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(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn),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(tái)搭載,被廣泛應(yīng)用于高分辨率遙感光譜探測(cè)領(lǐng)域。然而,目前國(guó)內(nèi)對(duì)空間外差光譜儀相關(guān)研究還處在起步階段,對(duì)空間外差光譜探測(cè)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(cè)的發(fā)展和應(yīng)用。因此本文針對(duì)空間外差光譜探測(cè)正演過程中的儀器模型展開研究,并基于儀器模型對(duì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比來驗(yàn)證模型的可行性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(cè)實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù),并以鉀線光譜為模擬信號(hào),利用MATLAB與ZEMAX軟件對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:三者譜線基本一致,驗(yàn)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(duì)象。由于ZEMAX對(duì)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(hào)。分析相位誤差、光柵角度誤差、系統(tǒng)振動(dòng)及偏移誤差以及噪聲等干擾因素對(duì)模型輸出結(jié)果的影響,并將最終的模擬光譜與實(shí)測(cè)二氧化碳數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示:仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)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(shì)大致相同,驗(yàn)證了建立空間外差光譜儀儀器模型以及對(duì)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(jí)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(shí)測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)與此同時(shí)，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(cè)研究，利用水汽的 940nm 吸收帶，應(yīng)用空間外差光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水汽的超光譜探測(cè)，并成功設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)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(jí)衍射特性下，實(shí)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(jì)方法下，分析了光譜范圍、視場(chǎng)、信噪比、光譜分辨率等與光柵、視場(chǎng)棱鏡、成像系統(tǒng)、探測(cè)器參數(shù)之間的關(guān)系[21]。緊接著于 2014 年，設(shè)計(jì)寬波段空間外差光譜儀試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)研究驗(yàn)證，為我國(guó)大氣氣體星載探測(cè)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(guó)設(shè)計(jì)的儀器在分辨率上稍遜于其他發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)空間外差光譜儀儀器模型仿真研究進(jìn)行論述：第一章：對(duì)本文的研究背景、意義進(jìn)行論述，總結(jié)國(guó)內(nèi)外大氣遙感探測(cè)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(duì)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(cè)提供依據(jù)。之后分別利用 MATLAB 和 ZEMAX 軟件對(duì)空間外差光譜儀儀器模型仿真，模擬儀器各個(gè)模塊，以鉀共振雙線譜為模型輸入信號(hào)，對(duì)模型輸出結(jié)果進(jìn)據(jù)處理，得到復(fù)原光譜。為了驗(yàn)證模型的可行性，開展空間外差光譜儀鉀共振雙外探測(cè)實(shí)驗(yàn)。最終將 MATLAB 仿真結(jié)果、ZEMAX 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)

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(shí)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(diǎn)[24]。本章將對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，同時(shí)摒棄了傳統(tǒng)的傅里葉干涉光譜技術(shù)的動(dòng)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�？臻g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(gè)平面反射鏡換成了兩個(gè)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(diǎn)[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(hào)：2818414