空间外差光谱仪仪器模型仿真研究

发布时间：2020-09-14 16:53

　　空间外差光谱仪综合了传统干涉光谱技术与光栅技术于一体,具有高通量、高光谱分辨、体积小、无运动部件等优点,在某一确定的波谱范围内,可以获得高精细光谱,因此非常适合卫星平台搭载,被广泛应用于高分辨率遥感光谱探测领域。然而,目前国内对空间外差光谱仪相关研究还处在起步阶段,对空间外差光谱探测的全链路以及调制过程把握、理解程度还不够,缺乏完整的仪器模型和正演模型,限制了空间外差光谱探测的发展和应用。因此本文针对空间外差光谱探测正演过程中的仪器模型展开研究,并基于仪器模型对线型光谱和连续型光谱进行模拟仿真,通过仿真结果与实测数据的对比来验证模型的可行性。根据实验条件,分别选取钾共振双线光谱和CO_2光谱数据作为研究对象。首先,基于空间外差光谱仪仪器模型进行线型光谱模拟仿真,以钾共振双线谱为研究对象,讨论分析其在大气中的传输状态,为开展空间外差光谱仪钾共振双线谱室外探测实验提供理论依据,并以钾线光谱为模拟信号,利用MATLAB与ZEMAX软件对空间外差光谱仪仪器模型进行模拟仿真。结合空间外差光谱仪钾共振双线谱室外实验结果,对得到的干涉图进行数据处理,提取目标。将MATLAB仿真结果、ZEMAX仿真结果与实测数据进行对比。结果表明:三者谱线基本一致,验证了建立空间外差光谱仪仪器模型的可行性。然后,基于空间外差光谱仪仪器模型进行连续型光谱模拟仿真,以CO_2光谱为研究对象。由于ZEMAX对入射光谱的设置有限,无法进行复杂谱的设置,故只在MATLAB构建的模型基础上,进行连续型光谱的模拟仿真。利用SCIATRAN模型模拟得到的CO_2光谱数据作为模型的输入信号。分析相位误差、光栅角度误差、系统振动及偏移误差以及噪声等干扰因素对模型输出结果的影响,并将最终的模拟光谱与实测二氧化碳数据进行对比。对比结果显示:仿真数据与实测数据的差值大部分小于0.2,总体上,二者光谱形状基本一致,变化趋势大致相同,验证了建立空间外差光谱仪仪器模型以及对干涉调制过程数字建模的可行性。
【学位单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH744
【部分图文】：

空间外差干涉仪,试验数据,组件,外差

（a）干涉仪组件（b）机载实测数据与理论数据图 1.2 空间外差干涉仪组件及机载试验数据与此同时，中科院安徽光机所的熊伟研究员等人进行了近红外空间外差光谱仪的水汽探测研究，利用水汽的 940nm 吸收带，应用空间外差光谱技术实现了水汽的超光谱探测，并成功设计了实验光谱仪，其光谱分辨率达 0.05nm[20]。2010 年，中科院西安光机所展开了宽波段空间外差光谱仪研究，该研究是在中阶梯光栅多级衍射特性下，实现谱段展宽的宽波段空间外差光谱仪的基本理论及设计方法下，分析了光谱范围、视场、信噪比、光谱分辨率等与光栅、视场棱镜、成像系统、探测器参数之间的关系[21]。紧接着于 2014 年，设计宽波段空间外差光谱仪试验平台进行相关研究验证，为我国大气气体星载探测奠定了基础。如表 1.2 所示为目前世界上现有的主要空间外差光谱仪装置以及相关性能参数的比较[22]。从表中看出我国设计的仪器在分辨率上稍逊于其他发达国家。表 1.2 目前世界上现有的空间外差光谱仪比较仪器名称SHIMMER-MiddeckSHIMMER-STPSat1PBO-SHS SHOW SHS for CO2

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图 1.3 研究方案示意图1.3.2 论文内容结构本文将分为五章对空间外差光谱仪仪器模型仿真研究进行论述：第一章：对本文的研究背景、意义进行论述，总结国内外大气遥感探测以及空差光谱技术的发展过程。第二章：描述空间外差光谱技术和空间外差光谱仪结构原理，介绍分析大气辐输基本原理和辐射传输模型，选择合适的模型为本文提供 CO2模拟数据。第三章：基于空间外差光谱仪仪器模型的线型光谱模拟仿真，以钾共振双线谱究对象，分析它在大气中传输过程，为开展空间外差光谱仪钾共振双线室外探测提供依据。之后分别利用 MATLAB 和 ZEMAX 软件对空间外差光谱仪仪器模型仿真，模拟仪器各个模块，以钾共振双线谱为模型输入信号，对模型输出结果进据处理，得到复原光谱。为了验证模型的可行性，开展空间外差光谱仪钾共振双外探测实验。最终将 MATLAB 仿真结果、ZEMAX 仿真结果与实测数据进行对

波谱,外差,光谱仪,结构原理

空间外差光谱技术是近些年来发展起来的，是一种具有可实现超高光谱分辨的干涉式光谱分析技术，综合了光栅和傅里叶干涉光谱技术的特点[24]。本章将对空间外差光谱技术原理及其相关特征进行描述，同时介绍 SCIATRAN 辐射传输模型原理，为建立空间外差光谱仪仪器模型提供理论依据，为仪器模型的模拟仿真提供实验数据。§2.1 空间外差光谱技术原理空间外差光谱技术是一种空间调制型的傅里叶干涉光谱技术，它继承了傅里叶干涉光谱技术的高信噪比、多路传输和高分辨率等特点，同时摒弃了传统的傅里叶干涉光谱技术的动镜和扫描部件[25]，在确定的波谱范围内，能获得超高的光谱分辨率。空间外差光谱仪源于传统的迈克逊干涉仪，两者结构相似，为了获取更为紧凑的空间结构，空间外差光谱仪将迈克逊干涉仪中的两个平面反射镜换成了两个被固定倾斜放置的衍射光栅，这一结构使得空间外差光谱仪具有高分辨率、高通量、体积小等特点[26-28],其结构原理如图 2.1 所示。

【参考文献】