大气红外辐射及消光特性实测研究

应大口径红外望远镜选址需求,研制了一台红外辐射测量设备,对丽江天文观测站及澄江M′波段(4.605~4.755μm)大气红外辐射与消光特性进行了实测。用Allan方差法和大气辐射传输方程分别对大气辐射的时间和空间变化数据进行了分析,讨论了辐射时空变化对红外天文观测的影响。结果表明,低频区的辐射涨落较大,Allan方差随积分时间呈指数增加,丽江和澄江的Allan方差拟合参数分别为0.794和1.238。从天顶到60°天顶角,丽江和澄江站的辐射亮度分别增大了68%和72%,透过率分别降至0.46和0.52;红外天文观测需斩波,在丽江站,探测器单像元、2×2Binning、4×4Binning最佳斩波频率分别为0.030,0.070,0.144 Hz。实测所得Allan方差、大气消光、最佳斩波频率可用于指导大口径红外望远镜的选址及设计。     

数字图像频域相关分析法及其应用

提出了一种以灰度为载体的数字图像频域相关(DFC)计量的方法,通过傅里叶变换和滤波,直接提取物体位移信息。与传统的激光散斑法比较,无需干涉光源,可用白光照明,因此对实验环境的要求很低;与数字图像相关法比较,计算速度更快,对照明要求更低,不受刚体转动影响。新方法不仅设备简单、容易实现,还具有灵敏度可调,测量过程无需人工干预的良好特征,由于充分利用了计算机数字图像处理的功能,抗干扰性强,是一种适合工业现场测量的有发展前途的位移全场测试新技术。     

白光数字散斑图像频域自动识别技术——用于逐点分析的数字相移法

提出了一种应用于白光数字散斑图像频域位移测量技术的数字相移方法,利用计算机本身的能力,无需增加任何设备,通过计算机生成的四幅图像进行相移计算,得到逐点分析的条纹的未去包裹图像,从该图像确定位移的方向和大小,实现了白光数字散斑图像的全自动化处理。白光数字散斑方法设备简单,对环境的要求低,无需防振和相干光源,引入本文提出的数字相移技术,由于充分利用了计算机数字图像处理的功能,在未增加任何设备的情况下实现了全自动位移测量,是一种适合工业现场测量的有发展前途的位移测试的技术。     

国内典型天文台站大气红外背景辐射实测分析

大气背景辐射强弱决定了红外望远镜系统极限灵敏度,直接影响系统设计,背景辐射也是反映天文台站观测性能优劣与否的一项重要指标。实测了国内的阿里天文台、德令哈观测站、怀柔观测站等几个典型天文台站大气红外背景辐射,尤其是获得了阿里天文台大气红外背景辐射的一手资料。实测结果表明:阿里天文台大气红外背景辐射的强弱以及辐亮度均值的昼夜变化在几个台站中均最小,其最大辐亮度均值为1.3010-6 Wcm-2sr-1,辐亮度均值的最大昼夜变化仅为18%,其红外背景辐射限最优;其次是德令哈观测站。将扫天实测辐亮度与MODTRAN模拟辐亮度进行对比,发现对于国内如阿里等青藏高原高海拔地区无论是标准大气模式还是实际大气模式其模拟结果与实测间皆存在较大差异。     

3~5μm红外天空亮度测量的多元定标模型

传统一元定标法测量红外天空亮度,面临诸多困难,如测量易受环境温度变化影响、仪器动态范围不足等。提出增加积分时间为自变量的二元定标模型,解决了仪器动态范围不足的问题;然后通过改变环境温度的系列实验,掌握了二元定标模型中仪器辐射随环境温度变化的规律;基于此,提出再增加环境温度为自变量的三元定标模型。实验数据表明,三元模型与实测数据拟合程度很高,相关系数为1.000,模型参数a、b、d,95%置信度的相对不确定度均小于0.82%,当环境保持某一温度不变时,三元模型退化为二元模型,各模型参数稳定,其相对偏差小于0.6%。最后,通过红外天空亮度实测,验证并比较了三元和二元定标模型;结果表明,三元模型定标测量法使用条件宽泛,既扩大了仪器动态范围,又不受环境温度变化影响;更重要的是,不再需要现场定标,提高了测量精度和测试效率。     

天文应用之红外器件性能与测试评估方法分析

简要介绍红外技术在天文观测中的意义、天文观测对红外探测器件以及红外光学系统的独特要求。重点归纳和总结了天文观测中所关注的主要性能指标,并且给出部分指标的测试方法,为红外技术运用于天文观测建立基础。     

基于辐射传输的M'波段大气透过率实测和误差分析

采用自制的M'波段（4.605~4.755 m）红外辐射测量系统对阿里观测站、德令哈观测基地和怀柔观测基地的大气辐射进行实地测量,并对结果进行拟合和误差分析。首先,基于黑体定标结果和辐射传输方程,得到输出有效读数与平均大气透过率和天顶角的关系公式;在三个站点对不同天顶角下的大气红外辐射进行扫描测量,利用上述公式,拟合出M'波段平均大气透过率。结果表明,三地透过率的加权平均值分别为0.805、0.758、0.650,透过率随时间的起伏分别为0.081、0.250、0.073,高海拔的阿里观测站透过率最高。用MODTRAN软件模拟的平均透过率分别为0.851、0.805、0.615,与实测结果接近;误差分析表明:有效读数越大,传递误差越小,此方法的理论误差优于10%。文中提供了一种不依赖气象数据,实时获得大气透过率的方法。     

中红外大气背景辐射测量系统及误差分析

为研究大气背景辐射和仪器辐射规律、控制仪器热辐射和仪器精度,设计了一套大气背景辐射测量系统。分析了测量系统各组件和辐射定标等各类误差源对总测量误差的影响,还分析了定标精度的影响因素,确定了测量工作的改进方向。结果表明:该系统在定标区间内的测量误差主要是定标误差和随机误差,两者分别为2.4719%和0.0790%;合成误差为2.4732%。当用该系统测量大气背景辐射时,对大多数优良的天文台站而言,大气辐射强度远低于定标时的辐射强度,因此需进行外推测量。对外推测量误差的估计结果表明,外推测量可能导致较大的测量误差。为提高大气背景辐射测量精度,更低辐射强度的标准辐射源不可或缺。研制了大气背景辐射测量系统,并进行了野外实测等工作,这为大口径红外天文望远镜系统的研制并将其实际应用于红外天文观测提供了基础。     

用于天文观测的InGaAs近红外探测器性能测试方法

基于天文红外探测器评价体系,利用改进的“光子转移曲线”测试方法,分别测试了液氮制冷和热电制冷的两款InGaAs近红外探测器的性能。NIRvana-LN光电子与输出数字量的转换因子为0.16ADU/e^-,读出噪声实测值是83 e^-,远高于标称值15 e^-;NIRvana的高、低转换因子分别为1.25ADU/e^-和0.097ADU/e^-,读出噪声分别为105 e^-和380 e^-;NIRvana在高转换因子档下暗电流实测值是415 e^-/s,大约是标称值的2倍。理论估算云南天文台两米环形望远镜在1.565 μm太阳磁场测量时的信号电子数约8800 e^-,在实测暗电流4.06 e^-/s,像元曝光时间20 ms,读出噪声83.59 e^-条件下,NIRvana-LN探测器信噪比为70。     

数字全息计量技术及其在微小位移测量中的应用

数字全息是用数字的方式记录和处理全息图像，避免了传统全息照相的化学处理，既简化了处理过程，更便于用数字图像处理的方式来改进图像质量和提取信息。数字全息干涉计量技术是一种全场、非接触的光学测量方法，该方法测量精度高，光路简单，对防振要求低，实验条件容易满足，特别适合微小物体的微小位移或变形的精确测量。本文运用数字全息干涉计量法测定了两端固支梁的微小离面位移；经实验验证数字全息计量术能精确测量物体0．01微米量级位移或变形；而且该方法可靠性好、成本低；是非接触的无损测量。数字全息计量技术的这些特点使得该技术在小物体的微小变形测量上具有特别的优越性，因而在MEMS结构及MEMS材料参数(如弹性模量、泊松比、热变形系数等)的测定中有广阔的应用前景。