傅里叶变换光谱仪

摘要： 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。

摘要： 滤光片是一种能够从白光或其他复色光中分选出一定波长范围光的光学元件,其主要参数为中心波长和带宽.本文利用迈克耳孙干涉仪搭建了傅里叶变换光谱仪,测量了窄带滤光片的特性参数,并和传统的衍射光栅法进行了对比分析.使用迈克耳孙干涉仪搭建的傅里叶变换光谱仪获得光谱的过程无需已知光谱灯的校准,得到的窄带滤光片特性参数更为精确,且能够更加综合地锻炼学生的实验能力.

摘要： 傅里叶变换光谱仪是重要的光谱分析仪器。为探究角反射镜的二面角装调误差对角镜摆臂傅里叶变换光谱仪干涉质量的影响,进行了理论分析和计算机仿真。根据角镜摆臂傅里叶变换光谱仪模型,推导出角反射镜存在二面角误差时干涉强度和调制度的数学表达式,并根据调制度判据确定了二面角公差;利用Zemax光学设计软件建立模型进行仿真,验证理论推导的结果。根据调制度判据,理论模型得到的二面角公差为2.52″,Zemax仿真求得的二面角公差为2.38″,误差为0.14″,属于可接受范围。分析结果表明,建立的理论模型合理,对角镜摆臂傅里叶变换光谱仪的设计和装调有一定的参考价值。

摘要： 同时或准同时多谱线太阳成像观测可以获得太阳大气三维磁场和热力学参数,是未来太阳观测焦面终端设备的重点发展方向。傅里叶光谱仪具有宽波段、高灵敏度、高光谱分辨率的优势,但因受限于高帧频、大面阵探测器制约,尚未用于太阳光谱成像常规观测。随着CMOS图像传感器技术迅猛发展,在可见光和近红外波段,探测器面阵大小和帧频相比传统CCD探测器有了质的提升,使得面阵傅里叶太阳光谱仪研制成为可能。通过引入高帧频面阵CMOS图像传感器,针对面阵傅里叶变换太阳光谱仪科学需求,设计了一套高速数据采集软硬件系统,实现了面阵傅里叶太阳光谱仪10 kHz高速触发,万帧/秒快速采集,0.5 GB·s^(-1)大数据量连续、实时存储等功能。在此基础上,依托国家天文台怀柔太阳观测基地现有的IFS-125HR傅里叶变换光谱仪,搭建可见光实验系统,以可见光色球谱线(Hα656.3 nm)及其附近光球谱线为目标波长,开展面源太阳光谱探测。分别以实验室钨灯和太阳为光源,进行等光程差间隔采样,成功获得了面阵干涉图,首次反演得到面源窄带连续谱以及656.3 nm附近太阳色球和光球线。采用交叉定标方式,将得到的太阳光谱与美国国立太阳天文台NSO傅里叶变换光谱仪获得的标准光谱在同等分辨率下进行比较,结果基本一致,验证了新研制的面阵傅里叶太阳光谱仪高速数据采集系统性能及面阵傅里叶变换太阳光谱仪在太阳观测中的可行性。该研究为后续可见光宽波段面阵傅里叶太阳光谱仪的研制奠定了技术基础,同时为“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”(AIMS)后续从线源扩展到面源观测积累了宝贵经验。

摘要： 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.

摘要： As to Fourier Transform Spectrometer based on the Michelson Interferometer, a laser interference signal is provided as the reference signal to sample the interference signals with identical optical path difference. Both the dynamic instability of the scanning mirror and the difference of focal plane circuits will result in the relative time delay between the laser interference signal and the interference signal, causing non-synchronicity between the two signals. Currently, with the sharply increasing of the number of pixels on the focal plane, the signal links are such a large number that adding delay line is no longer applicable as a result of too much workload for hardware configuration. In this paper, a kind of software method for compensating the relative time delay is proposed to substitute the hardware method of adding delay line, and the principle of compensation is simulated and analyzed with MATLAB. The result shows that the relative time delay can be compensated to 1μs and the spectral recovery accuracy is higher than 99% by matching the time delay and resampling the interference signal. The sampling error of optical path difference caused by the unstable scanning speed of the moving mirror can be effectively suppressed. This method can be used in data processing of hyperspectral remote sensing and effectively improves the precision of spectral restoration.%基于干涉分光原理的傅里叶变换光谱仪通过将激光信号作为采样参考信号对干涉信号进行等光程差采样,然而动镜扫描不稳以及后续焦平面电路的差异会造成干涉信号与激光参考信号之间存在相对延时,导致数据的非同步性.随着多元探测器技术的快速发展,探测器信号路数急速扩展,目前广泛采用添加延时线的延时补偿方法需要大量硬件配置将不再适用.文章针对该问题提出一种延时补偿的软件实现方法,利用通过建模仿真得到的干涉数据完善了激光信号过零点获取、干涉数据重构等算法,并通过MATLAB进行了补偿原理的仿真分析.结果表明:通过该算法对干涉信号进行延时匹配重采样,可以将相对延时补偿到1μs以内,光谱复原度高于99%,可较好抑制动镜扫描不稳带来的光程差采样误差.用于高光谱遥感的后期数据处理,可有效提高光谱复原精度.

摘要： 傅里叶变换光谱仪(FTS)由于具备多通道和高通量的优点，在光谱分析中有着广泛的应用。但传统的FTS较为笨重，不便于携带和移动，使其应用受到限制，随着微光机电系统(MOEMS)技术的发展与日益成熟，FTS呈现出向微型化发展的趋势。傅里叶变换光谱技术从实现方式上可以分为时间调制和空间调制两大类。近几年，国外开展了微型FTS的研究，大部分基于时间调制方式。这种调制方式的光谱仪需要高精度的动镜驱动系统，通过驱动器来控制反射镜运动从而改变其空间位置以获得不同时刻的干涉图，这使得系统加工和装调都比较困难，重复性较差；并且时间调制方式不能实现实时测量，这都成为制约其发展的瓶颈。与时间调制方式相比，空间调制方式的光谱仪结构中没有可动部件，从而使得系统具备稳定性好，结构紧凑等优点，并且能够实现光谱的实时测量。本文提出了一种新型空间调制微型FTS，介绍了其分光干涉系统及工作原理；设计并加工制作了准直器和分束器等元器件；研究了其核心部件多级微反射镜的制作方法，并制作了硅基多级微反射镜。实现了系统的初步装调和集成。

摘要： 克服准直性误差对傅里叶变换光谱仪光谱性能的影响是研制傅里叶变换光谱仪的难点,定镜动态校准技术是解决该问题的好方法,而准直性误差检测是实现动态校准技术的关键.本文介绍了一种基于相位检测的傅里叶变换光谱仪准直性误差检测装置,该装置采用相位检测法实时检测动镜倾斜角,并用FPGA实现了相位检测算法,具有实时性好、测量精度高的优点,为实现动态校准系统打下了基础.给出了实测的动镜动态倾角曲线.

摘要： 随着科学技术的进步,材料热物性受到越来越多的重视,在对目标温度和辐射特性测量时,材料光谱发射率是非常关键的性能指标.本文利用建立的基于傅里叶变换光谱仪的材料光谱发射率测量系统，对科研中一些典型的碳化硅材料、高温合金钢、黑漆等的红外光谱发射率进行了测量，并对材料加热前后的材料光谱发射率辐射特性变化进行了分析，为材料科研提供必要的支撑。

摘要： 利用基于傅里叶变换光谱仪复数光谱的多点辐射定标方法,对光谱仪中携带的两个红外探测器在不同温度、不同波段下的仪器响应函数与线性度开展了深入研究,并提出了探测器线性度评价指标与方法.实验证明,较高的信噪比是探测器线性度较好的前提条件,目标温度、气体吸收带、仪器响应函数等因素都可能导致部分波段信噪比极低,从而导致探测器线性度较差;探测器线性度对于标定结果影响很大,提出的线性度评价指标方法简单有效,将为定标文件优选、定标精度提高以及处理方法改进提供重要支撑与依据.

摘要： 本文分析了傅里叶变换红外光谱仪由动镜速度和采样过程中的随机误差引起的光谱噪声,建立了基于噪声等效辐亮度差(NEdN)和噪声等效温差(NEdT)的噪声模型.分析表明,动镜速度的波动与抗混叠滤波器幅频响应、时间延迟的综合作用,以及采样触发的短时抖动,都会引起系统的噪声.通过MATLAB数值模拟,对动镜速度和采样抖动的噪声影响进行了仿真分析与模型计算,验证了理论模型,评估了实际仪器的噪声水平,为动镜控制、抗混叠滤波器的设计以及傅里叶变换光谱仪的噪声定量化计算和改善提供了依据.

摘要： 本发明提供了一种星载傅里叶变换红外光谱仪光谱噪声分析方法、系统及介质，包括：获取冷空同一温度下的黑体或均匀场景的多组干涉图数据，通过快速傅里叶变换计算对应的光谱数字量；根据光谱数字量‑光谱辐亮度转换系数计算冷空同一温度下的黑体或均匀场景的多组辐亮度并归一化；构造归一化噪声矩阵并计算其协方差矩阵；对协方差矩阵进行奇异值分解，排列得到特征值矩阵与特征向量矩阵；按贡献量大小排序，取贡献量总和大于99.9％的特征值计算主成分矩阵，主成分矩阵的每一行对应一次观测归一化相关噪声谱；最后计算随机噪声与相关噪声占比。本发明方法合理、实施简易，可应用于一般星载傅里叶变换红外光谱仪发射前及在轨工作状态评价。

摘要： 本发明涉及傅里叶变换光谱仪和用于运行傅里叶变换光谱仪的方法。本发明涉及傅里叶变换光谱仪，其包括：偏振单元，用于产生第一偏振状态的至少一个第一光束；探测单元，用于探测光线；相移单元，其具有至少一个第一相移元件，第一相移元件被构造为在使用第一光束的情况下产生由彼此相移的并且彼此正交偏振的部分光线构成的第一相移光束；透镜单元，其具有至少一个第一透镜元件，被构造为使第一相移光束转向到探测单元的第一部分上；布置在相移单元与透镜单元之间的附加相移单元，用于在第一相移光束的部分光线之间（和/或在第二相移光线的部分光线之间）加载附加的与角度有关的相位差；和检偏器单元，用于使从附加相移单元射出的光线偏振。

摘要： 本发明提供了一种傅里叶变换光谱仪及光谱重构方法，通过在一个维度上利用双闪耀光栅系统实现光谱分割，可以最大限度的利用入射光的能量，使其具有较高的能量利用率，提高入射到干涉系统中的光能量，保证整个系统的信噪比。在另一个维度上利用空间调制干涉系统实现带通采样，从而在两个正交的方向上实现对入射光场色散与干涉的正交耦合调制。通过对宽带光谱进行光谱分割与折叠移位，利用低频带通采样提高光谱分辨率，并通过光谱拼接获得宽的光谱范围，在性能上克服了传统色散型光谱仪、时间调制傅里叶变换光谱仪及空间调制傅里叶变换光谱仪存在的技术问题。

摘要： 一种硅基片上傅里叶变换光谱仪及获得光源重构光谱的方法，所述的光谱仪包括波导输入耦合器、级联光开关、非等臂亚波长光栅(SWG)波导对和锗硅探测器，所述的级联光开关通过非等臂SWG波导对连接。通过调节光开关状态选通光路，构成具有不同光程差的一系列非等臂马赫‑增德尔干涉器(MZI)阵列，实现基于空间外差相干的傅里叶变换光谱仪，并利用压缩感知算法对光谱进行重构。相比于传统无源MZI阵列结构，可以有效降低芯片尺寸、提高采样点数；非等臂SWG波导对可以有效提高芯片温度稳定性、扩大工作带宽。本发明能够满足傅里叶变换光谱仪对于小型化、便携化的应用需求，并能够解决现有硅基片上光谱仪普遍对温度敏感的问题。

摘要： 本发明涉及数据处理技术，公开了基于傅里叶变换光谱仪的异步采集方法及傅里叶变换光谱仪，其方法包括，同步采集，同时进行激光光源和宽带光源进行采集，并经傅里叶变换形成光谱，同步恢复光谱F0；单独宽带光源采集，关闭激光光源，进行宽带光源采集，激光干涉调整，通过宽带光干涉和激光干涉之间的同步变化性进行激光干涉调整，从而得到与宽带光干涉W1匹配的激光干涉L1。本发明宽带光和标记所使用的激光采用异步的采集方式两路信号不同时采集，从源头避免信号串扰的发生。异步采集后，关键是利用同轴光路宽带光干涉信号与激光干涉信号之间的同步变化性对激光干涉信号进行调整，使其能够匹配宽带光，从而进行准确的标定和傅里叶变换。

摘要： 本发明涉及傅里叶变换光谱仪和用于运行傅里叶变换光谱仪的方法。本发明涉及一种具有偏振镜单元（210）的傅里叶变换光谱仪（200），所述傅里叶变换光谱仪由至少两个进行双折射的晶体、一个用于探测光线的探测单元（202）和一个布置在偏振镜单元（210）与探测单元（202）之间的透镜单元（204）构成，所述透镜单元由至少一个用于使光线转向到探测单元（202）上的透镜元件（206）构成。在此，透镜单元（204）具有能借助于透镜元件（206）改变的焦距，以便可以使傅里叶变换光谱仪（200）在不同的运行模式之间转接。

摘要： 本发明涉及傅里叶变换光谱仪和用于运行傅里叶变换光谱仪的方法。本发明涉及傅里叶变换光谱仪，其包括：偏振单元，用于产生第一偏振状态的至少一个第一光束；探测单元，用于探测光线；相移单元，其具有至少一个第一相移元件，第一相移元件被构造为在使用第一光束的情况下产生由彼此相移的并且彼此正交偏振的部分光线构成的第一相移光束；透镜单元，其具有至少一个第一透镜元件，被构造为使第一相移光束转向到探测单元的第一部分上；布置在相移单元与透镜单元之间的附加相移单元，用于在第一相移光束的部分光线之间（和/或在第二相移光线的部分光线之间）加载附加的与角度有关的相位差；和检偏器单元，用于使从附加相移单元射出的光线偏振。

摘要： 一种允许干涉仪的镜片的精确运动的机构，其包括具有高横向刚度的两个或多个膜片挠性件，创造了卓越性能的迈克尔逊干涉仪。当与反射镜表面的精确控制和参考激光相结合时，上述机构创造了卓越性能的傅里叶变换光谱仪。

摘要： 本发明提供了一种傅里叶变换光谱仪及光谱重构方法，通过在一个维度上利用双闪耀光栅系统实现光谱分割，可以最大限度的利用入射光的能量，使其具有较高的能量利用率，提高入射到干涉系统中的光能量，保证整个系统的信噪比。在另一个维度上利用空间调制干涉系统实现带通采样，从而在两个正交的方向上实现对入射光场色散与干涉的正交耦合调制。通过对宽带光谱进行光谱分割与折叠移位，利用低频带通采样提高光谱分辨率，并通过光谱拼接获得宽的光谱范围，在性能上克服了传统色散型光谱仪、时间调制傅里叶变换光谱仪及空间调制傅里叶变换光谱仪存在的技术问题。

摘要： 本实用新型公开了一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜和光谱仪，包括第一直角棱镜和第二直角棱镜；所述第一直角棱镜具有第一斜面，所述第二直角棱镜具有第二斜面，所述第一斜面与第二斜面贴合设置且所述第一斜面与第二斜面的贴合面为半透面；所述第一直角棱镜包括互相垂直的第一平面和第二平面，所述第二直角棱镜包括互相垂直的第三平面和第四平面；所述第二平面与第三平面相邻设置，所述第一平面与第四平面相邻设置；所述第二平面上设置有阶梯表面，所述阶梯表面和第三平面上皆镀有反射膜。其结构简单紧凑，而且具有更好的稳定性，精度高。