温度变化时的热胀冷缩会造成光谱仪中光学元件位置的变化，从而导致波长产生较大的偏移。针对这个问题，进行了适用于不同温度的波长定标方法研究。提出了一种基于温度补偿的波长定标理论模型与方法。将温度作为变量，建立了波长、像元位置和温度的三维函数关系理论模型。采用标准汞氩灯进行了定标实验。通过三次多项式曲面拟合确定了多项式的系数，验证了高低温环境下的定标精度。该方法有效地修正了由温度导致的电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)响应值大小的变化和光路中光学元件位置的偏移，提高了波长校正系数容错能力以及温度变化时的波长精度，并提升了光谱仪的环境适应性。
光谱仪 温度补偿 波长定标 曲面拟合 spectrometer temperature compensation wavelength calibration surface fitting
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。
红外傅里叶光谱仪 相位处理 仪器相位 复数辐射定标 Infrared fourier transform spectrometer Phase processing Instrument phase Complex radiometric calibration 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3328
光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer, OSA）是光通信领域的重要测试分析仪器，主要用于测试光源、光纤光缆以及光器件的光谱特性。在介绍OSA基本原理的基础上，研究了波长精细定标方法。首先，分析了波长与采样点及探测波段之间的关系；然后基于可调谐激光器与波长计，利用最小二乘法对几个特征波长进行了定标；最后利用近红外光谱测试系统进行了验证实验。结果表明，定标后的波长准确度控制在±0.3 nm以内，满足产品指标要求。
光通信 光谱分析仪 波长定标 波长拟合 optical communication optical spectrum analyzer wavelength calibration wavelength fitting
为了使光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer, OSA)能精确测量窄谱宽光信号, 要求光栅转动一圈分辨200万个点。设计了一种基于衍射光栅、直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)和光电编码器的高分辨率光栅定位系统。实现了基于比例--积分--微分(Proportion Integration Differentiation, PID)的高精度闭环调速控制技术, 以驱动BLDCM带动光栅的转动。同时, 高精度光电编码器快速检测并反馈光栅的角位置, 细分电路对编码器的输出信号作进一步细分。将输出信号的分辨率从16000点/圈提升至2048000点/圈, 极大地提升了光栅定位系统的整体分辨率。通过实验测试了光栅扫描速度、波长重复性和波长准确度等性能指标, 验证了光栅定位的精度和分辨率。
光谱分析仪 直流无刷电机 光电编码器 高分辨率 光栅定位 optical spectrum analyzer BLDCM photoelectric encoder high resolution grating positioning
1 中电科仪器仪表有限公司, 山东 青岛 266555
2 中国电子科技集团有限公司第四十一研究所电子测试技术重点实验室, 山东 青岛 266555
针对最高分辨率可达0.1 pm的布里渊近红外光谱仪波长标定的难题,基于多次标定逐步降低波长误差的思路,提出了一种协同融合标定原理的标定流程:首先,基于布里渊光谱分析理论模型,结合泵浦信号波长、受激布里渊频移、增益谱线型函数等推导出超高分辨率光谱的理论波长;然后,采用FP标准具进行相对波长的标定;最后,基于气室完成绝对波长的标定。气室中充入HCN+ 12CO+ 13CO混合气体,以实现C+L波段的覆盖。针对可能存在的光谱鬼线,提出了一种基于受激布里渊增益谱与衰减谱共生特性的鬼线识别方法。实验结果表明:布里渊光谱仪的理论波长偏差超过了10 pm,相对标定可将波长不确定度降低到±2.5 pm,绝对标定可将波长不确定度进一步降低到±0.035 pm。
光谱学 布里渊光谱仪 光纤受激布里渊效应 超高分辨率光谱 波长标定 FP标准具 气室 光学学报
2020, 40(20): 2030001
1 中电科仪器仪表有限公司, 山东 青岛 266555
2 中国电子科技集团公司第四十一研究所电子测试技术重点实验室, 山东 青岛 266555
针对毛刺的实时检测校正需求,提出一种基于滤波和预定义阈值检测的干涉数据毛刺实时检测校正方法,并给出了基于现场可编程门阵列的硬件实现。在使用较少硬件资源的情况下,所提方法可实现较高的检测精度,能有效检测出干涉数据中央条纹区可能存在的毛刺,可满足星上数据等实时处理的应用需求。
光谱学 干涉数据毛刺 实时检测校正 滤波 预定义阈值 光学学报
2019, 39(10): 1030002
中国电子科技集团公司第四十一研究所电子测试技术重点实验室, 山东 青岛 266555
傅里叶变换光谱仪通过获取待测光的干涉信号来反演光谱信息,是重要的光谱测试与分析仪器。受光电探测电路不稳定、干涉模块装调不到位等因素的影响,傅里叶变换光谱仪获得的干涉光谱信号会出现漏采点、过饱和点、噪声点等无效数据点,导致反演的光谱信号出现失真。为此,研究了一种基于小波变换的干涉光谱信号检测方法,该方法能够快速有效地定位干涉信号中多种无效数据点的位置;在此基础上,研究了干涉光谱信号的校正方法,根据无效点所在区间段的信号特征,通过样条插值方法进行数据拟合,校正干涉光谱信号。通过仿真验证了本方法的可行性;搭建了近红外波段傅里叶变换光谱实验系统,并基于该系统进行验证性实验,对获得的干涉信号进行检测与校正,提高了反演光谱信号的准确性。
光谱学 傅里叶变换光谱仪 干涉条纹检测 小波变换
