1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院 “精密光机电一体化技术”教育部重点实验室，北京 100191
2 北京航空航天大学 人工智能研究院，北京 100191
3 北京航空航天大学 “空天光学-微波一体化精准智能感知”工业和信息化部重点实验室，北京 100191
针对基于中红外声光可调谐滤波器（Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF）的光谱成像系统观测运动目标过程存在光谱数据漂移问题，提出了一种基于声光互作用的在线光谱校准方法。根据目标光谱成像位置与驱动频率，构建了逆向光线追迹模型，从而实现了光谱数据的在线校准，满足运动目标探测的实时性要求。该方法能为后续目标检测、识别与跟踪提供稳定且精确的光谱数据立方体。在实验验证方面，利用设计研制的平行光入射的中红外AOTF光谱探测系统，以黑体与中红外滤波片组合作为目标光源，对光谱校准模型开展实验验证。最终实验结果表明，针对位于不同视场处的模拟运动目标，校正后的光谱漂移相对误差均优于4.45%，有利于提升对运动目标光谱探测的应用能力。
声光可调谐滤波器 光谱校准 光线追迹 动目标 光谱探测 acousto-optic tunable filter spectral calibration ray tracing moving targets spectrum detection 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230291
1 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
设计并制备了口径为20 mm的法布里-珀罗干涉仪，该干涉仪在632.8 nm处的光谱分辨率为0.5 nm，自由光谱范围为9.0 nm。将口径为1.1 m的低成本菲涅耳透镜用作集光元件，使用自行搭建的法布里-珀罗干涉仪和工业电荷耦合器件（CCD）相机成功探测到30 m外平均功率为0.7 mW的汞灯光谱，实现了μlx量级的弱光光谱探测。采用增强型互补金属氧化物半导体（ICMOS）相机，可在10 m外检测到飞秒激光光丝诱导的质量分数为13×10-6的NaCl气溶胶的时间分辨荧光光谱。建立的基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的光谱测量装置在空气污染物和有害物质远程检测中具有广阔的应用前景。
光谱学 法布里-珀罗干涉仪 菲涅耳透镜 远程光谱探测 光丝诱导荧光光谱
红外与激光工程
2023, 52(2): 20220821
1 浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027
2 浙江大学 光电科学与工程学院教育部光子学国际合作联合实验室，浙江 杭州 310027
中红外波段包含两个大气窗口及分子指纹区，在红外成像与物质检测方面具有重要应用。传统中红外光学器件在成像方面受材料、加工等限制成本昂贵、加工复杂；在检测方面，受分子吸收截面小的限制，检测灵敏度低，对微量化学物质检测具有较大挑战。超表面是由亚波长尺度的人造单元构成的二维结构阵列，具有体积小、易集成、调控自由度高等特点，能够为制造低成本、轻型化、集成化的中红外光学器件提供一种新的实现方案。表面增强红外吸收能够有效增强分子振动信号，提高检测灵敏度。文章介绍了中红外超表面在电磁波调控方面的机理及其中红外检测应用的原理。着重整理了超表面结构在中红外波段的成像与检测领域的研究进展，包括偏振成像、可调及可重构超表面、其他特殊功能以及用于检测的基于等离子体激元或连续体束缚态原理的使用金、银、铝、石墨烯、硅、锗等材料的超表面结构。
中红外 超表面 成像 光谱检测 mid-infrared metasurface imaging spectrum detection 红外与激光工程
2022, 51(3): 20220082
光子学报
2021, 50(12): 1204001
蓝上海工程技术大学材料工程学院, 上海 201620
针对焊接电弧二维光谱检测温度场研究的局限性, 在以共聚焦光路为关键的三维光谱检测系统基础上, 检测到了三维电弧内部任意一点的光辐射强度。 以电弧内部垂直于光谱检测方向且过电弧轴中心的各点的光辐射强度, 通过借鉴Abel逆变换进行抗干扰解耦, 恢复了电弧内部任意一点光辐射强度的相对发射系数, 以解决所提出的三维光谱检测系统对电弧内部任意一点进行聚焦光谱检测的干扰问题。 根据恢复得到的焊炬高度为2 mm的2 A微束等离子弧焊电弧Ar Ⅱ特征谱线（波长为771.308与856.221 nm）的相对发射系数, 通过相对谱线强度法, 得到电弧的三维温度分布。 进一步讨论了由此得到的电弧温度场分布和电弧形态特征, 并与数值模拟计算得到的相同条件下电弧温度场进行了比较。 研究表明： 该研究提出的三维电弧光谱检测系统能够采集到电弧内部三维空间点的光辐射强度, 虽然受到共聚焦光路的限制, 采集到的电弧径向端面光谱为拖长的非轴对称圆形, 但经过抗干扰解耦后的电弧径向光谱图为轴对称； 虽然抗干扰解耦后得到的电弧光辐射相对发射系数分布出现一定的离轴最大化现象, 但电弧光辐射强度在离轴了的电弧中心处达到了最大值, 该最大光辐射强度从喷嘴至工件呈现先减后增现象, 与电弧轴中心光辐射强度分布呈“双峰”态一致； 并且电弧径向半径从喷嘴至工件是先减小、 再保持、 然后增大, 其形貌为底部呈蘑菇状的准柱形, 也符合相对于2 A焊接电流的短电弧（焊炬高度2 mm）的电弧形态； 同时, 通过电弧三维光谱检测并经过抗干扰解耦间接得到的2 A电弧的最大温度在微束等离子弧焊电弧的温度范围内, 且在归一化后与数值模拟的电弧径向温度场分布较为吻合, 误差较小。
微束等离子弧焊电弧 光谱检测 抗干扰解耦 阿贝尔逆变换 电弧温度场 Arc in micro plasma arc welding Spectrum detection Anti-interference decoupling Abel Inverse Transform Arc temperature field
1 华中农业大学 理学院, 湖北 武汉 430070
2 华中农业大学 应用物理研究所, 湖北 武汉 430070
采用外差相干技术理论上可以获得低至MHz量级甚至更高分辨率的光谱信息。介绍了一种基于外差相干技术方法实现的光谱检测系统, 并推导了90°光学混频器和平衡探测器的信号传输原理, 讨论了本振光和滤波器的性能参数与光谱检测分辨率的关系。利用光通信系统设计软件OptiSystem建立了完整的相干光谱检测系统的模型, 并使用波长扫描和迭代运算模拟了实际本振光信号的工作模式, 验证了该方案实现高分辨光谱分析的可行性和优越性。最后分析了对于频率间隔为40 MHz的被测信号, 不同的本振光扫描线宽、扫描步长和滤波器带宽参数组合实现的仿真结果, 并总结了光谱检测精度对本振光和滤波器等关键参数的要求。
光谱检测 超高分辨率 外差相干技术 滤波 optical spectrum detection ultra-high resolution heterodyne interference technique filtering 红外与激光工程
2019, 48(4): 0417005
1 中国科学院 上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海200083
2 上海科学技术大学 信息科学与技术学院，上海 201210
为了满足可见-近红外波段的高光谱分辨率和高灵敏观测需求，采用大面阵、低噪声碲镉汞焦平面制备技术和低损伤衬底去除技术，成功制备了高信噪比大面阵可见/近红外碲镉汞焦平面探测器。无损衬底去除技术采用机械抛光和化学腐蚀相结合的方法，使焦平面的响应波段拓展至400 nm~2 600 nm。采用信号定量化焦平面测试评价手段对可见/近红外碲镉汞焦平面的性能进行评估，640×512 25 μm中心距碲镉汞焦平面的波段量子效率可达到88.4%，信噪比达到287，有效像元率大于98%，能够获得清晰的可见和近红外波段图像。
超光谱探测 可见/近红外成像 碲镉汞 衬底去除 量子效率 ultra-spectrum detection Vis/NIR spectral imaging HgCdTe substrate removal quantum efficiency
1 河北科技大学 电气工程学院, 河北 石家庄 050018
2 燕山大学 河北省测试计量技术及仪器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
为了对复杂体系的多环芳烃进行定性识别和定量分析, 构建了基于二阶校正法的荧光检测系统。利用二阶校正法在三维荧光数据处理中的优势, 达到多种混合多环芳烃分离和鉴别的目的。采用FS920荧光光谱仪测量并分析了萘(NAP)、苊(ANA)及两者混合物的荧光光谱特性, 发现NAP溶液有一个荧光峰λex/λem=290/322 nm, ANA溶液存在两个荧光峰分别为λex/λem=290/322 nm和λex/λem=290/336 nm, NAP和ANA荧光光谱重叠严重, 并且不同浓度配比混合物的荧光光谱具有差异性。通过将二阶校正法与三维荧光光谱法相结合, 实现对多环芳烃混合物的浓度检测。分别采用平行因子(PARAFAC)算法和自加权交替三线性分解(SWATLD)算法对光谱数据进行分解。结果表明: 两种算法对NAP和ANA混合物均有较高的分辨能力, 预测平均回收率均在95%~99%、均方根误差均小于0.2 μg/L。相比之下, SWATLD算法的检测效果更好。
荧光光谱检测 多环芳烃 浓度检测 二阶校正法 PARAFAC算法 SWATLD算法 fluorescence spectrum detection polycyclic aromatic hydrocarbons concentration detection second-order calibration method PARAFAC algorithm SWATLD algorithm
1 陆军工程大学石家庄校区导弹工程系精确制导技术研究所, 河北 石家庄 050003
2 陆军工程大学军械士官学校导弹系, 湖北 武汉 430075
3 陆军工程大学石家庄校区电子与光学工程系, 河北 石家庄 050003
基于光谱探测的目标识别技术, 因其能够对抗伪装目标、 抗干扰性强等优势, 已经逐步应用于**领域, 为战场目标识别提供了一个新思路。 该方法的重点在于光谱识别的准确性、 数据处理技术等等, 目前对于该方法的研究、 改进以及创新多基于上述重点进行的。 现代战争的复杂程度越来越高、 可预见性越来越低, 所以对于战场机会的把握成为了能否打赢现代战争的关键, 因此对于应用于战场的目标识别方法的实时性要求将越来越苛刻。 故重点集中在基于光谱识别的目标识别方法的实时性, 目的是为了实现快速的目标识别, 使得该方法能够适应现代战争的作战特点, 增强其实用性。 首先对该研究的必要性进行分析; 然后以偏振干涉成像光谱仪为例, 说明该工作的改进之处并对提高目标的实时性进行原理分析; 最后对下一步的工作重点以及应用领域进行分析, 简述发展前景。
光谱探测 目标识别 实时性 快速识别 特征波长 Spectrum detection Target recognition Real-time performance Fast identification Characteristic wavelength
