干涉成像光譜技術(shù)

1、干涉成像光譜技術(shù)摘要:干涉成像光譜技術(shù)是當(dāng)今可見(jiàn)光和紅外遙感器探測(cè)技術(shù)的前沿科學(xué)，是當(dāng)今成像技術(shù)與光譜技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，目前它已成為人們研究和獲取目標(biāo)三維信息（二維空間信息和一維光譜信息）的重要手段和前沿學(xué)科。成像光譜儀把成像技術(shù)和光譜技術(shù)融為一體，可以在空間以及光譜兩個(gè)方向上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別分析。關(guān)鍵詞:干涉干涉成像光譜技術(shù)傅利葉光學(xué)干涉儀1、前言干涉成像光譜技術(shù)始源于干涉光譜學(xué)的發(fā)展。1880年，邁克耳遜發(fā)明了以他的名字命名的干涉儀。1887年，邁克耳遜與莫雷進(jìn)行了旨在檢驗(yàn)以太風(fēng)的著名實(shí)驗(yàn):邁克耳遜一莫雷實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果否定了絕對(duì)慣性系以太的存在，確立了后來(lái)愛(ài)因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論兩條基本

2、假設(shè)之一的光速不變?cè)?，邁克耳遜一莫雷實(shí)驗(yàn)比愛(ài)因斯坦早18年提出了物質(zhì)世界的這一基本規(guī)律。20世紀(jì)前半葉，航天技術(shù)得到了前所未有的高速發(fā)展，為空間探測(cè)和地表探測(cè)創(chuàng)造了條件，同時(shí)也為空間探測(cè)技術(shù)提出了更多的需求。人們希望得到的不只是單純的目標(biāo)光譜或目標(biāo)形影信息，而希望能夠同時(shí)得到目標(biāo)的形影信息和光譜信息。這一極大的社會(huì)需求導(dǎo)致了成像儀與光譜儀的結(jié)合以及成像光譜技術(shù)的產(chǎn)生。成像光譜技術(shù)從原理上講分為色散型和干涉型兩大類(lèi):色散型成像光譜儀是利用色散元件（光柵或棱鏡等）將復(fù)色光色散分成序列譜線,然后再用探測(cè)器測(cè)量每一譜線元的強(qiáng)度。而干涉型成像光譜儀是同時(shí)測(cè)量所有譜線元的干涉強(qiáng)度,對(duì)干涉圖進(jìn)行逆傅里葉變

3、換將得到目標(biāo)的光譜圖。2、干涉成像光譜儀的原理圖1是基于邁克耳遜干涉儀基礎(chǔ)上的時(shí)間調(diào)制干涉成像光譜儀原理圖。下面我們將通過(guò)邁氏干涉儀的雙光束干涉機(jī)理產(chǎn)生的干涉圖的定量分析及處理來(lái)闡明干涉成像光譜技術(shù)的基本原理。圖1設(shè)從光源發(fā)出的單色光經(jīng)前置光學(xué)系統(tǒng)后成為一束電矢量振幅為E。（為波數(shù)）的準(zhǔn)直光束射入邁克耳遜干涉儀，任一時(shí)刻t位置坐標(biāo)為z處的光波表達(dá)式為嚴(yán)4%2.1此光波到達(dá)分束板后，被分割成一束透射光和一束反射光，經(jīng)M，、MZ反射后又返回分束板，分別經(jīng)透射和反射到達(dá)探測(cè)器。設(shè)分束板的透射比和反射比分別為t和r從圖1可知，二束光中的每一束在到達(dá)探測(cè)器時(shí)，都分別在分束板上經(jīng)歷了一次透射和一次反射。設(shè)

4、二束光在探測(cè)器上相遇時(shí)，其傳播的距離分別為z1和z2。由于二光束是從同一入射光束分割出來(lái)的，滿(mǎn)足同頻率、振動(dòng)方向不正交（此處振動(dòng)方向相同）和有固定位相差的相干必要條件;且又滿(mǎn)足振幅相差不懸殊（此處二振幅相等）和光程差不能太大的相干充分條件，故二光束在探測(cè)器上相遇時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生干涉圖樣。則合成光矢量的振幅為弗乃2）冷叫嚴(yán)2.2合成光強(qiáng)為=2E爲(wèi)、制1l+cos2ncr（ztz2）對(duì)于各種波長(zhǎng)的復(fù)色光來(lái)說(shuō)其千涉圖強(qiáng)度為式中二zl-z2為光程差，R=rXr為反射率,T=tXt為透射率。由上式可知,當(dāng)4=0時(shí),吶-仏)/2二2R丁PE爲(wèi)0(2兀必)昴2.5通常將稱(chēng)為干涉圖，由光源光譜強(qiáng)度定義可知，2.

5、6故在略去不必要的常數(shù)情況下即可從上式的傅里葉變換得出干涉圖上式是干涉圖與光譜圖之間的變換關(guān)系式，也是干涉成像光譜技術(shù)的基礎(chǔ)理論和普遍公式。3、干涉成像光譜儀技術(shù)的發(fā)展早期的干涉型成像光譜儀大多是基于邁克耳遜干涉儀為原形發(fā)展起來(lái)的,這類(lèi)儀器中均有一套高精度的動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),故稱(chēng)為時(shí)間調(diào)制干涉成像光譜儀(TemporarilyModulatedlmaginglnterferometer)。在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)間調(diào)制干涉成像光譜儀暴露出兩大缺點(diǎn):一是動(dòng)鏡要求勻速,且對(duì)傾斜、晃動(dòng)要求嚴(yán)格;二是對(duì)干涉圖完成采樣需要?jiǎng)隅R運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，故不適合快速變化光譜測(cè)量。90年代以來(lái)，隨著面陣探測(cè)器的發(fā)展，國(guó)際上出現(xiàn)了空

6、間調(diào)制干涉成像光譜技術(shù)(SpatiallyModulatedlmaginglnterferometery,即SMII)或數(shù)字陣列掃描干涉光譜技術(shù)(DigitalArrayScannedImagingInterfer-ometey，即DASI)，其具有代表性的方案有兩類(lèi):一類(lèi)是基于變形的Sagnac干涉儀為分光元件;另一類(lèi)是以雙折射晶體為分光元件。圖2是Sagnac型成像光譜儀原理圖，前置光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)成像于博氏透鏡的前焦面,此處垂直紙面放置一狹縫,經(jīng)Sagnac干涉儀后形成二狹縫虛像,且位于傅氏透鏡前焦面上，通過(guò)傅氏透鏡后成為兩束有一夾角的平行光束,經(jīng)柱面鏡后在狹縫方向上匯聚,它的行垂直于狹縫

7、方向,每一行就得到狹縫上不同位置點(diǎn)的干涉圖。該儀器搭載在圖1Sagnac型成像光譜儀原理圖行器上,靠推掃獲得另一維空間信息。圖2圖3所示為雙折射晶體型成像光譜儀原理圖,它由前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、起偏鏡、Savartplate、檢偏器、傅氏透鏡、柱面鏡和探測(cè)器組成。前置光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)成像于入射狹縫上（即準(zhǔn)直鏡的前焦面）,后經(jīng)準(zhǔn)直鏡入射到起偏器上;起偏鏡的光軸方向與第一塊薩瓦板主平面成45度角,如圖4所示。這樣,沿起偏鏡偏振化方向振動(dòng)的線偏振光人射到薩瓦板上,將分解為二束光強(qiáng)度相等的尋常光（o光,垂直于主平面振動(dòng)）和非尋常光（e光，平行于主平面振動(dòng)），Savart偏光鏡是兩塊厚度為t（z方向）的負(fù)晶

8、或正晶組成,前塊主平面為紙平面（yz平面），后塊主平面垂直于紙平面（xz平面，二塊板主平面互相垂直。這樣在前塊板中e光到第二塊板中則變?yōu)閛光,反之亦然?？梢?jiàn),一束線偏振光射入Savartplate后，出射光將變?yōu)槎嗑酁閐的振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光,d為橫向剪切量。二束振動(dòng)方向垂直的線偏振光經(jīng)檢偏器后變?yōu)榕c檢偏器偏振化方向一致的二線偏振光，其光程差經(jīng)正透鏡和柱面鏡后在面陣探測(cè)器行方向得到干涉圖，探測(cè)器上每一行對(duì)應(yīng)于入射狹縫上不同的點(diǎn)，這樣便得到了沿狹縫長(zhǎng)度方向的空間分辨率。L拱測(cè)器撿藹器林更境圖3雙折射晶體型空間調(diào)制干涉成像光譜儀原理圖圖4偏振干涉光譜儀分光原理圖空間調(diào)制成像光譜儀體積小、

9、重量輕,性能穩(wěn)定、抗震動(dòng)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、波段寬,特別適合于航天航空領(lǐng)域。這項(xiàng)技術(shù)一出現(xiàn),即引起了美國(guó)、加拿大、日本、芬蘭等國(guó)家的高度重視。目前國(guó)際上具有代表性的方案主要有:美國(guó)佛羅里達(dá)工學(xué)院和夏威夷大學(xué)基于Sagnac干涉儀的空間調(diào)制干涉成像光譜儀。從近年來(lái)空間調(diào)制干涉成像光譜儀技術(shù)的發(fā)展來(lái)看,許多新原理、新方案、新技術(shù)正在得到實(shí)施和應(yīng)用,從而使成像光譜儀結(jié)構(gòu)更加趨于合理和簡(jiǎn)單,功能大為增強(qiáng),逐步向大視場(chǎng)、高通量、超高分辨率和成像方面發(fā)展。參考文獻(xiàn)BellRJ.IntroductoryFouriertransformspectroscopyM.Academ-ic,NewYork,1972:3

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