高光通量短波红外静止干涉成像光谱仪研究

高光通量短波红外静止干涉成像光谱仪研究
摘 要： 讨论高光通量静止干涉(傅里叶变换)成像光谱仪的基本原理及结构特点，建立了短波红外 的高光通量静止傅里叶变换光谱仪的实验系统，并给出了实验结果。

引言 用于涉技术获得精细光谱的傅里叶光谱 仪技术是近年来发展起来的新技术，其主要优 点是高光通量、高输出、多通道。在同样光谱通 道的情况下，傅里叶光谱仪的信噪比是传统光 栅光谱仪的(N／2)“ 倍(N 为光谱通道数)。电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪| 电源供应器| 电能质量分析仪| 多功能测试仪| 电容表| 电力分析仪|尽 管采用空间调制分光技术的静止型傅里叶成 像光谱仪克服了经典的傅里叶成像光谱仪中 运动器件扫描所带来的精度及机械磨损问题， 但它的调制分光方式决定了它无法充分利用 傅里叶光谱仪应有的Fellgett优点，即通过干 涉仪得到光学输出被分配到不同的面阵单元 上，因此信噪比难以真正得到提高。 本文讨论了一种高光通量的傅里叶成像 光谱仪，根据实验结果可以看出该傅里叶成像 光谱仪具有高稳定性、高光通量和高信噪比的 特点。

1 基本原理 高光通量傅立叶变换成像光谱仪的光学 系统主要由前置光学系统、像面干涉仪和面阵 探测器件组成。核心部件为像面干涉仪，其光 路如图1所示。 推 扫 方 向 O X 图1 像面干涉仪光路图 Fig．1 Optic schematic of the image pl ane interferometer 采用像面干涉仪的静止型傅里叶成像光 谱仪的基本原理如图1。一束入射光线经过分 束片后成为两束互相平行的相干光，设入射光 线的视场角为 ，被剪切开的两束相干光之间 的横向距离为 ，则它们在会聚镜后焦面处的 像面上干涉时的光程差为： z5(0)一／sin( ) (1) 在 不大时，上式可写为 z5(O)一／sin( )≈ lx／f3 (2) 式中z为干涉点的横向坐标(探测器平面为 xy面)；厂。为会聚镜的焦距。在理想情况下，干 涉仪对任意视场的光线产生的横向剪切量均 相同，其值为 一~／2 d。光程差的表示式为 △( )一~／2 dx／f。 (3) 产生的位置相差为 z)一 △(z)一2 ~rvdx／f。 (4) ^ 若物点的光谱分布为B( )，则在像面得 到的干涉强度分布为 + I(zS)一2 l B( )COS(2rrvA)dv (5) J 对干涉图进行傅里叶变换即可得到物点 目标的光谱信息 B( )一l I(A)exp(一j2rrvA)dA (6) J 由于在像平面上得到的是目标光线自相 关调制，因此光学系统及面阵探测器固定后， 自相关调制也是稳定的。同时面阵探测器件与 目标区域成像关系是一个面阵单元对应目标 空间的一块区域。由于干涉作用，探测器单元 接受的不是通常意义下的像点强度，而是自相 关函数的强度，因此像面干涉仪具有高的光学 输出量，可以有效提高系统的信噪比。 提高系统的光能量。镜头使用了硅、硫化锌等 材料，可减小高级像差。 真正的静止型傅里叶光谱仪不应当有光 机扫描系统，系统的推扫由飞机或卫星来带动 完成。由于受到客观条件的限制，只能做地面 实验，因此在实验系统中物镜的前面设计了扫 描镜，模拟实际的推扫过程。另外，探测器应采 用面阵探测器。但由于红外焦平面探测器很难 获得，实验系统中采用线阵探测器，为了成像， 将线阵探测器在系统像平面处进行扫描，扫描 都采用步进驱动。
数据采集系统主要由Hammastu公司生 产的C7369多通道探头和C7557 MCD控制器 组成，通过SCSI卡将数据传送到微机。 数据处理系统主要由微机和相关软件构 成，数据的采集与处理采用异步方式进行。实 验系统的主要技术指标见表1。 表1 实验系统的主要技术指标 Table．1 Technical specification of the experiment system 波长范围 1．5— 2．5 m 成像方式 扫描成像 探测器 InGaAs线阵成像探测器 光谱分辨率 92cm (可调节) 光谱波段数 128 瞬时视场角(IFOV) 0．4mrad 总视场角 102．4mrad 数据量化 12bit

2 实验系统的组成 根据前述基本原理，研制的实验系统主要 由光学系统、光机扫描系统、数据采集系统和 3 采样方式、光谱分辨率及光谱坐标的标定 数据处理系统构成。 傅里叶变换光谱仪的采样方式有单边采 光学系统由红外物镜、准直镜、干涉仪、会 样和双边采样两种方式。在实验系统中，由于 聚镜构成。在前置红外光学系统的设计中，采 像面干涉仪的光学系统本身是对称的，自相关 用了典型的三片型物镜和准直镜，以便获得更 函数在零光程差的两侧成对称分布，采用双边 好的校正像差，提高成像质量。把出瞳的位置 采样比较合理。 设在三角型共路干涉仪两块反射镜的中间，可 根据干涉仪的结构可以得到干涉条纹的 间距为：△z— F。 ／ 2 d。其中 为光波波长； d为M1的对称位置与M2的间距；F。为后置 透镜的焦距。干涉条纹的空间频率为f一 2 da／2F。。当d一 时得到最大空间频 率。探测器件的空间频率 > 2 。 时满足采 样定理的要求。干涉条纹的采样是通过对目标 的推扫完成的。干涉条纹的采样数据(自相关 函数)可表示为：I ：c*i(ma一6)。c为常数； a为器件的单元间距；b为常数，用于光程差的 补偿。 光谱数据由自相关函数的傅里叶变换得 到。反演出的光谱表示为 S 一c*s(F。k／a dN) (7) 其中k一0，1，⋯ ，N／2；N 为器件单元的最大 数目。因此，在不考虑系统函数的情况下，光谱 分辨率Aa— F。／a 2 dN。由于在实验系统 中d的大小是可以调节的，因此实验系统的光 谱分辨率也是可以调节的。 。 一NzSa／2，光 谱分辨能力为R— N／Z。根据采样方式和傅里 叶变换的性质可以确定光谱坐标的0点对应 于d一0，N／Z点对应于d— d 点，N／2一N 点是光谱的镜像频率。

4 数据处理 基于像面干涉仪的傅里叶成像光谱仪的 数据处理由以下几个方面组成。
4．1 数据重组 要进行数据重组的原因在于： · 由于像面干涉仪特有的数据采样机制 采集到的数据在进行傅里叶变换之前需要进 行数据的重组才能得到与某目标点相对应的 自相关函数数据。 · 进行数据重组可以有效地减少数据的 冗余。像面干涉仪的数据采样机制使采集到的 数据中有大量冗余数据，数据的重组可以剔除 无用的数据。假设所用面阵探测器的单元数 为：N *M ，N 为扫描维，要得到大小为Ⅳ *M 的多光谱图像数据，需要采集到的数据数量为 (2N 一1)*M *Ⅳ ，其中有用的数据为 N *N *M，无用数据大约占原始数据的1／2。
4．2 切趾处理 在实验系统中，采样所得的数据序列可视 为理论干涉图与一矩形函数的乘积。时域的乘 积相当于频域的卷积，矩形函数的傅里叶变换 为sinc函数，它有较大的旁瓣起伏，使输出光 谱产生失真，所以常进行切趾处理来抑制旁 瓣。 常用的切趾函数有Triangle函数、高斯函 数、sinC。函数、Hanning函数、海明函数等。实 际的计算中切趾函数的主瓣宽度越窄，对于系 统分辨率的影响越小。但是旁瓣起伏越大，同 样如果旁瓣越低，主瓣就会变宽对系统分辨率 的影响也就越大。因此对于旁瓣的抑制是以损 失系统的分辨率为代价的。我们针对实验系统 开发的软件包提供了以上全部的切趾函数。

4．3 相位校正与傅里叶变换 为了消除频谱数据的相位误差，实验系统 中采用了针对相位误差进行校正[4 的改进的 Forman，与Mertz算法相比，改进的Forman算 法具有校正精度高的优点，同时又克服了 Forman算法由于卷积运算导致的运算效率低 的缺点。运算点数越多，该算法优越性越大。实 际应用中将相位校正与傅里叶变换同时进行， 提高了算法的运行效率。

5 实验及结果分析
5．1 光谱数据反演实验 在实验室中采用单色光源作为目标来验 证实验系统光谱反演的正确性。单色仪出射狭 缝宽度0．6mm，光线波长为2．3gm 时得到以 下结果。 图2是系统以单色仪狭缝为目标经推扫 采样和数据重组后得到的干涉图。图3是经过 反演后得到的光谱数据曲线，反演过程中采用 了Trigular函数进行切趾处理。根据采样理论 和傅里叶变换的性质对光谱坐标进行简单的 标定。可以看出，根据光谱坐标得到的单色光 的波数与实际的单色光的波数基本一致。白光 的光谱宽度与探测器的光谱响应范围基本一 致，光谱峰值出现在探测器的峰值响应波长 处。 12。0 1000 8o0 馨 骚600 4oO 200 O O 5O 1oo 150 200 250 300 采样点 图2 2．3p-m 单色光干涉图 F 2 Interferogram of monochrome l~ht C2．3／~m) 馨 波数(1／cm) 图3 2．3 m 频谱曲线图 Fig．3 Spectrum of monochrome iight(2．3 m)
5．2 图像重建实验 论证数据处理方案和系统成像分谱功能 可利用通带不同的多块带通滤光片制作的实 验目标板进行成像实验，实验中采用红外灯泡 在后面照射。系统参数为：F。一125mm，d一 1．500mm，△ 一92cm～，实验结果如下。 首先实验系统的扫描镜不动，器件运动对 实验目标板进行扫描得到了一帧原始的自相 关函数图像，如图4所示。 4 扫描镜和器件都运动，数据处理后得到了 以下多光谱图像如图5～ 12所示。 图4 实验目标板一帧自相关函数图像

6 结束语 从实验结果可以看出，实验系统干涉状态 良好，分谱效果明显，同时光谱信号的信噪比 较高。除了器件光谱响应的影响外，信噪比不 会因为光谱波段的变化而变化，这充分体现了 高光通量的静止型傅里叶变换成像光谱仪所 具有的Fellegett优点。高光通量的静止型傅里 叶变换成像光谱仪的光学输出可以与相机相 比，对解决传统成像光谱仪的低光学输出量问 题提供了新的思路，相信随着探测器技术的发 展，该类仪器将成为对地观测的强有力的工 具。