空間外差光譜儀綜合了傳統(tǒng)干涉光譜技術(shù)與光柵技術(shù)于一體,具有高通量、高光譜分辨、體積小、無運動部件等優(yōu)點,在某一確定的波譜范圍內(nèi),可以獲得高精細(xì)光譜,因此非常適合衛(wèi)星平臺搭載,被廣泛應(yīng)用于高分辨率遙感光譜探測領(lǐng)域。然而,目前國內(nèi)對空間外差光譜儀相關(guān)研究還處在起步階段,對空間外差光譜探測的全鏈路以及調(diào)制過程把握、理解程度還不夠,缺乏完整的儀器模型和正演模型,限制了空間外差光譜探測的發(fā)展和應(yīng)用。因此本文針對空間外差光譜探測正演過程中的儀器模型展開研究,并基于儀器模型對線型光譜和連續(xù)型光譜進(jìn)行模擬仿真,通過仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比來驗證模型的可行性。根據(jù)實驗條件,分別選取鉀共振雙線光譜和CO_2光譜數(shù)據(jù)作為研究對象。首先,基于空間外差光譜儀儀器模型進(jìn)行線型光譜模擬仿真,以鉀共振雙線譜為研究對象,討論分析其在大氣中的傳輸狀態(tài),為開展空間外差光譜儀鉀共振雙線譜室外探測實驗提供理論依據(jù),并以鉀線光譜為模擬信號,利用MATLAB與ZEMAX軟件對空間外差光譜儀儀器模型進(jìn)行模擬仿真。結(jié)合空間外差光譜儀鉀共振雙線譜室外實驗結(jié)果,對得到的干涉圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,提取目標(biāo)。將MATLAB仿真結(jié)果、ZEMAX仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果表明:三者譜線基本一致,驗證了建立空間外差光譜儀儀器模型的可行性。然后,基于空間外差光譜儀儀器模型進(jìn)行連續(xù)型光譜模擬仿真,以CO_2光譜為研究對象。由于ZEMAX對入射光譜的設(shè)置有限,無法進(jìn)行復(fù)雜譜的設(shè)置,故只在MATLAB構(gòu)建的模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行連續(xù)型光譜的模擬仿真。利用SCIATRAN模型模擬得到的CO_2光譜數(shù)據(jù)作為模型的輸入信號。分析相位誤差、光柵角度誤差、系統(tǒng)振動及偏移誤差以及噪聲等干擾因素對模型輸出結(jié)果的影響,并將最終的模擬光譜與實測二氧化碳數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。對比結(jié)果顯示:仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的差值大部分小于0.2,總體上,二者光譜形狀基本一致,變化趨勢大致相同,驗證了建立空間外差光譜儀儀器模型以及對干涉調(diào)制過程數(shù)字建模的可行性。
【學(xué)位單位】：桂林電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH744
【部分圖文】：

（a）干涉儀組件 （b）機(jī)載實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)圖 1.2 空間外差干涉儀組件及機(jī)載試驗數(shù)據(jù)與此同時，中科院安徽光機(jī)所的熊偉研究員等人進(jìn)行了近紅外空間外差光譜儀的水汽探測研究，利用水汽的 940nm 吸收帶，應(yīng)用空間外差光譜技術(shù)實現(xiàn)了水汽的超光譜探測，并成功設(shè)計了實驗光譜儀，其光譜分辨率達(dá) 0.05nm[20]。2010 年，中科院西安光機(jī)所展開了寬波段空間外差光譜儀研究，該研究是在中階梯光柵多級衍射特性下，實現(xiàn)譜段展寬的寬波段空間外差光譜儀的基本理論及設(shè)計方法下，分析了光譜范圍、視場、信噪比、光譜分辨率等與光柵、視場棱鏡、成像系統(tǒng)、探測器參數(shù)之間的關(guān)系[21]。緊接著于 2014 年，設(shè)計寬波段空間外差光譜儀試驗平臺進(jìn)行相關(guān)研究驗證，為我國大氣氣體星載探測奠定了基礎(chǔ)。如表 1.2 所示為目前世界上現(xiàn)有的主要空間外差光譜儀裝置以及相關(guān)性能參數(shù)的比較[22]。從表中看出我國設(shè)計的儀器在分辨率上稍遜于其他發(fā)達(dá)國家。表 1.2 目前世界上現(xiàn)有的空間外差光譜儀比較儀器名稱SHIMMER-MiddeckSHIMMER-STPSat1PBO-SHS SHOW SHS for CO2

圖 1.3 研究方案示意圖1.3.2 論文內(nèi)容結(jié)構(gòu)本文將分為五章對空間外差光譜儀儀器模型仿真研究進(jìn)行論述：第一章：對本文的研究背景、意義進(jìn)行論述，總結(jié)國內(nèi)外大氣遙感探測以及空差光譜技術(shù)的發(fā)展過程。第二章：描述空間外差光譜技術(shù)和空間外差光譜儀結(jié)構(gòu)原理，介紹分析大氣輻輸基本原理和輻射傳輸模型，選擇合適的模型為本文提供 CO2模擬數(shù)據(jù)。第三章：基于空間外差光譜儀儀器模型的線型光譜模擬仿真，以鉀共振雙線譜究對象，分析它在大氣中傳輸過程，為開展空間外差光譜儀鉀共振雙線室外探測提供依據(jù)。之后分別利用 MATLAB 和 ZEMAX 軟件對空間外差光譜儀儀器模型仿真，模擬儀器各個模塊，以鉀共振雙線譜為模型輸入信號，對模型輸出結(jié)果進(jìn)據(jù)處理，得到復(fù)原光譜。為了驗證模型的可行性，開展空間外差光譜儀鉀共振雙外探測實驗。最終將 MATLAB 仿真結(jié)果、ZEMAX 仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對

空間外差光譜技術(shù)是近些年來發(fā)展起來的，是一種具有可實現(xiàn)超高光譜分辨的干涉式光譜分析技術(shù)，綜合了光柵和傅里葉干涉光譜技術(shù)的特點[24]。本章將對空間外差光譜技術(shù)原理及其相關(guān)特征進(jìn)行描述，同時介紹 SCIATRAN 輻射傳輸模型原理，為建立空間外差光譜儀儀器模型提供理論依據(jù)，為儀器模型的模擬仿真提供實驗數(shù)據(jù)。§2.1 空間外差光譜技術(shù)原理空間外差光譜技術(shù)是一種空間調(diào)制型的傅里葉干涉光譜技術(shù)，它繼承了傅里葉干涉光譜技術(shù)的高信噪比、多路傳輸和高分辨率等特點，同時摒棄了傳統(tǒng)的傅里葉干涉光譜技術(shù)的動鏡和掃描部件[25]，在確定的波譜范圍內(nèi)，能獲得超高的光譜分辨率。空間外差光譜儀源于傳統(tǒng)的邁克遜干涉儀，兩者結(jié)構(gòu)相似，為了獲取更為緊湊的空間結(jié)構(gòu)，空間外差光譜儀將邁克遜干涉儀中的兩個平面反射鏡換成了兩個被固定傾斜放置的衍射光柵，這一結(jié)構(gòu)使得空間外差光譜儀具有高分辨率、高通量、體積小等特點[26-28],其結(jié)構(gòu)原理如圖 2.1 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2818414