高光通量短波紅外靜止干涉成像光譜儀研究

高光通量短波紅外靜止干涉成像光譜儀研究
摘 要： 討論高光通量靜止干涉(傅里葉變換)成像光譜儀的基本原理及結(jié)構(gòu)特點，建立了短波紅外 的高光通量靜止傅里葉變換光譜儀的實驗系統(tǒng)，并給出了實驗結(jié)果。

引言 用于涉技術(shù)獲得精細光譜的傅里葉光譜 儀技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，其主要優(yōu) 點是高光通量、高輸出、多通道。在同樣光譜通 道的情況下，傅里葉光譜儀的信噪比是傳統(tǒng)光 柵光譜儀的(N／2)“ 倍(N 為光譜通道數(shù))。電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀|盡 管采用空間調(diào)制分光技術(shù)的靜止型傅里葉成 像光譜儀克服了經(jīng)典的傅里葉成像光譜儀中 運動器件掃描所帶來的精度及機械磨損問題， 但它的調(diào)制分光方式?jīng)Q定了它無法充分利用 傅里葉光譜儀應(yīng)有的Fellgett優(yōu)點，即通過干 涉儀得到光學(xué)輸出被分配到不同的面陣單元 上，因此信噪比難以真正得到提高。 本文討論了一種高光通量的傅里葉成像 光譜儀，根據(jù)實驗結(jié)果可以看出該傅里葉成像 光譜儀具有高穩(wěn)定性、高光通量和高信噪比的 特點。

1 基本原理 高光通量傅立葉變換成像光譜儀的光學(xué) 系統(tǒng)主要由前置光學(xué)系統(tǒng)、像面干涉儀和面陣 探測器件組成。核心部件為像面干涉儀，其光 路如圖1所示。 推 掃 方 向 O X 圖1 像面干涉儀光路圖 Fig．1 Optic schematic of the image pl ane interferometer 采用像面干涉儀的靜止型傅里葉成像光 譜儀的基本原理如圖1。一束入射光線經(jīng)過分 束片后成為兩束互相平行的相干光，設(shè)入射光 線的視場角為 ，被剪切開的兩束相干光之間 的橫向距離為 ，則它們在會聚鏡后焦面處的 像面上干涉時的光程差為： z5(0)一／sin( ) (1) 在 不大時，上式可寫為 z5(O)一／sin( )≈ lx／f3 (2) 式中z為干涉點的橫向坐標(探測器平面為 xy面)；廠。為會聚鏡的焦距。在理想情況下，干 涉儀對任意視場的光線產(chǎn)生的橫向剪切量均 相同，其值為 一~／2 d。光程差的表示式為 △( )一~／2 dx／f。 (3) 產(chǎn)生的位置相差為 z)一 △(z)一2 ~rvdx／f。 (4) ^ 若物點的光譜分布為B( )，則在像面得 到的干涉強度分布為 + I(zS)一2 l B( )COS(2rrvA)dv (5) J 對干涉圖進行傅里葉變換即可得到物點 目標的光譜信息 B( )一l I(A)exp(一j2rrvA)dA (6) J 由于在像平面上得到的是目標光線自相 關(guān)調(diào)制，因此光學(xué)系統(tǒng)及面陣探測器固定后， 自相關(guān)調(diào)制也是穩(wěn)定的。同時面陣探測器件與 目標區(qū)域成像關(guān)系是一個面陣單元對應(yīng)目標 空間的一塊區(qū)域。由于干涉作用，探測器單元 接受的不是通常意義下的像點強度，而是自相 關(guān)函數(shù)的強度，因此像面干涉儀具有高的光學(xué) 輸出量，可以有效提高系統(tǒng)的信噪比。 提高系統(tǒng)的光能量。鏡頭使用了硅、硫化鋅等 材料，可減小高級像差。 真正的靜止型傅里葉光譜儀不應(yīng)當有光 機掃描系統(tǒng)，系統(tǒng)的推掃由飛機或衛(wèi)星來帶動 完成。由于受到客觀條件的限制，只能做地面 實驗，因此在實驗系統(tǒng)中物鏡的前面設(shè)計了掃 描鏡，模擬實際的推掃過程。另外，探測器應(yīng)采 用面陣探測器。但由于紅外焦平面探測器很難 獲得，實驗系統(tǒng)中采用線陣探測器，為了成像， 將線陣探測器在系統(tǒng)像平面處進行掃描，掃描 都采用步進驅(qū)動。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由Hammastu公司生 產(chǎn)的C7369多通道探頭和C7557 MCD控制器 組成，通過SCSI卡將數(shù)據(jù)傳送到微機。 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由微機和相關(guān)軟件構(gòu) 成，數(shù)據(jù)的采集與處理采用異步方式進行。實 驗系統(tǒng)的主要技術(shù)指標見表1。 表1 實驗系統(tǒng)的主要技術(shù)指標 Table．1 Technical specification of the experiment system 波長范圍 1．5— 2．5 m 成像方式 掃描成像 探測器 InGaAs線陣成像探測器 光譜分辨率 92cm (可調(diào)節(jié)) 光譜波段數(shù) 128 瞬時視場角(IFOV) 0．4mrad 總視場角 102．4mrad 數(shù)據(jù)量化 12bit

2 實驗系統(tǒng)的組成 根據(jù)前述基本原理，研制的實驗系統(tǒng)主要 由光學(xué)系統(tǒng)、光機掃描系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和 3 采樣方式、光譜分辨率及光譜坐標的標定 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。 傅里葉變換光譜儀的采樣方式有單邊采 光學(xué)系統(tǒng)由紅外物鏡、準直鏡、干涉儀、會 樣和雙邊采樣兩種方式。在實驗系統(tǒng)中，由于 聚鏡構(gòu)成。在前置紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中，采 像面干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)本身是對稱的，自相關(guān) 用了典型的三片型物鏡和準直鏡，以便獲得更 函數(shù)在零光程差的兩側(cè)成對稱分布，采用雙邊 好的校正像差，提高成像質(zhì)量。把出瞳的位置 采樣比較合理。 設(shè)在三角型共路干涉儀兩塊反射鏡的中間，可 根據(jù)干涉儀的結(jié)構(gòu)可以得到干涉條紋的 間距為：△z— F。 ／ 2 d。其中 為光波波長； d為M1的對稱位置與M2的間距；F。為后置 透鏡的焦距。干涉條紋的空間頻率為f一 2 da／2F。。當d一 時得到最大空間頻 率。探測器件的空間頻率 > 2 。 時滿足采 樣定理的要求。干涉條紋的采樣是通過對目標 的推掃完成的。干涉條紋的采樣數(shù)據(jù)(自相關(guān) 函數(shù))可表示為：I ：c*i(ma一6)。c為常數(shù)； a為器件的單元間距；b為常數(shù)，用于光程差的 補償。 光譜數(shù)據(jù)由自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換得 到。反演出的光譜表示為 S 一c*s(F。k／a dN) (7) 其中k一0，1，⋯ ，N／2；N 為器件單元的最大 數(shù)目。因此，在不考慮系統(tǒng)函數(shù)的情況下，光譜 分辨率Aa— F。／a 2 dN。由于在實驗系統(tǒng) 中d的大小是可以調(diào)節(jié)的，因此實驗系統(tǒng)的光 譜分辨率也是可以調(diào)節(jié)的。 。 一NzSa／2，光 譜分辨能力為R— N／Z。根據(jù)采樣方式和傅里 葉變換的性質(zhì)可以確定光譜坐標的0點對應(yīng) 于d一0，N／Z點對應(yīng)于d— d 點，N／2一N 點是光譜的鏡像頻率。

4 數(shù)據(jù)處理 基于像面干涉儀的傅里葉成像光譜儀的 數(shù)據(jù)處理由以下幾個方面組成。
4．1 數(shù)據(jù)重組 要進行數(shù)據(jù)重組的原因在于： · 由于像面干涉儀特有的數(shù)據(jù)采樣機制 采集到的數(shù)據(jù)在進行傅里葉變換之前需要進 行數(shù)據(jù)的重組才能得到與某目標點相對應(yīng)的 自相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)。 · 進行數(shù)據(jù)重組可以有效地減少數(shù)據(jù)的 冗余。像面干涉儀的數(shù)據(jù)采樣機制使采集到的 數(shù)據(jù)中有大量冗余數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的重組可以剔除 無用的數(shù)據(jù)。假設(shè)所用面陣探測器的單元數(shù) 為：N *M ，N 為掃描維，要得到大小為Ⅳ *M 的多光譜圖像數(shù)據(jù)，需要采集到的數(shù)據(jù)數(shù)量為 (2N 一1)*M *Ⅳ ，其中有用的數(shù)據(jù)為 N *N *M，無用數(shù)據(jù)大約占原始數(shù)據(jù)的1／2。
4．2 切趾處理 在實驗系統(tǒng)中，采樣所得的數(shù)據(jù)序列可視 為理論干涉圖與一矩形函數(shù)的乘積。時域的乘 積相當于頻域的卷積，矩形函數(shù)的傅里葉變換 為sinc函數(shù)，它有較大的旁瓣起伏，使輸出光 譜產(chǎn)生失真，所以常進行切趾處理來抑制旁 瓣。 常用的切趾函數(shù)有Triangle函數(shù)、高斯函 數(shù)、sinC。函數(shù)、Hanning函數(shù)、海明函數(shù)等。實 際的計算中切趾函數(shù)的主瓣寬度越窄，對于系 統(tǒng)分辨率的影響越小。但是旁瓣起伏越大，同 樣如果旁瓣越低，主瓣就會變寬對系統(tǒng)分辨率 的影響也就越大。因此對于旁瓣的抑制是以損 失系統(tǒng)的分辨率為代價的。我們針對實驗系統(tǒng) 開發(fā)的軟件包提供了以上全部的切趾函數(shù)。

4．3 相位校正與傅里葉變換 為了消除頻譜數(shù)據(jù)的相位誤差，實驗系統(tǒng) 中采用了針對相位誤差進行校正[4 的改進的 Forman，與Mertz算法相比，改進的Forman算 法具有校正精度高的優(yōu)點，同時又克服了 Forman算法由于卷積運算導(dǎo)致的運算效率低 的缺點。運算點數(shù)越多，該算法優(yōu)越性越大。實 際應(yīng)用中將相位校正與傅里葉變換同時進行， 提高了算法的運行效率。

5 實驗及結(jié)果分析
5．1 光譜數(shù)據(jù)反演實驗 在實驗室中采用單色光源作為目標來驗 證實驗系統(tǒng)光譜反演的正確性。單色儀出射狹 縫寬度0．6mm，光線波長為2．3gm 時得到以 下結(jié)果。 圖2是系統(tǒng)以單色儀狹縫為目標經(jīng)推掃 采樣和數(shù)據(jù)重組后得到的干涉圖。圖3是經(jīng)過 反演后得到的光譜數(shù)據(jù)曲線，反演過程中采用 了Trigular函數(shù)進行切趾處理。根據(jù)采樣理論 和傅里葉變換的性質(zhì)對光譜坐標進行簡單的 標定。可以看出，根據(jù)光譜坐標得到的單色光 的波數(shù)與實際的單色光的波數(shù)基本一致。白光 的光譜寬度與探測器的光譜響應(yīng)范圍基本一 致，光譜峰值出現(xiàn)在探測器的峰值響應(yīng)波長 處。 12。0 1000 8o0 馨 騷600 4oO 200 O O 5O 1oo 150 200 250 300 采樣點 圖2 2．3p-m 單色光干涉圖 F 2 Interferogram of monochrome l~ht C2．3／~m) 馨 波數(shù)(1／cm) 圖3 2．3 m 頻譜曲線圖 Fig．3 Spectrum of monochrome iight(2．3 m)
5．2 圖像重建實驗 論證數(shù)據(jù)處理方案和系統(tǒng)成像分譜功能 可利用通帶不同的多塊帶通濾光片制作的實 驗?zāi)繕税暹M行成像實驗，實驗中采用紅外燈泡 在后面照射。系統(tǒng)參數(shù)為：F。一125mm，d一 1．500mm，△ 一92cm～，實驗結(jié)果如下。 首先實驗系統(tǒng)的掃描鏡不動，器件運動對 實驗?zāi)繕税暹M行掃描得到了一幀原始的自相 關(guān)函數(shù)圖像，如圖4所示。 4 掃描鏡和器件都運動，數(shù)據(jù)處理后得到了 以下多光譜圖像如圖5～ 12所示。 圖4 實驗?zāi)繕税逡粠�自相關(guān)函數(shù)圖像

6 結(jié)束語 從實驗結(jié)果可以看出，實驗系統(tǒng)干涉狀態(tài) 良好，分譜效果明顯，同時光譜信號的信噪比 較高。除了器件光譜響應(yīng)的影響外，信噪比不 會因為光譜波段的變化而變化，這充分體現(xiàn)了 高光通量的靜止型傅里葉變換成像光譜儀所 具有的Fellegett優(yōu)點。高光通量的靜止型傅里 葉變換成像光譜儀的光學(xué)輸出可以與相機相 比，對解決傳統(tǒng)成像光譜儀的低光學(xué)輸出量問 題提供了新的思路，相信隨著探測器技術(shù)的發(fā) 展，該類儀器將成為對地觀測的強有力的工 具。