干涉成像光谱技术

干涉成像光谱技术

摘要:干涉成像光谱技术是当今可见光和红外遥感器探测技术的前沿科学，是当今成像技术与光谱技术的有机结合，目前它已成为人们研究和获取目标三维信息(二维空间信息和一维光谱信息)的重要手段和前沿学科。成像光谱仪把成像技术和光谱技术融为一体，可以在空间以及光谱两个方向上对目标进行识别分析。

关键词:干涉干涉成像光谱技术傅利叶光学干涉仪

1、前言

干涉成像光谱技术始源于干涉光谱学的发展。1880年，迈克耳逊发明了以他的名字命名的干涉仪。1887年，迈克耳逊与莫雷进行了旨在检验以太风的著名实验:迈克耳逊一莫雷实验。这一实验的零结果否定了绝对惯性系以太的存在，确立了后来爱因斯坦创立狭义相对论两条基本假设之一的光速不变原理，迈克耳逊一莫雷实验比爱因斯坦早18年提出了物质世界的这一基本规律。

20世纪前半叶，航天技术得到了前所未有的高速发展，为空间探测和地表探测创造了条件，同时也为空间探测技术提出了更多的需求。人们希望得到的不只是单纯的目标光谱或目标形影信息，而希望能够同时得到目标的形影信息和光谱信息。这一极大的社会需求导致了成像仪与光谱仪的结合以及成像光谱技术的产生。

成像光谱技术从原理上讲分为色散型和干涉型两大类:色散型成像光谱仪是利用色散元件(光栅或棱镜等)将复色光色散分成序列谱线,然后再用探测器测量每一谱线元的强度。而干涉型成像光谱仪是同时测量所有谱线元的干涉强度,对干涉图进行逆傅里叶变换将得到目标的光谱图。

2、干涉成像光谱仪的原理

图1是基于迈克耳逊干涉仪基础上的时间调制干涉成像光谱仪原理图。下面我们将通过迈氏干涉仪的双光束干涉机理产生的干涉图的定量分析及处理来阐明干涉成像光谱技术的基本原理。

图1

设从光源发出的单色光经前置光学系统后成为一束电矢量振幅为E。（σ为波数)的准直光束射入迈克耳逊干涉仪，任一时刻t，位置坐标为z处的光波表达式为

2.1

此光波到达分束板后，被分割成一束透射光和一束反射光，经M，、MZ反射后又返回分束板，分别经透射和反射到达探测器。设分束板的透射比和反射比分别为t和r，从图1可知，二束光中的每一束在到达探测器时，都分别在分束板上经历了一次透射和一次反射。设二束光在探测器上相遇时，其传播的距离分别为z1和z2。由于二光束是从同一入射光束分割出来的，满足同频率、振动方向不正交(此处振动方向相同)和有固定位相差的相干必要条件;且又满足振幅相差不悬殊(此处二振幅相等)和光程差不能太大的相干充分条件，故二光束在探测器上相遇时，必然会产生干涉图样。则合成光矢量的振幅为

2.2

合成光强为

2.3

对于各种波长的复色光来说其千涉图强度为

2.4

式中△=z1-z2为光程差，R=r×r为反射率，T=t×t为透射率。由上式可知，当△=O时，

2.5

通常将称为干涉图，由光源光谱强度定义可知，

2.6

故在略去不必要的常数情况下

2.7

即可从上式的傅里叶变换得出干涉图

2.8

上式是干涉图与光谱图之间的变换关系式，也是干涉成像光谱技术的基础理论和普遍公式。

3、干涉成像光谱仪技术的发展

早期的干涉型成像光谱仪大多是基于迈克耳逊干涉仪为原形发展起来的,这类仪器中均有一套高精度的动镜驱动系统,故称为时间调制干涉成像光谱仪(TemporarilyModulatedImagingInterferometer)。在实际应用中,时间调制干涉成像光谱仪暴露出两大缺点:一是动镜要求匀速,且对倾斜、晃动要求严格;二是对干涉图完成采样需要动镜运动一个周期,故不适合快速变化光谱测量。

90年代以来,随着面阵探测器的发展,国际上出现了空间调制干涉成像光谱技术(SpatiallyModulatedImagingInterferometery,即SMII)或数字阵列扫描干涉光谱技术(DigitalArrayScannedImagingInterfer-ometey,即DASI),其具有代表性的方案有两类:一类是基于变形的Sagnac干涉仪为分光元件;另一类是以双折射晶体为分光元件。图2是Sagnac型成像光谱仪原理图,前置光学系统将

目标成像于博氏透镜的前焦面,此处垂直纸面放置一狭缝,经Sagnac干涉仪后形成二狭缝虚像,且位于傅氏透镜前焦面上，通过傅氏透镜后成为两束有一夹角的平行光束,经柱面镜后在狭缝方向上汇聚,它的行垂直于狭缝方向,每一行就得到狭缝上不同位置点的干涉图。该仪器搭载在图1Sagnac型成像光谱仪原理图行器上,靠推扫获得另一维空间信息。

图2

图3所示为双折射晶体型成像光谱仪原理图,它由前置光学系统、狭缝、起偏镜、Savart plate、检偏器、傅氏透镜、柱面镜和探测器组成。前置光学系统将目标成像于入射狭缝上(即准直镜的前焦面),后经准直镜入射到起偏器上;起

偏镜的光轴方向与第一块萨瓦板主平面成45度角,如图4所示。这样,沿起偏镜偏振化方向振动的线偏振光人射到萨瓦板上,将分解为二束光强度相等的寻常光。(o光,垂直于主平面振动)和非寻常光(e光,平行于主平面振动),Savart偏光镜

是两块厚度为t(z方向)的负晶或正晶组成,前块主平面为纸平面(yz平面),后

块主平面垂直于纸平面(xz平面,二块板主平面互相垂直。这样在前块板中e

光到第二块板中则变为o光,反之亦然。可见,一束线偏振光射入Savartplate 后,出射光将变为二束相距为d的振动方向相互垂直的线偏振光,d为横向剪切量。二束振动方向垂直的线偏振光经检偏器后变为与检偏器偏振化方向一致的二线

偏振光,其光程差经正透镜和柱面镜后在面阵探测器行方向得到干涉图,探测器

上每一行对应于入射狭缝上不同的点,这样便得到了沿狭缝长度方向的空间分辨率。

图3双折射晶体型空间调制干涉成像光谱仪原理图

图4偏振干涉光谱仪分光原理图

空间调制成像光谱仪体积小、重量轻,性能稳定、抗震动能力强、实时性好、波段宽,特别适合于航天航空领域。这项技术一出现,即引起了美国、加拿大、日本、芬兰等国家的高度重视。目前国际上具有代表性的方案主要有:美国佛罗里达工学院和夏威夷大学基于Sagnac干涉仪的空间调制干涉成像光谱仪。从近年来空间调制干涉成像光谱仪技术的发展来看,许多新原理、新方案、新技术正在得到实施和应用,从而使成像光谱仪结构更加趋于合理和简单,功能大为增强,逐步向大视场、高通量、超高分辨率和成像方面发展。

参考文献

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