1 中国科学院红外探测与成像技术实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国科学院空间应用工程与技术中心太空应用重点实验室，北京 100094
4 中国科学院大学，北京 100049
傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势，非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪（FY-4/GIIRS）运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点，推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法，通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率，拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后，利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数，就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空（TVAC）定标试验数据验证，该算法简单有效，在各试验环境温度工况下，对180~320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。
红外探测 辐射定标 非线性校正 傅里叶变换光谱仪 高光谱 infrared detection radiometric calibration nonlinearity correction FTIR hyper spectrum
1 北京工业大学环境与生命学部智能化生理测量与临床转化北京市国际科技合作基地，北京 100124
2 北京工业大学樊恭烋荣誉学院，北京 100124
本文将重建光谱仪的光谱重建理论应用于傅里叶变换光谱仪中，使光谱仪可以兼具重建光谱仪高光谱分辨率优势以及傅里叶变换光谱仪固有的高光通量优势。利用构建的简易空间外差傅里叶变换光谱仪实验装置在520~530 nm光谱范围内进行验证实验。使用实验装置采集的不同单波长入射光光斑图像进行光谱校准实验，证明了傅里叶变换光谱仪可满足光谱重建理论必需的光斑与波长间唯一的一对一映射关系。随后，使用用于光谱校准的光斑图像进行光谱重建实验，实现了0.10 nm的光谱分辨率，相比通过傅里叶变换光谱仪原理得到的~5.65 nm光谱分辨率有明显提高。最后，使用额外采集的波长525 nm入射光光斑图像进行光谱重建实验，重建光谱中存在重建误差，且525 nm处光谱信号峰的半峰全宽（FWHM）~0.30 nm。光斑图像相关性分析显示，光谱重建受光斑图像采集过程中噪声和相邻波长入射光光斑图像高相似性的影响。尽管如此，重建光谱仍然可以反映入射光的光谱信息，且信号峰的FWHM小于傅里叶变换光谱仪原理得到的光谱，验证了将光谱重建理论应用于傅里叶变换光谱仪的可行性和高光谱分辨率优势。
仪器、测量与计量 光谱仪和光谱仪器 傅里叶变换光谱学 光谱重建理论 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0912003
1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所太赫兹固态技术重点实验室, 上海 200050
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
二氧化钒是一种具有绝缘态到金属态可逆相变特性的材料, 在光器件及信息技术中有非常广泛的应用。分别采用太赫兹频段的光谱测量技术和阵列成像技术研究分析了硅基二氧化钒材料的相变过程。采用傅里叶变换光谱测量系统, 获得了整个样品在 2.5~20.0 THz频段透射谱和反射谱随温度的变化, 分析得到了硅基二氧化钒材料相变的温度范围为 334~341 K, 对应温差为 7K; 得到了相变前后样品对 4.3 THz辐射的透过率变化达 40%以上, 反射率变化接近 30%。随后采用一套 4.3 THz的阵列成像系统, 测量了整个样品在相变前后的太赫兹图像, 获得了该材料由金属态转变为绝缘态时, 其对 4.3 THz激光信号的透过率由 6.7%升至 50.7%, 透过率变化达 44%, 与傅里叶变换光谱在 4.3 THz处的测量结果相当。上述研究结果为硅基二氧化钒材料用于 2.5 THz以上电磁辐射的透射调制和反射调制提供了很好的实验数据支撑。
太赫兹 硅基二氧化钒 相变材料 傅里叶变换光谱 阵列成像技术 terahertz silicon-based vanadium dioxide phase transition materials Fourier transform spectroscopy array imaging technique 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(12): 1225
王玥 1,3,4陈楠 1,2,3,4王博雨 1,5刘涛 1,3,4夏洋 1,2,3,4
1 中国科学院微电子研究所,北京 100190
2 中国科学院大学,北京 100049
3 北京市微电子制备仪器设备工程技术研究中心,北京 100029
4 集成电路测试技术北京市重点实验室,北京100089
5 北京交通大学研究生院,北京100044
近红外傅里叶变换光谱仪作为一种常用的科研级近红外光谱检测仪器, 广泛应用于各个科研领域。 目前的近红外光谱仪着重于光谱分辨率方面的提升, 在光谱信噪比提升方面关注较少。 光谱信噪比直接影响光谱线指数测量精度的优劣, 光谱信噪比越高, 光谱线指数测量精度越高, 越有利于对微量物质进行精细光谱比对。 因此, 提升光谱仪的光谱信噪比是十分必要的。 对比常用的钨灯光源, 激光驱动等离子体光源(LDLS)不仅在近红外区域具有高光照强度的优点, 而且其独特的高频调制输出信号在经锁相放大器调制解调后能够很好的抑制背景信号对干涉光谱所带来的影响。 高亮度与辐射调制的结合使得以LDLS作为光源的近红外傅里叶变换光谱系统在光谱信噪比方面获得显著提升。 基于上述原因, 提出利用新型激光驱动等离子体光源作为光谱信号输出源的近红外傅里叶变换光谱系统, 并与含有调制能力的钨灯光源搭建的近红外傅里叶变换光谱系统进行了信噪比的比较实验。 首先利用钨灯光源由斩波器高频调制再经过锁相放大器解调的方式, 对锁相放大器积分时间进行优化并通过计算干涉光谱信噪比进行评估, 分别对比了积分时间为0.5, 1, 5, 10和20 ms的干涉光谱信噪比与对称度, 确定后续系统中的锁相放大器最佳积分时间为5 ms, 该状态下钨灯光源所实现的干涉光谱信噪比经计算约为90:1; 其次利用激光驱动等离子体光源代替钨灯光源和斩波器, 在最佳积分时间下进行干涉光谱信噪比对比评估, 结果表明激光驱动等离子体光源的干涉光谱信噪比与传统钨灯光源相比提升111倍; 最后, 利用近红外标准片对系统进行光谱测量准确性评估, 结果表明利用该光源的近红外傅里叶变换光谱系统的近红外吸收峰值误差<0.5 nm, 具有高光谱准确性与分辨能力。
傅里叶变换光谱仪 激光等离子体 近红外光谱技术 锁相放大 信噪比 Fourier transform spectrometer Laser plasma Near infrared spectroscopy Lock-in amplifier Signal-to-noise ratio 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1666
1 浙江万里学院信息与智能工程学院, 浙江 宁波 315100
2 西安交通大学电子与信息学部, 信息与通信工程学院, 陕西 西安 710049
3 西安现代控制技术研究所, 陕西 西安 710065
针对由非线性光程差恢复出的光谱会出现附加频率噪声而导致复原谱线加宽,严重影响光谱质量,为此提出一种仅对特征光源进行一次测量即能完成干涉图非线性光程差校正及波长定标的方法。通过对特征光源的单次测量可获得干涉图,计算干涉图中包含的非线性相位与大致中心频率,并计算相对光程差,进而获得光程差与采样点之间的非线性映射关系,最终通过二次采样实现非线性光程差的校正。以静态双折射傅里叶变换光谱仪为例,首先构建系统的非线性光程差模型,给出非线性光程差的校正方法及其原理,然后采用汞氩灯作为特征光源进行实验验证,通过获取的干涉图提取汞氩灯的特征谱线,分析出不同波长下其对非线性光程差的影响,最后对非线性光程差进行校正和波长定标。实验结果表明,经所提方法校正后,546.074 nm波长处谱线的半峰全宽由未校正的9.08 nm变为4.14 nm,说明所提方法有效提升了光谱仪的分辨率与准确度。
光谱学 傅里叶变换光谱仪 非线性光程差 干涉图 定标
1 国家卫星气象中心, 北京 100081
2 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像重点实验室, 上海 200083
干涉式红外探测仪(GIIRS)是我国地球静止轨道气象卫星风云四号B星的主要载荷,可观测大气上行红外高光谱辐射,因此可应用于大气温湿度廓线反演和数值天气预报模型同化。为了预测GIIRS在发射后的工作性能,于发射前在地面试验室热真空环境中采用黑体定标试验的方法,对仪器辐射性能进行了测试,测试的性能包括仪器灵敏度、辐射定标精度和动态观测范围。其中,长波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.5 mW/(m 2·sr·cm -1),中波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.1 mW/(m 2·sr·cm -1),两者均达到灵敏度设计指标。在辐射定标方面,经过非线性校正,长波光谱的平均定标偏差从1 K减小到0.2 K,且在220~315 K观测范围内达到0.7 K的设计指标;仪器在中波通道观测低温目标时受噪声影响较大,但在260~315 K的动态范围内,定标偏差也能够达到0.7 K的指标要求。
光谱学 傅里叶变换光谱学 静止轨道气象卫星 红外高光谱 辐射定标 仪器灵敏度 非线性校正
强激光与粒子束
2022, 34(1): 011010
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
快照傅里叶变换成像光谱仪通过微透镜阵列的多重成像与微反射镜阵列的分布式相位调制实现图谱信息的实时获取。由于阵列器件制作精度的限制,微透镜阵列与微反射镜阵列各单元之间的结构参数会存在不同程度的偏差,从而影响系统的性能。微透镜阵列各透镜单元之间结构参数的偏差可以等效为焦距的非均匀性,微反射镜阵列各阶梯单元之间的差别主要体现在阶梯步长的非均匀性上。本文根据微透镜阵列与微反射镜阵列对光场的相位调制特性,建立了非均匀误差的光场传输模型。采用Monte Carlo方法分别对微透镜阵列的焦距非均匀性和微反射镜阵列的步长非均匀性进行误差合成,统计分析表明相对光谱误差量随着焦距标准差及步长标准差的增加而单调递增。针对步长非均匀误差提出了一种离散光谱相位补偿的光谱校正方法,该方法有效降低了微反射镜阵列的制作精度要求,提高了复原光谱的质量。
光谱学 傅里叶变换光谱仪 非均匀误差 Monte Carlo方法 光学学报
2021, 41(24): 2430001
1 沈阳理工大学理学院, 辽宁 沈阳 110159
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
提出了一种新型静态傅里叶变换光谱仪(FTS)。在该光谱仪的干涉系统中,采用两个具有周期性结构的微反射镜代替马赫-曾德尔干涉系统的平面镜,不仅无任何驱动部件,还无回溯光产生,进而实现了FTS的静态化和高光通量。介绍了静态FTS的工作原理,建立了基于微反射镜的马赫-曾德尔干涉系统模型,仿真得到了该干涉系统的干涉图和频域光谱图。与理想情况的结果相比,仿真得到的干涉图中条纹对比度下降且边缘区域较为严重,仿真得到的频域光谱图中主频峰值降低且基线噪声明显。分析表明,在光束倾斜入射时,两个微反射镜的阶梯式周期性结构不仅会造成干涉光场的能量分布不均匀和两束相干光束偏离,还会引起衍射效应。仿真结果表明,增加两个微反射镜子反射面的个数和子反射面的长度可以有效减小干涉图中信息的失真。进一步地,在满足光谱仪性能的前提下,减小两个微反射镜子反射面的阶梯间隔可获得理想的频域光谱图。
光谱学 傅里叶变换光谱仪 马赫-曾德尔干涉系统 微反射镜 光学学报
2021, 41(18): 1830001
应用于航天遥感领域的高光谱分辨率傅里叶变换光谱仪, 多采用分束器补偿器的方案实现分光。 由于光学器件的加工误差, 实际应用的分束器与补偿器厚度并不能达到理想的完全匹配, 当分束器与补偿器的厚度不匹配时, 由于厚度误差引入的光程差会在视场内产生干涉条纹, 进而影响光谱仪的调制度并降低其信噪比。 为满足航天遥感高信噪比的要求, 需要根据性能要求对分束器与补偿器的厚度误差范围进行限制, 即分束器补偿器厚度匹配设计。 通过理论分析方法建立了引入厚度匹配误差的附加光程差计算公式, 以及视场范围内的光谱仪干涉信号强度计算公式, 并通过Zemax建模仿真直观显示了由于分束器与补偿器厚度匹配误差导致的视场内干涉条纹信号, 给出了光谱仪调制度随厚度匹配误差增加而下降的变化曲线。 分析了视场范围在厚度不匹配条件下对调制度影响的增强效果, 发现扩展光源的入射角变动受视场角影响, 入射角变动越大导致光程差变化量越大, 进而引起调制度的下降越大; 分析了光源波数与计量激光波数不同条件下, 由于器件折射率变化导致的色散效应对厚度不匹配影响的增强效果, 发现厚度不匹配误差越大色散相位差越大, 要恢复明确相位需要限制厚度不匹配误差使其引起的色散相位差小于2π。 通过理论分析, 建立了分束器补偿器厚度匹配设计准则, 提出先通过光谱仪光谱范围和计量激光器参数限制分束器补偿器厚度不匹配误差, 再导入光谱仪设计参数计算厚度不匹配误差与调制度关系曲线, 根据调制度要求进一步限制厚度不匹配误差。 通过该设计准则, 可以提出傅里叶变换光谱仪的分束器补偿器厚度不匹配公差范围, 指导分束器与补偿器的工程设计。
厚度匹配 分束器 补偿器 傅里叶变换光谱仪 Thickness matching Splitter Compensator Fourier transform spectrometer 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3941
