1 南京邮电大学电子与光学工程、 微电子学院, 江苏 南京 210023
2 中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安 710054
光纤布拉格光栅(FBG)是一种广泛应用于光纤通信和传感领域的关键器件, 具有灵敏度高、 体积小及抗电磁干扰等诸多优点, 但长时间工作在高温环境下其光栅特性会逐渐衰退甚至完全擦除, 极大地限制了FBG在工业生产、 石油电力、 航空航天等一些特殊领域的应用。 通过高温退火处理有望使FBG在高温擦除后重新生长出能在高温环境下稳定工作的热重生FBG(RFBG)。 因此, 研究高温退火程式对RFBG性能的影响具有重要意义。 基于248 nm准分子激光器, 以相位掩模法制作得到反射光谱中心波长为1 548.5 nm、 反射率为97.8%、 3 dB带宽为0.36 nm的初始FBG, 再利用高温管式炉对初始FBG进行高温退火处理, 发现FBG在950 ℃时实现热重生, 得到反射光谱中心波长为1 546.7 nm、 反射率为50.6%、 3 dB带宽为0.19 nm的RFBG; 进一步研究发现, 在950 ℃实现高温热重生后退火程式对RFBG性能有很大影响, 对RFBG采用急速冷却、 缓慢冷却和自然冷却以及氩气气氛下自然冷却4种方式进行退火处理并与初始光栅进行对比, 结果发现采用急速冷却方式处理的RFBG机械性能最佳, 其保留了初始光栅约 50%的机械强度, 优于缓慢冷却、 自然冷却处理仅分别保留初始光栅22.2%和29.9%机械强度的RFBG, 并发现在氩气中进行退火处理有利于RFBG机械强度的提升, 同样是自然冷却, 在氩气气氛中退火得到的RFBG保留了初始光栅43%的机械强度。 进一步对采用急速冷却方式处理的RFBG进行热循环、 热稳定性等测试。 结果表明, RFBG在150~1 050 ℃内三次加热循环结果完全重叠, 温度灵敏度为16.30 pm·℃-1, 温度灵敏度相关系数R2为0.995 38, 且在800 ℃温度下进行热稳定性测试7 h, 波长总漂移量仅为0.08 nm, 表明所制备的RFBG具备良好的测温性能和稳定性。 该研究工作为RFBG高温传感器的实用化和工程化应用提供了一定的理论与实验依据。
光纤布拉格光栅 高温退火 热重生光纤光栅 热稳定性 Fiber Bragg grating High-temperature annealing Regenerated fiber Bragg grating Thermal stability 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1934
中国科学院武汉物理与数学研究所， 湖北 武汉 430071
临近空间风温遥感技术是研究大气动力学、热力学特性的重要手段，也是提高空间天气数值预报准确性的必要途径。针对临近空间大气风温遥感探测需求，通过分析临近空间风场和温度的探测原理和方法，并比较现有星载被动风温探测方式，提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪的近红外星载风温成像干涉仪，其工作波长为O2分子在1.27 μm的谱线，探测范围覆盖整个临近空间。论述了系统工作原理和设计过程，其中，重点阐述了兼具视场展宽、色差矫正、温度补偿功能的Michelson干涉仪和用于对O2分子谱线鉴频的F-P干涉仪的设计，并进行了模拟仿真实验。仿真结果表明风速测量误差为18.98%，可满足临近空间大气风场和温度场探测要求。
风温遥感 临近空间 视场展宽 迈克尔逊干涉仪 星载成像干涉仪 F-P干涉仪 wind temperature remote sensing adjacent space field widening Michelson interferometer spaceborne imaging interferometer F-P interferometer
1 武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079
2 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，湖北 武汉 430071
多光谱全波形激光雷达可同时获取隐含光谱信息在内的全波形综合信息，波形分解是影响多种回波参数反演精度的关键技术。提出了一种适用于多光谱激光雷达数据的波形分解方法，对各个通道灵活选择拟合子函数，充分利用多个通道之间的空间相关性，实现对目标的空间位置和光谱信息的精确提取；建立了光谱空间和RGB色彩空间之间的映射关系，实现目标的三维色彩重建。实验测试结果表明：该方法有效克服了环境光干扰，可实现全天时的目标三维色彩重建。通过与现有方法比较，误差标准差和决定系数R2这两个误差评估指数均验证了所提出的方法具有更高的测距精度和色彩信息反演精度。另外，实验结果验证了实验测试结果表明：该方法可实现全天时的目标三维色彩重建，有效克服了弱回波信号丢失、环境光干扰等影响，通过设定最佳脉冲累积数可有效提高兼顾了目标的测距精度和色彩信息反演数据处理精度和扫描效率。未来可通过优化激光探测波段，将该方法拓展到其他激光雷达系统上，进一步提高目标三维色彩重建精度。
全波形激光雷达 多光谱激光雷达 波形分解 三维色彩重建 full waveform lidar multispectral LiDAR waveform decomposition 3D color reconstruction 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200368
1 中国地质大学数学与物理学院, 湖北 武汉 430074
2 中国科学院武汉物理与数学研究所, 湖北 武汉 430071
工业烟囱及船舶尾气中SO2气体排放是造成大气污染的重要因素。 SO2容易被氧化生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶, 产生酸雨, 严重危害大气生态环境平衡及人类健康。 现有的SO2光学遥感测量技术, 如拉曼散射激光雷达、 差分吸收激光雷达 (DIAL)、 傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、 紫外差分吸收光谱(DOAS)、 高分辨光谱成像等, 难以兼顾气体污染监测对高时间分辨率、 高空间分辨率以及便携机动等应用需求。 近年来, 紫外SO2相机成像探测因探测精度高、 实用性强得到迅速发展, 该技术时间分辨率高、 空间分辨力强, 能从解析图像中直观在线获取污染气体浓度在空间的二维分布及随时间的排放率, 对于监测环境污染有重要作用。 基于紫外SO2相机成像探测技术, 围绕SO2柱浓度探测的测量原理及影响因素、 仪器设计及实验方法、 反演算法及结果比对等方面开展研究。 取得的成果主要有: (1)利用窄带滤光片的窄波窗口, 用紫外相机测量310 nm附近的SO2紫外吸收, 建立了紫外成像遥感监测理论模型, 介绍了紫外成像遥感检测获取SO2浓度图像的测量原理; (2)将滤光片放置镜头前后, 讨论了不同入射角对滤光片中心波长及透过率曲线的影响, 发现滤光片放置镜头后, 相机系统对SO2的灵敏度受入射角影响更小, 对SO2浓度图像的反演误差更小; (3)分析了太阳高度角对SO2浓度图像反演的影响, 阐明了SO2浓度反演曲线实时校准的不可或缺性; (4)通过理论分析设计出了紫外成像遥感探测装置, 开展了基于紫外成像遥感监测SO2气体排放的实验研究, 通过2-IM法拟合出了人工天空背景, 获得了SO2光学厚度图像, 利用标准泡进行校准, 反演出了SO2浓度图像; (5)采用DOAS技术对SO2气体排放进行监测, 与紫外成像遥感获得的SO2浓度进行对比表明, 两方法实验结果所计算得到的浓度信息趋势相一致, 从而证明紫外成像遥感监测技术测量结果的准确性, 同时展现了该技术在工厂烟囱及船舶尾气污染排放遥感监测中的巨大应用前景。
SO2相机 紫外光谱 差分吸收 成像遥感 SO2 camera Ultraviolet spectroscopy Differential optical absorption Imaging remote sensing 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1289
1 中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院武汉物理与数学研究所, 武汉 430071
为了准确有效监测工业烟囱排放，基于SO2及碳黑颗粒物的光学特性，设计并研制出一套双通道紫外成像遥感监测系统.该成像系统的两个光谱通道的中心波长分别定于310 nm和330 nm，利用两个通道的光学厚度之差反演SO2浓度图像，颗粒物浓度图像由330 nm通道获取，根据浓度图像结合光流法获取烟羽运动速度，进而计算得出SO2和碳黑颗粒物的排放速率.结果表明，该工业烟囱的SO2及碳黑颗粒物排放速率分别为72.48±3.16 kg/h和6.33±1.18 kg/h.实验采用紫外相机同时对工业烟囱排放的SO2及碳黑颗粒物进行监测，实验表明双通道紫外成像遥感监测兼具高时间分辨率与高空间分辨率，测量结果准确直观，在工业废气污染、船舶尾气污染以及火山喷发污染排放遥感监测中具有非常明显的技术优势及巨大的应用前景.
光学遥感 紫外成像 空气污染 吸收光谱 图像处理 Optical remote sensing UV imaging Air pollution Absorption spectra Image processing
1 中国科学院武汉物理与数学研究所 波谱与原子分子物理国家重点实验室， 湖北 武汉 430071
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院空间科学与应用研究中心空间天气学国家重点实验室, 北京 100190
激光雷达为了探测更高大气层段的回波信息，通常采用大功率激光器发射和大口径望远镜接收来增加回波信号强度，然而会带来低空强散射回波信号光饱和的问题。机械斩波方式从光学上巧妙地完全阻断了低空杂散光，而让高空回波光全部通过，有效提高了激光雷达高空探测能力。对斩波器原理进行理论分析，并组建了一套斩波单元。经测试，测试结果与理论计算符合得很好。将此斩波单元直接运用于高空探测激光雷达之中，实现了对低空强散射光的有效隔离，解决了光电探测器在低空大气层段探测的饱和甚至致盲问题，有利于提高激光雷达的探测高度和精度。
机器视觉 机械斩波 激光雷达 光电探测 饱和
中国科学院武汉物理与数学研究所,波谱与原子分子物理国家重点实验室, 湖北 武汉 430071
在许多光电系统中,如激光雷达、激光通信、光电探测等,对其 滤光和鉴频的能力提出了越来越高的要求。 采用传统的光学高分辨技术满足这些应用要求,存在高光谱分辨率与系统稳定性、技术复杂性、 甚至成本的矛盾,而采用基于原子跃迁的高分辨光学技术(即原子滤光技术),可以在很大程度上缓解这一矛盾。 在光电系统接收端采用原子滤光技术后,在其发射端也必须采用同种原子的同种跃迁控制激光波长, 从而构成了原子控制的光学信道。介绍了原子控制光学信道的作用、原理、构成,以及几种采用 原子控制信道进行高分辨率滤光和高精度鉴频的光电系统。
原子滤光 原子稳频 光学信道 滤光和鉴频 atomic optical filter atomic frequency stabilization optical channel optical filter and frequency discrimination
