地球观测系统时代之后的成像光谱技术

地球观测系统(EOS)时代将向地球系统科学遥感界提供有关大气、陆地表面和海洋间相互作用的大量新信息。由EOS-1平台上的高分辨率成像光谱仪(HIRIS)等仪器提供的高光谱和空间分辨率图像将成为EOS数据集的重要组成部分。可以预料,利用EOS可以进一步认识地球,但也要求未来的传感器比现有的这一代传感器具有更高的灵活性和测量能力。声光可调谐滤光器(AOTF′S)良好的光谱灵活性、偏振选择性及简单性预示着它在未来的成像光谱仪上的重要应用。AOTF′S是致密、紧固的固态晶体,它可对两种偏振态进行快速的(毫秒级)、电控的光谱调谐。本文将讨论基于AOTF的成像光谱仪的基本原理。     

利用全光纤Mach-Zehnder干涉仪对二极管激光器瞬态特性进行表征

可调谐二极管激光器在电流调谐过程中的瞬态特性,包括瞬态输出波长和线宽等光学参数,在TDLAS系统中是一个重要的参数需要进行实时准确的测定。而常规的测量方法无法同时满足高精度与高速度的要求,因此,对短光纤延迟差拍法测量TDL的动态特性进行了理论分析和实验研究,搭建测试系统,确定了光纤延迟线长度与调谐率对差拍信号纯度的影响,并分别对DFB型TDL的动态调谐特性进行了实时测量,由差拍信号得到激光器在一个电流调谐周期内对应于不同注入电流的瞬态输出波长及其线宽,即电流调谐瞬态特性。实验结果与由光谱仪测得静态特性比较后发现两者误差在0.003nm范围内,光纤延时自外差法可以对TDL瞬态特性进行快速实时而准确的监测。将其应用于TDLAS系统可提高测量精度,且可以根据监测的瞬态特性最终实现对TDL实时监控与优化。     

基于SBS的微波光子滤波器技术研究

文章针对微波域滤波器只能对提前设计好的特定频段、特定带宽使用的局限性而提出微波光子滤波器，其中，基于受激布里渊散射效应（SBS）的微波光子滤波器不仅拥有可调谐、可重构特性，而且由于其阈值低、调谐范围大和系统稳定性较好等优点而引起广泛关注。文章对比总结了从2011年以来国内外学者在该滤波器方面取得的重大研究成果并得出其未来的发展趋势。选取性能更优越的光频率梳技术进行SBS增益谱叠加，进而利用滤波器频谱带宽可重构的方法来实现基于SBS的滤波器设计。通过optisystem和matlab软件进行仿真分析，得到了3dB带宽为137MHz、形状因子为0.75、可调谐范围为0~20GHz的基于SBS的微波光子滤波器。从滤波器性能得出其可应用于包括卫星通信系统在内的各系统中的收发机，将大频率带宽范围的GHz宽带信号划分为并行的百MHz窄带信号，以便于用低频器件进行相关处理。     

利用TDLAS技术评估火箭基组合循环发动机试验性能

针对宽范围工作的火箭基组合循环（RBCC）发动机推力、比冲和燃烧效率等性能难以通过关键参数的实时测量直接计算的问题,提出利用可调谐二极管激光器吸收光谱（TDLAS）技术实现发动机燃气温度、H2O组分浓度和速度多参数同时实时在线非接触式激光光谱测量方法,搭建用于RBCC地面试验性能分析的时分复用-扫描波长TDLAS系统。通过试验获得的(7444.352+7444.371)/7185.597cm -1 谱线附近吸收光谱,从而得到燃气温度、H2O组分浓度和速度参数,并结合数值模拟方法确定的流场参数纵向分布,实现基于关键参数在线测量的发动机性能直接计算。该方法有助于评判燃烧组织和结构改变对发动机性能的影响。     

一种基于空芯光子晶体光纤的气体检测装置研究

光谱分析技术在大气污染检测领域具有广泛的应用前景。文章从吸收光谱的测量原理出发,提出一种基于空芯光子晶体光纤的气体检测装置实验方案,通过对不同浓度的甲醇和三氯乙烯样品进行测量,并根据3标准对测量结果进行分析,发现系统对甲醇和三氯乙烯的检测灵敏度可以达到ppmv量级。     

改进的Sage—Husa滤波及在卫星姿态估计中的应用

基于极大后验估计原理,提出了一种改进的噪声估计器,以实现对噪声均值和方差的在线估计,抑制滤波器发散。对自适应扩展卡尔曼滤波算法在卫星姿态确定系统中的应用进行了仿真。结果表明新算法滤波精度优于扩展卡尔曼滤波（EKF）,与Sage—Husa自适应滤波算法相比,可阻止滤波器发散,提高系统滤波精度。     

光纤陀螺输出信号的自适应滤波

噪声是影响光纤陀螺零漂指标的主要因素。为了降低光纤陀螺输出信号中的噪声含量,提高光纤陀螺的零漂指标,本文设计了一种自适应滤波器,用于光纤陀螺输出信号的数字滤波。设计的自适应滤波器采用基于最小均方误差准则的LMS算法,该算法的滤波准则是最小均方误差,采用递推的方法实现。设计的自适应滤波算法在数字闭环光纤陀螺中进行了实验,结果表明,设计的自适应滤波器能够降低陀螺输出数据中的白噪声,有效地提高了光纤陀螺的零漂性能。     

高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计

针对高空间分辨率、高光谱分辨率和大幅宽成像的遥感应用需求,提出了高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪技术方案,分析确定了成像光谱仪光学系统指标,设计了空间成像光学系统和光谱成像光学系统.空间成像光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大视场、大相对孔径像方远心设计,系统相对畸变小于0.02％;光谱成像光学系统的狭缝长度超...     

基于背景扣除的弱吸收信息精确提取方法研究

随着半导体器件的快速发展，基于分子振-转吸收光谱的研究日益深入，以可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy， TDLAS）为代表的检测技术取得巨大进步，应用领域进一步扩大，已有超过一千类仪器应用于连续监测以及过程控制，每年出售的气体检测仪器占据了红外气体传感检测仪器总数的5%以上，已实现不同领域组分浓度、温度、压力等参数的高精度探测。本文针对仪器开发领域目标吸收信息被完全覆盖的复杂应用环境，利用调制技术将吸收信息转移到高频部分，经过分通道背景扣除和谐波信号归一化处理提取吸收信息。以测量含硫天然气中微量H₂S为例，天然气中CH₄含量超过90%，目标组分H₂S的吸收信息被完全覆盖，将吸收信息转移到1 kHz频率，得到的谐波信号峰值与H₂S浓度呈正相关，线性参数达到0.999 9，实现了弱吸收信号的有效提取，从方法上验证了提取弱吸收信号的有效性，进一步扩展了光学气体传感的应用领域，为仪器开发提供技术保障。     

小卫星高分辨率成像系统

对小卫星对地观测高分辨率成像系统进行了综述。介绍了国内外有极高分辨率（0．5～1．0m）、高分辨率（1．8～2．5m）和中高分辨率（4-10m）小卫星光学成像系统的性能,并与合成孔径雷达（SAR）成像系统进行了比较。给出了小卫星光学成像系统、SAR高分辨率成像系统和卫星平台的关键技术。讨论了未来小卫星及其高分辨率成像系统技术的发展趋势。     

大气成分探测红外光谱仪系统指标分析

由温室气体引起的全球气候变化和环境污染已经受到全世界的广泛关注。进行大气成分探测，对于更好地了解温室效应产生的细节、大气分子的光化学性质对臭氧层的影响以及大气污染机制都具有重要意义。由于大气成分种类较多，其红外吸收光谱密集且复杂，因此大气成分探测仪器需要有较高的光谱分辨能力和信噪比。文章进行了大气成分探测的总体指标需求分析，并据此确定了大气成分探测红外光谱仪的主要技术指标。为了满足指标要求，该光谱仪采用傅里叶变换红外光谱仪的总体方案。通过仪器性能影响因素分析和系统优化，使得该仪器的最终设计结果满足指标要求。     

微振动对干涉仪运动机构均匀性的影响分析

外界振动对双角镜摆臂式傅里叶变换干涉仪（下简称干涉仪）运动机构速度均匀性的影响,可以通过干涉仪光程差速度稳定度来定量分析。文章针对空间光谱探测过程中,在轨微振动影响下的干涉仪运动机构可靠性问题,提出了一种更全面的光程差速度均匀性分析方法。该方法将外界激励引起的干涉仪结构响应作为一项影响因素纳入到稳定性的分析中,从而能够更真实地反映干涉仪在轨工作的可靠性,更准确地判断干涉仪能够承受的微振动临界。文章论述的方法为外界激励扰动下机构运动可靠性的判断以及机构控制优化的研究提供了一种思路。     

用于无运动部件变焦的球面变曲率镜设计及试验

将无运动部件变焦技术引入空间光学相机的设计中,能够在不干扰卫星平台工况的情况下使空间相机在通过目标区域上空时获取蕴含有目标不同层次信息的图像,从而为后续的识别、判读甚至超分辨率重建提供依据。无运动部件变焦的关键在于：基于光学杠杆效应的光学设计和可以产生较大尺度曲率变化的变曲率反射镜。目前已设计出一种无运动部件变焦原型光学系统,其中变曲率反射镜的有效口径不超过100mm,初始曲率半径为1740mm,且具备曲率增减双向变形能力。文章针对上述指标,设计了变曲率反射镜,并进行了有限元分析,利用具有高韧性、高抗拉断性以及高极限许用应力的碳纤维复合材料研制了反射镜,通过与13点高精度压电驱动器的集成,最终实现了变曲率镜的研制。试验结果表明,该球面变曲率镜可以实现1705~1760mm的曲率半径变化,对应的中心形变量接近23μm,优于国外同等规模器件所能达到的水平。     

国产高模量碳纤维抗真空紫外辐照性能试验研究

通过地面模拟试验研究了真空紫外辐照对国产BHM3高模量碳纤维质量损失率的影响,并采用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）仪对辐照前后的样品进行微观分析。结果表明,随着真空紫外辐照剂量增加,碳纤维质损率呈现先增加后平缓现象,质量损失率较少;紫外辐照作用前后碳纤维表面形貌和元素组成基本未变,说明其具有良好的抗紫外辐照性能。     

复合材料在长焦距空间光学遥感器上的应用

对碳纤维增强聚合材料(CFRP)和碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料在空间光学遥感器的应用进行了介绍,并以某长焦距空间光学遥感器的主支撑结构为例,对应用不同材料时遥感器的质量、固有频率、热位移等进行了研究。研究结果表明:应用复合材料能够使主支撑结构质量降为278kg,从而降低发射成本;结构具有较大的刚度,固有频率为156.09Hz,满足设计指标;可以更加有效控制结构热变形引起的光学元件刚体位移,提高成像品质。文章对复合材料更好地应用于长焦距空间光学遥感器,具有一定的参考价值。     

基于多波长激光吸收光谱技术的气体温度二维重建

激光吸收光谱技术在航空航天领域具有广泛的应用前景。文章利用多波长激光吸收光谱技术设计了气体温度二维重建系统,实现了燃烧场气体温度的二维重建,通过增加吸收谱线信息减少了投影个数。重建算法采用了遗传模拟退火结合序列二次规划(SQP)的混合算法,在实现全局寻优的同时提高了运算效率。建立了产物包含水的燃烧模型,利用8条水的近红外吸收谱线,对燃烧场温度进行了二维重建。通过在测量信息中添加不同比例的随机噪声,验证了算法的稳定性,并与双波长吸收法进行了对比。数值仿真实验结果表明,在低噪声环境下,两种方法的重建结果相当;但对于噪声较大的环境而言,多波长吸收法的重建效果更为稳定。     

一种基于二次组阵的DOA估计方法

提出一种基于二次组阵的信号到达方向估计方法，在阵列中通过划分相互重叠的子阵对指定的空间区域进行空域滤波波束设计实现对空间信号的干扰抑制，提高期望信号的信干噪比。根据子阵间的位置关系对阵列进行二次组阵，用空间谱估计方法实现对各子阵输出期望信号的到达方向（DOA）估计。仿真结果表明：与常规谱估计方法相比，基于二次组阵的DO...     

多带通UWB信号光子学产生方法

基于多个不同权重与时延的doublet脉冲叠加,提出一种新的多带通超宽带（ MB-UWB）信号光学产生与传输的方法。射频（ RF）信号对光载波进行强度调制后,电高斯脉冲对光信号进行相位调制并利用标准单模光纤（ SMF）进行传输。 SMF实现相位调制-强度调制（ PM-IM）转换,产生doublet脉冲;实现多个doublet信号的时延差,产生叠加的UWB信号。通过调节RF信号源的频率可以实现UWB信号中心频率和带宽的改变;通过调节RF信号源的幅度可以实现边带抑制比的改变。仿真实现了边带抑制比大于25dB,中心频率5~8GHz,带宽2.9~3.8GHz的UWB的信号产生。