干涉成像_傅立葉變換_光譜儀發(fā)展概述

1、第21卷第4期長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)Vol.21No.4 1998年12月J.CHAN GCHUNINST.OPT.&FIN EM ECH.Dec.1998干涉成像(傅立葉變換光譜儀發(fā)展概述金錫哲禹秉熙(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械所摘要干涉成像(傅葉變換光譜儀是八十年代末發(fā)展起來的一種較先進(jìn)的遙感器,較之色散型成像光譜儀,它具有光通量大等優(yōu)點(diǎn),適于對可見和紅外弱輻射的探測。本文簡要回顧了空間遙感技術(shù)中的干涉成像光譜儀的發(fā)展背景,并對其主要形式、原理、特點(diǎn)以及目前在國內(nèi)外的發(fā)展、應(yīng)用狀況進(jìn)行了概要的介紹。關(guān)鍵詞干涉圖;傅立葉變換光譜術(shù);成像光譜技術(shù)隨著空間技術(shù)的發(fā)展而興起和發(fā)展的遙感技術(shù),是建

2、立在諸多新的技術(shù)及科學(xué)理論基礎(chǔ)上的、綜合性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)。尤其是在最近十五年左右的時(shí)間里,遙感技術(shù)取得了長足的進(jìn)步,亦即測量設(shè)備及其運(yùn)載工具和數(shù)據(jù)處理的能力都有了很大的改進(jìn)和提高。而今,遙感技術(shù)已成為一個(gè)世界性的課題,它為人類提供了探測地球表面的能力,而且這種能力正在逐步地增強(qiáng)著。成像光譜技術(shù)的出現(xiàn),把光譜遙感從多光譜(Multispectral時(shí)代帶進(jìn)到高光譜(Hyperspectral時(shí)代。作為高光譜分辨率遙感器,成像光譜儀能夠提供被測地物在波長上幾乎連續(xù)采樣的超多光譜通道的窄帶光譜信號,有可能做到根據(jù)眾多地面物質(zhì)的吸收(或反射和發(fā)射光譜特征直接確認(rèn)地面物體并分析診斷出地面像元的物質(zhì)成分。

3、這是遙感技術(shù)的重要進(jìn)步,它在資源調(diào)查、環(huán)境檢測、軍事偵察等許多光學(xué)遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。鑒于色散型成像光譜技術(shù)探測可見和紅外弱輻射相當(dāng)困難,而作為成像光譜技術(shù)發(fā)展的前沿,干涉成像光譜儀具有光通量大、通道多、信噪比高等特點(diǎn),在遙感及其他領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景和特殊用途。這已引起世界上一些著名研究機(jī)構(gòu)的高度重視。國外從八十年代末開始研究用干涉成像光譜技術(shù)測量地球大氣、地表及飛行物等的光譜圖的方法和技術(shù)路徑。目前,美國正在積極發(fā)展用于空間遙感的干涉成像光譜技術(shù)和研制樣機(jī),所以從我國目前和未來空間遙感技術(shù)發(fā)展的需要出發(fā),開展此項(xiàng)研究是十分有意義的。1發(fā)展背景干涉光譜技術(shù)是利用干涉圖的傅立葉變

4、換獲得光譜的、不同于色散型分光原理的光譜技術(shù)。它的理論基礎(chǔ)雖然可以追溯到邁克爾遜早年用干涉圖的可見度來估算光譜1,但是真收稿日期:1998-07-20正的發(fā)展是從1957年國際光譜會議開始的,特別是之后將傅立葉變換同干涉圖結(jié)合起來所需的計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使干涉光譜技術(shù)取得了顯著的發(fā)展。在這一發(fā)展過程中,亞基諾(Jacquinot 、費(fèi)爾格(Fellgett 、孔雷夫婦(Connes P.,Connes J.、斯特朗研究小組(Strong s Group 、貝爾(E. E.Bell 、默茲(Mertz 、庫利一圖基(Coolet 2Tukey 等人都做出了巨大的貢獻(xiàn)2,3。以致于到了七十年代,干

5、涉光譜技術(shù)已趨于相當(dāng)成熟。到了八十年代,遙感儀器最重要的發(fā)展之一就是成像光譜技術(shù)的興起4。它是在多光譜掃描型成像遙感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)的新一代遙感器。從技術(shù)而言,成像光譜儀器是多光譜掃描型儀器的合乎邏輯的發(fā)展。它集中了光學(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。將成像技術(shù)與色散型光譜儀技術(shù)結(jié)合在一起,在用成像系統(tǒng)以獲得被測物的空間信息的同時(shí),再通過光譜儀系統(tǒng)把被測物的輻射分解成不同波長的譜輻射,通過對光譜特征的分析來達(dá)到探測目的。從1982年美國研制出第一臺方案性航空成像光譜儀(AIS 5以來,先后研制的航空成像光譜儀有:美國機(jī)載可見紅外成像光譜儀(AV IRIS ,1

6、987年6、加拿大的熒光線成像光譜儀(FL I ,1984年和在此基礎(chǔ)上發(fā)展的小型機(jī)載成像光譜儀(AIS ,1988年7、美國GER 公司的79通道機(jī)載成像光譜儀(DAIS -7915,1990年8、芬蘭的機(jī)載多用成像光譜儀(DAISA ,1992年9、德國的反射式成像光譜儀(ROSIS -10和22,1993年10、美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的超光譜數(shù)字圖象采集實(shí)驗(yàn)(HY DICE ,1994年11等。已經(jīng)進(jìn)行過多次飛行測量試驗(yàn),結(jié)果表明具有前所未有的識別地面物體的能力,展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用前景和潛力。為了開發(fā)星載成像光譜儀,從80年代中期,美國對地觀測系統(tǒng)(EOS 計(jì)劃開始進(jìn)行了較長時(shí)間的研究。在此期間

7、,研究計(jì)劃也進(jìn)行了調(diào)整、變化。現(xiàn)在研制的有美國國家航空航天管理局(NASA 的中分辨率成像光譜儀(MODIS 12,13,TRW 公司的小衛(wèi)星上的高光譜成像儀(HSI 14,15(1997年8月發(fā)射,但因衛(wèi)星出故障而失敗。歐洲空間局(ESA 的高分辨成像光譜儀(HRIS 和中分辨率成像光譜儀(M ERIS 10也都在加緊研制中。在本世紀(jì)末或下世紀(jì)初將裝備在衛(wèi)星上進(jìn)行對地觀測。圖1線陣列探測器擺掃成像光譜方式光譜分辨率在高光譜級別、上百個(gè)光譜通道的超譜段色散型成像光譜儀按其結(jié)構(gòu)和工作方式可分為兩種類型4:11線陣列探測器擺掃成像光譜方式(Whiskbroomimaging spectrometr

8、y with lineararray ,AV IRIS 、MODIS -N 等即為此種類型成像光譜儀,如圖1所示。在衛(wèi)星上這種成像光譜儀可實(shí)現(xiàn)數(shù)百米至千米量級的中分辨率探測,也適用于航空探測。21面陣探測器推掃成像光譜方式(Pushbroom imaging spectrometry 62長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)1998年with area array ,AIS 、HRIS 、HSI 等即為此類型成像光譜儀,如圖2所示。這種成像光譜圖2面陣探測器推掃成像光譜方式儀在衛(wèi)星上能夠獲得高的地面分辨率(數(shù)十米量級,數(shù)據(jù)傳輸率高,缺點(diǎn)是畫幅不夠?qū)?。鑒于色散型成像光譜儀探測可見和紅外弱輻射相當(dāng)困難,198

9、8年,美國加里福尼亞技術(shù)研究所噴氣推進(jìn)研究室(J PL 完成了一個(gè)被稱為“哈勃成像邁克爾遜干涉儀(HIMS ”的指標(biāo)設(shè)計(jì)16。這標(biāo)志著一種更新的光譜儀器干涉成像(傅立葉變換光譜儀(IF TS 。該儀器是將成像技術(shù)與干涉光譜技術(shù)結(jié)合起來,如同色散型成像光譜儀一樣,既成像又可獲得每一像元的光譜,但它是利用像元輻射的干涉圖與其光譜圖之間的傅立葉變換關(guān)系,通過利用光電探測技術(shù)測量像元輻射的干涉圖和利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對干涉圖進(jìn)行傅立葉變換,來測定和研究物面的光譜分布。其理論雖早在1972年即由A 1E 1Potter J r 首先提出并取得專利17,但是由于受當(dāng)時(shí)探測器技術(shù)等的發(fā)展水平限制,到1980年才出

10、現(xiàn)有關(guān)IF TS 的研制報(bào)道,而探測器陣元數(shù)也僅限于42個(gè),是屬原理實(shí)驗(yàn)性研究18。直到CCD 等陣元數(shù)很大的陣列探測器出現(xiàn)后,才使IF TS 的研制活躍起來并迅速走向?qū)嵱秒A段。由于干涉成像光譜儀具有許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),近年來,它在遙感領(lǐng)域中得到迅速發(fā)展,正逐步成為高分辨遙感探測可見和紅外弱輻射的強(qiáng)有力工具。2主要形式及特點(diǎn)干涉成像光譜儀是在干涉光譜技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,將成像技術(shù)引入其中而形成的目前較為先進(jìn)的一種光譜分析方法,其中獲取像元輻射干涉圖的方法和技術(shù)仍然是其研究的核心問題,它決定了由其所構(gòu)成的干涉成像光譜儀的使用范圍及性能。目前,遙感用干涉成像光譜技術(shù)中,用于獲取物面像元輻射干涉圖的方法主要

11、有三種,基于這三種干涉方法,形成了三種典型的干涉成像光譜儀。211邁克爾遜型干涉成像光譜儀時(shí)間調(diào)制型在干涉成像光譜儀中,使用邁克爾遜干涉方法,通過動鏡機(jī)械掃描,產(chǎn)生物面像元輻射的時(shí)間序列干涉圖。它由前置光學(xué)成像系統(tǒng)L 、透鏡L 1、和L 2、分束器BS 、平面鏡M 1、和M 2、探測器D 等元器件組成。其光學(xué)原理圖如圖3所示:前置光學(xué)成像系統(tǒng)L ,將待測物成像在透鏡L 1的前焦面S 上。像面S 上的任一像元的光譜輻射經(jīng)透鏡L 1后變成平行光。分束器BS 將該平行光分為兩束,一束照射在動鏡M 1上,另一束照射在靜鏡M 2上。從動鏡M 1和靜鏡M 2反射回來的二平行光束,再經(jīng)BS 合束和透鏡L 2

12、會聚后,成像在焦平面D 上,形成干涉。通過動鏡的機(jī)械掃描,在焦平面D 上,產(chǎn)生物面的時(shí)間序列干涉圖。對從焦平面D 上每一陣元得到的時(shí)間序列干涉圖進(jìn)行傅立葉72第4期金錫哲禹秉熙:干涉成像(傅立葉變換光譜儀發(fā)展概述圖3邁克爾遜型干涉成像光譜儀原理圖變換,便得到相應(yīng)物面像元輻射的光譜圖。優(yōu)點(diǎn):該光譜儀可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高精度的光譜測量。缺點(diǎn):1由于邁克爾遜干涉成像光譜儀是非共路干涉和時(shí)間調(diào)制的,因而,光譜測量對擾動和機(jī)械掃描精度都很敏感。實(shí)現(xiàn)高精度光譜測量時(shí)要求很好的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和高精度機(jī)械掃描機(jī)構(gòu),這使光譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。2由于物面像元的干涉圖是時(shí)間調(diào)制獲得的,故不能測量空間/光譜迅變物的光譜,而只能測

13、量空間和光譜不隨時(shí)間變化或緩變物的光譜,應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。212雙折射型干涉成像光譜儀空間調(diào)制型雙折射型干涉成像光譜是利用雙折射偏振干涉方法,在垂直狹縫方向同時(shí)產(chǎn)生物面像元輻射的整個(gè)干涉圖。它由前置光學(xué)成像系統(tǒng)L 、狹縫S 、透鏡L 1、起偏器P 1、渥拉斯頓棱鏡W 、檢偏器P 2、透鏡L 2、柱面透鏡C 和探測器D 等元器件構(gòu)成,光學(xué)原理圖如圖4所示 :圖4雙折射型干涉成像光譜儀光學(xué)原理圖前置光學(xué)成像系統(tǒng)L ,將被測物面垂直推掃方向的的一條線成像在雙折射干涉儀的入射狹縫S 上,進(jìn)入S 的光譜輻射,經(jīng)第一個(gè)透鏡L 1準(zhǔn)直和起偏器P 1后,偏振光入射到渥拉斯頓棱鏡W 上。它將入射線偏振光分解為兩

14、個(gè)彼此正交的偏振分量尋常分量和非尋常分量,此二分量在渥拉斯頓棱鏡內(nèi)傳播的光程不同。檢偏器P 2將從渥拉斯頓棱鏡W 出射的二正交線偏振光束復(fù)合成同一方向偏振的偏振光。復(fù)合光束通過由球面透鏡L 2和柱面透鏡C 構(gòu)成的成像系統(tǒng),在面陣探測器D 上垂直狹縫S 的方向產(chǎn)生狹縫上對應(yīng)像元的干涉圖,同時(shí),在平行于S 的方向上,產(chǎn)生該狹縫的像。優(yōu)點(diǎn):1在雙折射型干涉成像光譜儀中,狹縫的大小和形狀只確定成像的空間分辨率,而不影響光譜分辨率,所以光通量可以很大。2該裝置屬光共路干涉型,因此,抗外界擾動和震動能力強(qiáng)。3該裝置工作時(shí),無運(yùn)動元件,結(jié)構(gòu)緊湊。4該裝置屬空間調(diào)制,故可用于光譜和空間變化物的光譜測量。缺點(diǎn):

15、1分辨能力有限。2光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。213三角共路(Sagnac 型干涉成像光譜儀空間調(diào)制型三角共路型干涉成像光譜儀是用三角共路干涉方法,通過空間調(diào)制,產(chǎn)生物面的像和像82長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)1998年元輻射的干涉圖。它由前置光學(xué)系統(tǒng)L 、狹縫光闌S 、分束器BS 、反射鏡M 1和M 2、傅立葉透鏡L 、柱面鏡C 和探測器D 等元器件構(gòu)成,其光學(xué)原理圖如圖5所示。圖5三角共路型干涉成像光譜儀光學(xué)原理圖由前置光學(xué)系統(tǒng)L 將被測物聚焦于入射狹縫光闌S 處,入射光闌出射的光經(jīng)BS 分束成反射光和透射光,再經(jīng)兩個(gè)反射面M 1和M 2反射及分束器BS 反射或透射后入射到傅立葉透鏡L 和柱面鏡C 上,

16、當(dāng)M 1與M 2相對于分束器完全對稱時(shí),無程差存在,故亦無干涉效應(yīng),而當(dāng)M 1與M 2不對稱時(shí),由于光路設(shè)置使入射狹縫光闌置于傅立葉透鏡的前焦面處,故兩束光相對于光軸向兩邊對稱分開,經(jīng)傅立葉透鏡L 和柱面鏡C 后變成平行光,在探測器D 處合束產(chǎn)生干涉。在垂直狹縫S 的方向上,產(chǎn)生狹縫上對應(yīng)像元的干涉圖,同時(shí),在平行于S 的方向上,產(chǎn)生該狹縫的像。優(yōu)點(diǎn):1在三角共路型干涉成像光譜儀中,狹縫的大小和形狀只確成像的空間分辨率,而不影響光譜分辨率,所以光通量可以很大。2由于在三角共路型干涉成像光譜儀中,兩束光沿相同路徑反向傳播,因而,外界擾動和震動的影響便被自動補(bǔ)償。3三角共路型干涉成像光譜儀,易于光

17、學(xué)調(diào)整。4三角共路型干涉成像光譜儀,不須移動任何光學(xué)元件便能同時(shí)獲得像元輻射的一幅完整的干涉圖,因而,結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、而且可用于運(yùn)動物體或瞬變光源的光譜測量。缺點(diǎn):分辨能力有限,介于邁克爾遜型和雙折射型之間。上述三種形式干涉成像光譜儀結(jié)構(gòu)不同,性能各有所長。但歸根結(jié)底,都是對兩束光的程差進(jìn)行調(diào)制,在探測面處得到含有被測物的二維空間信息和一維光譜信息的數(shù)據(jù)立方圖,只是調(diào)制方式不同,分為時(shí)間調(diào)制和空間調(diào)制兩種。而至于對所得到的數(shù)據(jù)立方圖進(jìn)行處理的過程則完全相同。3研究現(xiàn)狀美國加里福尼亞技術(shù)研究所噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(J PL ,為了提高哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在波長110215m 范圍內(nèi)背景受限成像能力和衍射受

18、限成像能力,開展了邁克爾遜型干涉成像光譜儀概念研究。1988年完成了“哈勃成像邁克爾遜光譜儀(HIMS ”的指標(biāo)設(shè)計(jì),其光譜分辨能力/為11000016。美國勞倫斯利物摩爾(Lawrence Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室,為開展紅外寬波段遙感探測,1993年完成了基于邁克爾遜干涉儀的時(shí)間調(diào)制干涉成像光譜儀方案研究19。該技術(shù)可用于近紫外、可見光、近紅外及中紅外譜段。利用該技術(shù),他們對化學(xué)品及氣體的滲漏做了監(jiān)測實(shí)驗(yàn),收到了滿意的效果20。1995年研制出了樣機(jī),1996年對該樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測92第4期金錫哲禹秉熙:干涉成像(傅立葉變換光譜儀發(fā)展概述30 長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào) 1998 年

19、 試及外場實(shí)驗(yàn) , 其結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo) 21 。其主要技術(shù)參數(shù)如下 22 : 表1 主要技術(shù)參數(shù) 遠(yuǎn)紅外 (L WIR 中紅外 ( MWIR 探測器 光譜范圍 像面尺度 像元尺度 Ga : Si 81001215 m 128 128 InSb 31304190 m 256 256 遠(yuǎn)紅外 (L WIR 中紅外 ( MWIR 瞬時(shí)視場 分束器 最大幀速率 光譜分辨率 0155 mrad KBr/ Ge 100 Hz 0135 mrad KBr/ Ge 125 Hz 1 1 - 1 法國空間與戰(zhàn)略系統(tǒng)分部 ( Aerospatiale Space and St rategic Systems

20、Division 為開展低 軌平臺遙感觀測地球 , 也在致力于研制邁樂爾遜型干涉成像光譜儀 , 1991 年研制出具有兩 個(gè)輸入和輸出通道的邁克爾遜型干涉成像光譜儀樣機(jī) , 該樣機(jī)具有光學(xué)設(shè)計(jì)簡單 、結(jié)構(gòu)緊湊 等特點(diǎn) , 其光譜分辨能力 為 100500 23 。 / 1993 年 , 美國夏威夷大學(xué)和佛羅里達(dá)技術(shù)研究所空間部 , 合作研制出一臺地面用三角 共路型干涉成像光譜儀樣機(jī) 。該樣機(jī)的光譜測量范圍為 110 510 m , 光譜分辨能力 / 為 1001000 24 。 1994 年 , 美國佛羅里達(dá)技術(shù)研究所和菲利浦實(shí)驗(yàn)室 , 共同研制出幾臺地面用可見波段 三角共路型干涉成像光譜儀樣

21、機(jī) 。目前 , 這幾臺樣機(jī)主要用于兩個(gè)方面 。其一 , 通過獲取低 軌衛(wèi)星的光譜特征來識別衛(wèi)星 ; 其二 , 觀測空間運(yùn)載系統(tǒng)助推器發(fā)射的火焰 25 。 1995 年 , 美國佛羅里達(dá)技術(shù)研究所對干涉成像光譜儀進(jìn)行了建模分析 , 并進(jìn)行了測試 , 以有助于對所用 CCD 相機(jī)參數(shù)的分析研究 , 其結(jié)果與之前的分析是相吻合的 26 。 1995 年 ,美國茶隼 ( Kest rel 公司和佛羅里達(dá)技術(shù)研究所共同設(shè)計(jì)出一臺在單引擎輕型飛 機(jī)上用的可見波段三角共路型成像干涉光譜儀 ,1995 年開始進(jìn)行加工 ,1996 年完成加工并進(jìn) 行了實(shí)驗(yàn)室測試及外場飛行實(shí)驗(yàn) ,結(jié)果是令人滿意的 27 ,28

22、。其主要技術(shù)參數(shù)見表 2 29 。 表2 技術(shù)參數(shù) 1995 年 , 加拿大的 Bomen 公司與加拿大國防部 光譜范圍 01441115 m 以及澳大利利國防部共同合作 , 在 BomenMB 系列傅 光譜分辨率 在 0145 m 處 5nm 立葉變換干涉儀的基礎(chǔ)上 , 開發(fā)出一種干涉成像光譜 二維空間分辨率 018mrad 全視場 幀速率 數(shù)據(jù)傳送數(shù)率 光譜通道數(shù) 15 35/ s 15Mbt/ s 256 TFOV TFOV IFOV IFOV 系統(tǒng)影象彌散 光譜范圍 美國國家航空航天管理局 ( NASA 艾梅斯 ( Ames 研究中心和華盛頓大學(xué) , 正致力于 5010 m 4mrad

23、 1mrad 015mrad 01125mrad 像元間距 2513 m 3010 m 儀 , 其光譜分辨率可調(diào) , 視場亦分二擋 。他們對該實(shí) 際系統(tǒng)的等效光譜噪聲輻射 ( N ESR 及儀器函數(shù)進(jìn) 行了測試及比較 , 結(jié)果達(dá)到或超出了設(shè)計(jì)指標(biāo) 。其具 體性能參數(shù)如表 3 所示 30 。 光譜分辨率 光譜精度 幅射測量準(zhǔn)確度 可測最低目標(biāo)溫度 可測目標(biāo)范圍 幀數(shù)率 1 ,2 ,4 ,6 ,8 ,16 ,32 ,62 CM 1 表3 具體性能參數(shù) 約 0125cm - 優(yōu)于 101cm 0 15 0 C 50km 8 幅/ 每秒 約 0125 - 第4期 金錫哲 禹秉熙 : 干涉成像 ( 傅立

24、葉變換 光譜儀發(fā)展概述 31 研制地面和航空用測量地球大氣和表面成像光譜的雙折射型干涉成像光譜儀 。1993 年 , 他 們共同開發(fā)出一種稱為 DASI ( 數(shù)字陣列掃描干涉儀 的干涉成像光譜儀樣機(jī) 。該樣機(jī)光譜 測量范圍為 01402120 m , 光譜分辨率 300cm - 1 , 具有 5 。 視場 , 系統(tǒng)禎速率為 016 Hz , 有 達(dá)到 5 Hz 的潛力 ?，F(xiàn)階段他們正在進(jìn)行地面試驗(yàn) 31 。 參 考 文 獻(xiàn) 1 Michelson A A. On t he Application of Interference Met hods to Spectroscopic Measure

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33、ract Developing background of Imaging Fourier Transform Spect roscopy used in space applications is int roduced essentially. remotc sensing is reviewed briefly. It s f undamental forms 、 characteristics and current stat us and Key words interference pattem ; Fourier Transform Spect roscopy ; Imaging

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