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(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(yàn)系統(tǒng)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

引言 用于涉技術(shù)獲得精細(xì)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(tǒng)光 柵光譜儀的(N／2)“ 倍(N 為光譜通道數(shù))。電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)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(yùn)動(dòng)器件掃描所帶來(lái)的精度及機(jī)械磨損問(wèn)題， 但它的調(diào)制分光方式?jīng)Q定了它無(wú)法充分利用 傅里葉光譜儀應(yīng)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(jù)實(shí)驗(yàn)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(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(tǒng)主要由前置光學(xué)系統(tǒng)、像面干涉儀和面陣 探測(cè)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(guò)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(chǎng)角為 ，被剪切開的兩束相干光之間 的橫向距離為 ，則它們?cè)跁?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)，上式可寫為 z5(O)一／sin( )≈ lx／f3 (2) 式中z為干涉點(diǎn)的橫向坐標(biāo)(探測(cè)器平面為 xy面)；廠。為會(huì)聚鏡的焦距。在理想情況下，干 涉儀對(duì)任意視場(chǎng)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(diǎn)的光譜分布為B( )，則在像面得 到的干涉強(qiáng)度分布為 + I(zS)一2 l B( )COS(2rrvA)dv (5) J 對(duì)干涉圖進(jìn)行傅里葉變換即可得到物點(diǎn) 目標(biāo)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(biāo)光線自相 關(guān)調(diào)制，因此光學(xué)系統(tǒng)及面陣探測(cè)器固定后， 自相關(guān)調(diào)制也是穩(wěn)定的。同時(shí)面陣探測(cè)器件與 目標(biāo)區(qū)域成像關(guān)系是一個(gè)面陣單元對(duì)應(yīng)目標(biāo) 空間的一塊區(qū)域。由于干涉作用，探測(cè)器單元 接受的不是通常意義下的像點(diǎn)強(qiáng)度，而是自相 關(guān)函數(shù)的強(qiáng)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(jí)像差。 真正的靜止型傅里葉光譜儀不應(yīng)當(dāng)有光 機(jī)掃描系統(tǒng)，系統(tǒng)的推掃由飛機(jī)或衛(wèi)星來(lái)帶動(dòng) 完成。由于受到客觀條件的限制，只能做地面 實(shí)驗(yàn)，因此在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中物鏡的前面設(shè)計(jì)了掃 描鏡，模擬實(shí)際的推掃過(guò)程。另外，探測(cè)器應(yīng)采 用面陣探測(cè)器。但由于紅外焦平面探測(cè)器很難 獲得，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用線陣探測(cè)器，為了成像， 將線陣探測(cè)器在系統(tǒng)像平面處進(jìn)行掃描，掃描 都采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。
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(guò)SCSI卡將數(shù)據(jù)傳送到微機(jī)。 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由微機(jī)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(jìn)行。實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。 表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) Table．1 Technical specification of the experiment system 波長(zhǎng)范圍 1．5— 2．5 m 成像方式 掃描成像 探測(cè)器 InGaAs線陣成像探測(cè)器 光譜分辨率 92cm (可調(diào)節(jié)) 光譜波段數(shù) 128 瞬時(shí)視場(chǎng)角(IFOV) 0．4mrad 總視場(chǎng)角 102．4mrad 數(shù)據(jù)量化 12bit

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成 根據(jù)前述基本原理，研制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要 由光學(xué)系統(tǒng)、光機(jī)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(biāo)的標(biāo)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(zhǔn)直鏡、干涉儀、會(huì) 樣和雙邊采樣兩種方式。在實(shí)驗(yàn)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(jì)中，采 像面干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)本身是對(duì)稱的，自相關(guān) 用了典型的三片型物鏡和準(zhǔn)直鏡，以便獲得更 函數(shù)在零光程差的兩側(cè)成對(duì)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(zhǎng)； d為M1的對(duì)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(dāng)d一 時(shí)得到最大空間頻 率。探測(cè)器件的空間頻率 > 2 。 時(shí)滿足采 樣定理的要求。干涉條紋的采樣是通過(guò)對(duì)目標(biāo) 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(bǔ)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 中d的大小是可以調(diào)節(jié)的，因此實(shí)驗(yàn)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(biāo)的0點(diǎn)對(duì)應(yīng) 于d一0，N／Z點(diǎn)對(duì)應(yīng)于d— d 點(diǎn)，N／2一N 點(diǎn)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(gè)方面組成。
4．1 數(shù)據(jù)重組 要進(jìn)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(jī)制 采集到的數(shù)據(jù)在進(jìn)行傅里葉變換之前需要進(jìn) 行數(shù)據(jù)的重組才能得到與某目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的 自相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)。 · 進(jìn)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(jī)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(wú)用的數(shù)據(jù)。假設(shè)所用面陣探測(cè)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(wú)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(shí)驗(yàn)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(shí)域的乘 積相當(dāng)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(jìn)行切趾處理來(lái)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(shí) 際的計(jì)算中切趾函數(shù)的主瓣寬度越窄，對(duì)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(huì)變寬對(duì)系統(tǒng)分辨率 的影響也就越大。因此對(duì)于旁瓣的抑制是以損 失系統(tǒng)的分辨率為代價(jià)的。我們針對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 中采用了針對(duì)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(yùn)算導(dǎo)致的運(yùn)算效率低 的缺點(diǎn)。運(yùn)算點(diǎn)數(shù)越多，該算法優(yōu)越性越大。實(shí) 際應(yīng)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(yùn)行效率。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
5．1 光譜數(shù)據(jù)反演實(shí)驗(yàn) 在實(shí)驗(yàn)室中采用單色光源作為目標(biāo)來(lái)驗(yàn) 證實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為2．3gm 時(shí)得到以 下結(jié)果。 圖2是系統(tǒng)以單色儀狹縫為目標(biāo)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(guò) 反演后得到的光譜數(shù)據(jù)曲線，反演過(guò)程中采用 了Trigular函數(shù)進(jìn)行切趾處理。根據(jù)采樣理論 和傅里葉變換的性質(zhì)對(duì)光譜坐標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的 標(biāo)定�？梢钥闯�，根據(jù)光譜坐標(biāo)得到的單色光 的波數(shù)與實(shí)際的單色光的波數(shù)基本一致。白光 的光譜寬度與探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍基本一 致，光譜峰值出現(xiàn)在探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng) 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(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(shí)驗(yàn) 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(shí) 驗(yàn)?zāi)繕?biāo)板進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。 首先實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的掃描鏡不動(dòng)，器件運(yùn)動(dòng)對(duì) 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)板進(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)板一幀自相關(guān)函數(shù)圖像

6 結(jié)束語(yǔ) 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)干涉狀態(tài) 良好，分譜效果明顯，同時(shí)光譜信號(hào)的信噪比 較高。除了器件光譜響應(yīng)的影響外，信噪比不 會(huì)因?yàn)楣庾V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(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(jī)相 比，對(duì)解決傳統(tǒng)成像光譜儀的低光學(xué)輸出量問(wèn) 題提供了新的思路，相信隨著探測(cè)器技術(shù)的發(fā) 展，該類儀器將成為對(duì)地觀測(cè)的強(qiáng)有力的工 具。