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構特點(diǎn)，建立了短波紅外 的高光通量靜止傅里葉變換光譜儀的實(shí)驗系統，并給出了實(shí)驗結果。

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(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，其主要優(yōu) 點(diǎn)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光 柵光譜儀的(N／2)“ 倍(N 為光譜通道數)。電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀| 電源供應器| 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(dòng)器件掃描所帶來(lái)的精度及機械磨損問(wèn)題， 但它的調制分光方式?jīng)Q定了它無(wú)法充分利用 傅里葉光譜儀應有的Fellgett優(yōu)點(diǎn)，即通過(guò)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，根據實(shí)驗結果可以看出該傅里葉成像 光譜儀具有高穩定性、高光通量和高信噪比的 特點(diǎn)。

1 基本原理 高光通量傅立葉變換成像光譜儀的光學(xué) 系統主要由前置光學(xué)系統、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(xiàn)經(jīng)過(guò)分 束片后成為兩束互相平行的相干光，設入射光 線(xiàn)的視場(chǎng)角為 ，被剪切開(kāi)的兩束相干光之間 的橫向距離為 ，則它們在會(huì )聚鏡后焦面處的 像面上干涉時(shí)的光程差為： z5(0)一／sin( ) (1) 在 不大時(shí)，上式可寫(xiě)為 z5(O)一／sin( )≈ lx／f3 (2) 式中z為干涉點(diǎn)的橫向坐標(探測器平面為 xy面)；廠(chǎng)。為會(huì )聚鏡的焦距。在理想情況下，干 涉儀對任意視場(chǎng)的光線(xiàn)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(diǎn)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(jìn)行傅里葉變換即可得到物點(diǎn) 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(xiàn)自相 關(guān)調制，因此光學(xué)系統及面陣探測器固定后， 自相關(guān)調制也是穩定的。同時(shí)面陣探測器件與 目標區域成像關(guān)系是一個(gè)面陣單元對應目標 空間的一塊區域。由于干涉作用，探測器單元 接受的不是通常意義下的像點(diǎn)強度，而是自相 關(guān)函數的強度，因此像面干涉儀具有高的光學(xué) 輸出量，可以有效提高系統的信噪比。 提高系統的光能量。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當有光 機掃描系統，系統的推掃由飛機或衛星來(lái)帶動(dòng) 完成。由于受到客觀(guān)條件的限制，只能做地面 實(shí)驗，因此在實(shí)驗系統中物鏡的前面設計了掃 描鏡，模擬實(shí)際的推掃過(guò)程。另外，探測器應采 用面陣探測器。但由于紅外焦平面探測器很難 獲得，實(shí)驗系統中采用線(xiàn)陣探測器，為了成像， 將線(xiàn)陣探測器在系統像平面處進(jìn)行掃描，掃描 都采用步進(jìn)驅動(dòng)。
數據采集系統主要由Hammastu公司生 產(chǎn)的C7369多通道探頭和C7557 MCD控制器 組成，通過(guò)SCSI卡將數據傳送到微機。 數據處理系統主要由微機和相關(guān)軟件構 成，數據的采集與處理采用異步方式進(jìn)行。實(shí) 驗系統的主要技術(shù)指標見(jiàn)表1。 表1 實(shí)驗系統的主要技術(shù)指標 Table．1 Technical specification of the experiment system 波長(cháng)范圍 1．5— 2．5 m 成像方式 掃描成像 探測器 InGaAs線(xiàn)陣成像探測器 光譜分辨率 92cm (可調節) 光譜波段數 128 瞬時(shí)視場(chǎng)角(IFOV) 0．4mrad 總視場(chǎng)角 102．4mrad 數據量化 12bit

2 實(shí)驗系統的組成 根據前述基本原理，研制的實(shí)驗系統主要 由光學(xué)系統、光機掃描系統、數據采集系統和 3 采樣方式、光譜分辨率及光譜坐標的標定 數據處理系統構成。 傅里葉變換光譜儀的采樣方式有單邊采 光學(xué)系統由紅外物鏡、準直鏡、干涉儀、會(huì ) 樣和雙邊采樣兩種方式。在實(shí)驗系統中，由于 聚鏡構成。在前置紅外光學(xué)系統的設計中，采 像面干涉儀的光學(xué)系統本身是對稱(chēng)的，自相關(guān) 用了典型的三片型物鏡和準直鏡，以便獲得更 函數在零光程差的兩側成對稱(chēng)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。 設在三角型共路干涉儀兩塊反射鏡的中間，可 根據干涉儀的結構可以得到干涉條紋的 間距為：△z— F。 ／ 2 d。其中 為光波波長(cháng)； d為M1的對稱(chēng)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(shí)得到最大空間頻 率。探測器件的空間頻率 > 2 。 時(shí)滿(mǎn)足采 樣定理的要求。干涉條紋的采樣是通過(guò)對目標 的推掃完成的。干涉條紋的采樣數據(自相關(guān) 函數)可表示為：I ：c*i(ma一6)。c為常數； a為器件的單元間距；b為常數，用于光程差的 補償。 光譜數據由自相關(guān)函數的傅里葉變換得 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 數目。因此，在不考慮系統函數的情況下，光譜 分辨率Aa— F。／a 2 dN。由于在實(shí)驗系統 中d的大小是可以調節的，因此實(shí)驗系統的光 譜分辨率也是可以調節的。 。 一NzSa／2，光 譜分辨能力為R— N／Z。根據采樣方式和傅里 葉變換的性質(zhì)可以確定光譜坐標的0點(diǎn)對應 于d一0，N／Z點(diǎn)對應于d— d 點(diǎn)，N／2一N 點(diǎn)是光譜的鏡像頻率。

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

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

5 實(shí)驗及結果分析
5．1 光譜數據反演實(shí)驗 在實(shí)驗室中采用單色光源作為目標來(lái)驗 證實(shí)驗系統光譜反演的正確性。單色儀出射狹 縫寬度0．6mm，光線(xiàn)波長(cháng)為2．3gm 時(shí)得到以 下結果。 圖2是系統以單色儀狹縫為目標經(jīng)推掃 采樣和數據重組后得到的干涉圖。圖3是經(jīng)過(guò) 反演后得到的光譜數據曲線(xiàn)，反演過(guò)程中采用 了Trigular函數進(jìn)行切趾處理。根據采樣理論 和傅里葉變換的性質(zhì)對光譜坐標進(jìn)行簡(jiǎn)單的 標定�？梢钥闯�，根據光譜坐標得到的單色光 的波數與實(shí)際的單色光的波數基本一致。白光 的光譜寬度與探測器的光譜響應范圍基本一 致，光譜峰值出現在探測器的峰值響應波長(cháng) 處。 12。0 1000 8o0 馨 騷600 4oO 200 O O 5O 1oo 150 200 250 300 采樣點(diǎn) 圖2 2．3p-m 單色光干涉圖 F 2 Interferogram of monochrome l~ht C2．3／~m) 馨 波數(1／cm) 圖3 2．3 m 頻譜曲線(xiàn)圖 Fig．3 Spectrum of monochrome iight(2．3 m)
5．2 圖像重建實(shí)驗 論證數據處理方案和系統成像分譜功能 可利用通帶不同的多塊帶通濾光片制作的實(shí) 驗目標板進(jìn)行成像實(shí)驗，實(shí)驗中采用紅外燈泡 在后面照射。系統參數為：F。一125mm，d一 1．500mm，△ 一92cm～，實(shí)驗結果如下。 首先實(shí)驗系統的掃描鏡不動(dòng)，器件運動(dòng)對 實(shí)驗目標板進(jìn)行掃描得到了一幀原始的自相 關(guān)函數圖像，如圖4所示。 4 掃描鏡和器件都運動(dòng)，數據處理后得到了 以下多光譜圖像如圖5～ 12所示。 圖4 實(shí)驗目標板一幀自相關(guān)函數圖像

6 結束語(yǔ) 從實(shí)驗結果可以看出，實(shí)驗系統干涉狀態(tài) 良好，分譜效果明顯，同時(shí)光譜信號的信噪比 較高。除了器件光譜響應的影響外，信噪比不 會(huì )因為光譜波段的變化而變化，這充分體現了 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(diǎn)。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，對解決傳統成像光譜儀的低光學(xué)輸出量問(wèn) 題提供了新的思路，相信隨著(zhù)探測器技術(shù)的發(fā) 展，該類(lèi)儀器將成為對地觀(guān)測的強有力的工 具。