谱信号采集获得平均透射光谱单次测量时间为15 s,说明该实验系统相对于紫外-可见分光光度计能够快速准确获取水体细菌微生物多波长透射光谱,在保证测量结果准确的同时缩短了光谱测量时间,为水体细菌微生物快速检测提供技术支持。     

高分辨傅里叶变换光谱技术在短波段光学中的应用及进展

讨论了傅里叶变换光谱技术向短波段光学扩展的必要性和主要技术难点,分别介绍了几种于紫外,真空紫外及软Ｘ射线波段的傅里叶变换光谱仪结构性能与原理,并进一步阐述了高分辨率傅里叶变换光谱仪在短波段光学中的应用。     

光栅色散临边成像光谱仪的研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。从大气临边成像光谱探测的原理出发,设计并研制了光栅色散紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构型式,其中,前置望远光学系统为像方远心,光谱成像系统为物方远心。工作波段为540~780 nm(一级衍射光谱)和270~390 nm(二级衍射光谱),通过切换可见、紫外带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8 kg,体积为450 mm×250 mm×200 mm。实验检测结果表明,该样机的空间分辨率为0.45 mrad,光谱分辨率为1.3 nm,均满足设计指标要求,并且具有体积小、质量小等特点,适合空间遥感应用。     

利用一种偏振方法减小由强反射或弱反射强度引起的植被反演误差

无论是多角度遥感的发展、还是偏振、高光谱遥感的发展,它们有一个相同的目的,即利用电磁波的种种特性、以及空间特性来对地球表面的一切地物进行精确的识别。任何单一的方法和手段不可能完整地描述和反映地物的所有特征。偏振测量是目标测量识别技术中不可缺少的技术之一,并且成为近年来全世界目标识别领域中的研究热点。由于定量遥感的反射强度对植被遥感的影响不可忽视,反射辐射信号呈现饱和或过弱都不能被检测到。而偏振是植被定量遥感的重要手段,因而有必要开发一种克服由反射强度强弱引起的植被反演误差的方法,这也是我们目前的研究目标。如果反射的辐射信号太强或太弱,都会影响遥感的准确性,而来自植被的偏振光可以提供有用的信息,特别是当反射的辐射信号饱和时,使得传感器不能获得足够有用的非偏振信息。本研究采用基于地面的偏振成像光谱仪系统,开发了一种偏振方法来克服反射强度过强过弱引起的植被反演误差。利用FISS-P偏振成像光谱仪系统研究了反射强度对遥感植被NDVI和DoLP效用的影响,实验地点在北京市中国科学院奥林匹克科技园。在对目标采样时对反射率强,反射率弱以及反射率适中的植被分别测量,同时对目标植被的不同波段(470, 555, 670, 864 nm)的DoLP进行计算与分析。地基成像光谱仪系统(FISS-P)提供了具有偏振信息的高空间分辨率图像,我们可以确定在阴影和强反射区域中单个像素的光谱偏振特性。在成像光谱信息的基础上,利用光的偏振性来对地物的物理特性进行分析。本文使用斯托克斯分量来表征反射光的各个偏振分量,使用线偏振度(DoLP)表征反射光偏振程度。信号饱和度和阴影效应导致归一化植被指数(NDVI)植被密集程度非常低,造成严重的反演误差,然而强反射对线偏振度(DoLP)的影响不大。研究结果表明,反射辐射信号饱和时,偏振效应可以通过适当的频带提高植被的反演精度,平均NDVI的相对误差为33.8％,而DoLP(670 nm)的相对误差仅为6.3％,而其他波段的DoLP(555 nm,864 nm)的相对误差要大很多。这项研究结果表明,在植被识别时可以忽略强反射,然而,阴影(弱反射)效应是不容忽视的。FISS-P偏振成像光谱仪是用于计算具有不同反射强度的样品类型的偏振和非偏振参数的有效工具,同时发现在识别植被时,强烈的反射可以忽略不计,但是植被的阴影(弱反射)效应不容忽视。与非偏振方法相比,偏振效应可以提高反射辐射信号饱和时的植被反演精度。这项研究分析了使用偏振法强弱反射强度引起的误差减少。为了进一步揭示植被的阴影(弱反射)效应与DoLP之间的关系,还有一些问题需要解决。     

近红外双波段消偏振分光膜的设计

大角度倾斜入射时,光学薄膜表现出强烈的偏振效应。这一现象在大部分应用场合会带来系统光学性能的劣变,然而控制偏振效应的光学薄膜设计是困难的。分析了产生偏振效应的内在原因,采用由三种全介质材料构成的四层膜堆和等效层结构膜堆组合得到初始膜系,结合单纯形法和共轭梯度法的多级优化,设计了1300～1330nm和1535～1565nm两个波段范围内分光比都为1∶1的近红外双波段消偏振分光膜。结果显示,在45°入射时,在两个工作波段的s分量和p分量的反射率曲线偏振分离小,反射和透射引起的相位变化也控制在很小范围。