傅里叶变换光谱信息获取与控制技术研究

发布时间：2017-03-19 18:04

  本文关键词：傅里叶变换光谱信息获取与控制技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：星载干涉光谱仪接收地球大气的辐射信号,经过仪器干涉调制过程,辐射信号变换为干涉信号,通过对干涉信号的傅里叶反变换得到入射辐射的光谱特征,通过对光谱参数进行气象学反演,获得大气温度,湿度以及成分的分布情况。目前环境问题日益严重,全球变暖、降水酸化、臭氧层破坏等成为影响人类生存和发展的重大问题,国内外已经相继开展了应用于全球碳循环检测的空间探测光谱仪的研究,大量研究表明通过可见和近红外波段的光谱可以非常准确的获取二氧化碳等温室气体的浓度分布情况。本文以一台工作在可见和近红外波段的高分辨率干涉光谱仪样机为基础,全面阐述了其信息获取和控制系统的指标确定、方案设计、系统实现及实验结果,并设计完成了一套短波段傅里叶变换光谱仪的电子学系统。论文首先广泛调研了国内外多种应用在航天领域和商业领域的可见、近红外光谱仪,尤其是傅里叶变换光谱仪的发展概况和应用领域。从理论上分析了信息获取系统各个环节对仪器探测灵敏度的影响,并据此提出了目标波段为可见、近红外的高分辨率傅里叶变换光谱仪信息获取系统的技术指标。在此基础上,确定了可见光通道信息获取系统的技术方案,对SI探测器的低噪声放大、抗混叠滤波处理以及抗干扰设计等关键技术环节进行了详细的论证;并详细介绍了可见光通道信息获取系统的实现。论文研究了为实现大行程的动镜运动控制的相关方案,并采用无刷直流电机驱动,支撑结构为直线轴承的方案对其进行了实现。在此基础上,针对目标光源波长较短、速度波动较大的特点,以曲线拟合算法为基础,提出了一种用高速等时间采样间接实现等光程差反演的光谱反演方法。此外,论文描述了干涉信号获取系统的测试方法和过程,给出了测试结果,并对结果进行了分析。研究结果表明,本课题所制定的可见、近红外波段干涉信号获取与控制系统是合理可行。该系统实现了对短波段目标光源干涉信号的获取,主要指标基本达到设计要求。本课题研究结果对高分辨率、短波段傅里叶变换光谱仪的深入研究具有重要参考价值。
【关键词】：傅里叶变换光谱仪 可见近红外 等光程差采样 光谱反演
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O433
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 引言10-22
• 1.1 傅里叶变换光谱仪发展概况10-13
• 1.2 可见近红外波段光谱仪的应用13-15
• 1.3 国内外研究现状15-21
• 1.3.1 大气探测领域的研究现状15-19
• 1.3.2 民用领域研究现状19-21
• 1.4 课题研究内容21-22
• 第二章 傅里叶变换光谱仪的基本理论22-36
• 2.1 傅里叶变换光谱仪原理22-27
• 2.1.1 傅里叶变换光谱仪基本结构22-23
• 2.1.2 干涉信号的数学描述23-26
• 2.1.3 傅里叶变换光谱仪的信号特征26-27
• 2.2 角镜结构的傅里叶变换光谱仪27-32
• 2.2.1 镜面倾斜对干涉调制度的影响[43-47]27-30
• 2.2.2 角镜结构对系统参数的影响30-32
• 2.3 系统技术要求32-33
• 2.4 傅里叶变换光谱仪的探测灵敏度和信噪比分析33-35
• 2.5 小结35-36
• 第三章 低噪声前置放大电路设计36-66
• 3.1 探测器的工作原理36-43
• 3.1.1 光导探测器工作原理36-37
• 3.1.2 光伏探测器工作原理37-42
• 3.1.3 探测器噪声[57-61]42-43
• 3.2 探测器与前置放大器噪声43-50
• 3.2.1 探测器前置放大器噪声分析43-45
• 3.2.2 干涉信号的低噪声放大 [62-65]45-50
• 3.3 探测器-放大器电路幅频特性分析[62]50-54
• 3.4 实际电路分析54-56
• 3.5 电源滤波电路56-59
• 3.5.1 DC-DC电源滤波电路56-57
• 3.5.2 反偏置电压滤波电路57-59
• 3.6 滤波电路设计59-62
• 3.7 电磁兼容性设计62-64
• 3.8 本章小结64-66
• 第四章 傅里叶变换光谱仪动镜控制方案与数据获取66-88
• 4.1 运动控制方案66-75
• 4.1.1 支撑装置与驱动电机66-69
• 4.1.2 无刷直流电机驱动[71,73,74]69-73
• 4.1.3 动镜运动速度测量73-75
• 4.2 数据获取与反演75-87
• 4.2.1 曲线拟合算法77-79
• 4.2.2 干涉信号正弦拟合79-84
• 4.2.3 干涉图切趾预处理84-86
• 4.2.4 光谱反演86-87
• 4.3 小结87-88
• 第五章 系统测试与分析88-106
• 5.1 信号获取电路测试88-99
• 5.1.1 低通滤波电路88-90
• 5.1.2 实际放大电路噪声和幅频特性90-99
• 5.2 不同光源的干涉信号与反演的结果99-104
• 5.2.1 激光光笔、稳频激光器、绿色激光反演结果99-102
• 5.2.2 不同孔径稳频激光的反演结果102-104
• 5.3 上位机采集程序104-106
• 第六章 总结与展望106-108
• 6.1 课题研究总结106-107
• 6.2 工作展望107-108
• 参考文献108-113
• 附录113-114
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果114

【参考文献】

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本文编号：256343