基于傅立叶变换的光谱数据分析

1绪论

本章介绍课题的研究背景，总结阐述光谱分析技术的发展应用，以及光谱测量仪

器的分类和各自特点，特别是傅里叶光谱仪及应用情况，简要介绍傅里叶变换光谱仪

的研究现状及成果;最后阐述本课题的研究目的、意义以及主要研究内容和技术指标

要求。

1.1选题的背景、目的和意义

在现代高技术战争中，激光武器及其对抗已显得日益重要，面对战场上激光战术

侦察、激光武器和激光制导武器等激光威胁，加速发展激光侦察告警技术己成为激光

对抗的首要任务。准确、可靠、迅速地掌握对方激光的属性己成为交战双方开战的重要前提，因此采用先进技术提高激光告警设备敌我识别的性能、抗干扰能力和反应速度是非常必要的。

激光告警技术是是光电对抗的重要组成部分。研究激光告警技术的目的是快速探测敌方激光威胁的存在，尽可能确定出其方位、波长、强度、脉冲特性(脉宽、重复频率等)等信息，以便我方能及时采取保护或反击措施。激光告警设备硬件通常由激光接收系统、光电传感器、信号处理器、显示与告警装置等部分组成。目前，告警设备在软件上基本都采用解方程组或者查表的方法，求解来袭激光的波长、角度和次数等基本信息。例如，典型相干识别法的迈克尔逊型、法布里一拍罗(F-P)型和光栅衍射型告警机，利用形成的干涉条纹间距确定入射激光的波长，利用干涉图的横向位移量确定入射激光方向等。当激光以一定波长和方向入射时，特定条纹在光电探测器上的位置的不同或者条纹阳间距的不同，制作波长和与入射方向对应的查找表，这样处理器只需计算目标条纹的成像位置和间距，便可通过软件查表实现波长和角度的测定。这种方法原理简单、编程容易;但是无法求出目标激光的光谱特征，从而无法得到威胁激光的时、空特性和类型[1]。

为了实时获取来袭激光的光谱分布和类型，提高告警系统的信噪比和探测率，需

要研究具有高速、准确、性能可靠的新型激光告警系统。

1.2激光光谱探测技术的国内外研究现状

目前，激光信号光谱的探测，主要通过光谱仪来实现，光谱仪从原理上可分为色

散型和干涉型两大类。

色散型光谱仪以棱镜或光栅为色散器件，利用色散元件将复色光色散成一系列谱线，然后再用探测器测量每一谱线的强度，具有结构简单、性能可靠等优点，但因该类光谱仪均含有入射狭缝，狭缝越窄，光谱分辨率越高，进入系统的光通量就变小，信噪比降低，即光谱分辨率和光通量是色散型光谱仪中相互制约的一对矛盾。由于这类光谱仪发展较早，技术相对成熟，在各领域已有诸多应用[2,3]。

干涉型光谱仪，是通过对入射光束引入不同光程差进而形成干涉图，并对干涉图进行处理，获得光谱信息。典型的干涉型光谱仪有傅里叶变换光谱仪，通过该光谱仪形成的干涉条纹和激光光谱间存在傅里叶变换关系，因此对条纹进行傅里叶变换，便可以得到光源光谱信息，具有高光谱分辨率和高光通量等优点，能探测微弱激光信号，在激光被动侦察中有重要意义。理论分析表明，在相同情况下，傅里叶变换光谱仪的能量通过率比典型色散型光谱仪高300倍左右，而光谱分辨率一般也高两个数量级以上。从实现的方式上，傅里叶变换光谱仪，又可分为时间调制干涉光谱仪和空间调制干涉光谱仪两大类[4,5]。

时间调制干涉光谱仪，是以迈克尔逊干涉仪为基础的，光的调制靠镜面的机械扫描运动来实现，这就决定了这种调制方式的扫描速度不可能很高，同时对机械扫描系统的加工、装配等的精度提出了较高的要求。在实际应用中，时间调制干涉光谱仪暴露出两大缺点:1)动镜驱动系统对倾斜、晃动非常敏感;2)实时性不好，干涉图的形成需要动镜运动一个周期，故不适合快速变化激光的光谱测量。它的优点是能达到较高的光谱分辨率[6]。

空间调制千涉光谱仪也称静态干涉仪，是九十年代以来随着探测器阵列的飞速发展而出现的，与时间调制型干涉成像光谱仪相比，空间调制型干涉光谱仪是在同一时刻探测器阵列的不同位置(空间)上，获得目标辐射光谱。这种静态的干涉光谱谱仪的类型很多，典型的有基于振幅分割的静态Michelson干涉仪（如图1.1）、三角共路Sagnac 干涉仪（如图1. 2)、Mach-Zehnder干涉仪(如图1. 3)、基于偏振干涉的双折射晶体的偏振干涉仪(如图1. 4 )和光楔光谱仪(如图1.5)

图1.1静态Michelson干涉仪

图1.2三角共路Sagnac干涉仪

图1.3 Mach-Zehnder干涉仪

图1.4双折射晶体偏振干涉仪

图1.5光楔光谱仪

这些静态干涉仪产生的干涉图，是按空间分布的强度信号，因此可实现对时变或脉冲辐射的实时监测：它们没有运动部件和扫描机构，使得仪器的结构变得简单、紧凑和稳定，抗干扰和震动能力强，减轻了设计和加工难度、体积和重量小，降低了成本。

鉴于以上诸多优点，空间调制干涉光谱技术一出现，即引起了美国、加拿大、日本、芬兰等国家的高度重视。目前国际上主要有:美国佛罗里达工学院和夏威夷大学基于Sagnac 干涉具的空间调制干涉光谱仪，其光谱范围为m m μμ0.5~0.1，分辨率为1100-cm ;美国华盛顿大学基于双折射元件的数字阵列扫描干涉仪，仪器的光谱范围为m m μμ2.2~4.0，分辨率为1300-cm ，空间分辨率为1. 5'，视场为︒5，体积只有40cm X 10cm X 15cm;美国宾夕法尼亚大学的研究人员研制的基于握拉斯顿棱镜阵列的干涉装置，可改善普通握拉斯顿棱镜光谱仪在分辨率上的不足，其结构紧凑，分辨率高;另外，美国Hughes Santa Barbara 和NASA Langley 研究中心分别研制成功光楔滤光片光谱仪WIS21 WIS22和基于地球静止卫星F-P 干涉光谱仪。英国圣安德鲁斯大学研制了基于Wollaston 棱镜的空间调制光谱仪;日本大阪大学基于Savat plate 的多通道红外空间调制光谱仪[7]。

在国内，中国科学院上海技术物理研究所、西安光机所和长春光机所及北京空间机电研究所等单位也开展了干涉光谱仪的研究工作。上海技术物理研究所主要研究光栅推扫式光谱仪和傅里叶变换光谱仪，该光谱仪采用时间调制形式，利用直线电机带动角镜