摘要:综述了成像光谱仪的发展过程以及空间调制干涉成像光谱仪技术的新原理、新技术、新发展。对干涉成像光谱技术的原理进行了论述,分析了Sagnac型和偏振型干涉成像光谱仪的分光机理和成像原理。提出了未来光谱仪技术的发展方向。
干涉成像光谱技术是当代可见光红外遥感器的前沿科学,在军事、民用方面有着极为广阔的应用前景。在军事方面,可进行红外光谱侦察,发现可见光所不能发现的军事目标,并能根据武器系统的特征发射或反射光谱来判断目标的属性(武器种类和型号)。例如隐藏在树林中的火炮、坦克,用井下发射架发射的火箭以及潜水艇等。在民用方面,它可用于天文物理、人气物理、地球科学研究[1、2]。进行地球资源(国土资源、矿物资源、海洋资源、森林植被)普查与考察;监视全球性污染(大气污染、海洋污染)与灾害(水涝灾害、大区域病虫害)[3、4];特别是90年代以来,对上层大气风场的测量取得了可喜的成果,利用对上层大气中自然形成的亚稳态原子氧O(′S)、O(′D)跃迁所形成的两条谱线,其波长分别为557nm(绿线)和630nm(红线)的探测,来确定上层大气风场的速度和温度。[5],为航天器的发射与运行和中长期天气预报提供了大量的图像和数据资料。
成像光谱技术从原理上讲分为色散型和干涉型两大类:色散型成像光谱仪是利用色散元件(光栅或棱镜等)将复色光色散分成序列谱线,然后再用探测器测量每一谱线元的强度。而干涉型成像光谱仪是同时测量所有谱线元的干涉强度,对干涉图进行逆傅里叶变换将得到目标的光谱图。
因色散型成像光谱仪中均含有人射狭缝,狭缝越窄,光谱分辨率越高,而进入系统的光通量就越少,即光谱分辨率和光通量成为色散型成像光谱仪中相互制约的一对矛盾。在干涉型成像光谱仪中同时测量的是所有谱元均有贡献的干涉强度,传统的干涉成像光谱仪中虽然也有狭缝(90年代后期发展的光谱仪中已去掉狭缝),但狭缝宽度不影响光谱分辨率,只决定于空间分辨率的要求。在满足空间分辨率的前提下,狭缝可以较宽,从而使狭缝面积和视场角较大。理论分析表明,在具有相同分辨率的条件下,干涉型成像光谱仪的通量较色散型成像光谱仪高200倍左右,即光能利用率高1~2个数量级。
对具有M个光谱元的光谱图,若其测量总时间为T,则对色散型光谱仪来说,每个谱元的测量时间必为T/M;对干涉型光谱仪来说,M个光谱元(光谱通道)可同时测量,即测量每个光谱元的时间均为T。由于复原光谱信噪比与测量时间的平方根成正比,故干涉成像光谱仪的信噪比是色散型的
倍[6]。
综上所述,干涉型成像光谱仪与色散型成像光谱仪比较,具有高通量、多通道和较大视场等优点。
早期的干涉型成像光谱仪大多是基于迈克耳逊干涉仪为原形发展起来的,这类仪器中均有一套高精度的动镜驱动系统,故称为时间调制干涉成像光谱仪(Temporarily Modulated Imaging Interferometer)。在实际应用中,时间调制干涉成像光谱仪暴露出两大缺点:一是动镜要求匀速,且对倾斜、晃动要求严格;二是对干涉图完成采样需要动镜运动一个周期,故不适合快速变化光谱测量。
90年代以来,随着面阵探测器的发展,国际上出现了空间调制干涉成像光谱技术( Spatially ModulatedImaging Interferometery,即SMII)或数字阵列扫描干涉光谱技术(Digital Array Scanned Imaging Interfer-ometey,即DASI),其具有代表性的方案有两类:一类是基于变形的Sagnac干涉仪为分光元件[7];另一类是以双折射晶体为分光元件[8]。图1是Sagnac型成像光谱仪原理图,前置光学系统将目标成像于博氏透镜的前焦面,此处垂直纸面放置一狭缝,经Sagnac干涉仪后形成二狭缝虚像,且位于傅氏透镜前焦面上,通过傅氏透镜后成为两束有一夹角的平行光束,经柱面镜后在狭缝方向上汇聚,它的行垂直于狭缝方向,每一行就得到狭缝上不同位置点的干涉图。该仪器搭载在飞行器上,靠推扫获得另一维空间信息。
图2所示为双折射晶体型成像光谱仪原理图,它由前置光学系统、狭缝、起偏镜、Savartplate、检偏器、傅氏透镜、柱面镜和探测器组成。前置光学系统将目标成像于入射狭缝上(即准直镜的前焦面),后经准直镜入射到起偏器上;起偏镜的光轴方向与第一块萨瓦板主平面成45°角,如图3所示。这样,沿起偏镜偏振化方向振动的线偏振光人射到萨瓦板上,将分解为二束光强度相等的寻常光。(o光,垂直于主平面振动)和非寻常光(e光,平行于主平面振动),Savart偏光镜是两块厚度为t(z方向)的负晶或正晶组成,前块主平面为纸平面(yz平面),后块主平面垂直于纸平面(xz平面〕,二块板主平面互相垂直。这样在前块板中e光到第二块板中则变为o光,反之亦然。可见,一束线偏振光射入Savart plate后,出射光将变为二束相距为d的振动方向相互垂直的线偏振光,d为横向剪切量。二束振动方向垂直的线偏振光经检偏器后变为与检偏器偏振化方向一致的二线偏振光,其光程差siNI]9;i为入射角;ω为入射面与第一块Savart板主平面间的夹角。经正透镜和柱面镜后在面阵探测器行方向得到干涉图,探测器上每一行对应于入射狭缝上不同的点,这样便得到了沿狭缝长度方向的空间分辨率。
不管是Sagnac型成像光谱仪还是双折射晶体型成像光谱仪,不同点就是一个以变型的Sagnac干涉仪分光,而另一个是以双折射晶体分光。二者的作用是相同的,就是把一束光分成两束进行横向剪切(或角剪切),然后使二束相干光在探测器平面上相遇形成干涉条纹,干涉图与光谱图之间的变换关系为
式中I(x)为双光束干涉强度分布;x为双光束之间的光程差;B(σ)为光源光谱强度分布;σ为波数,单位为cm-1;用实函数表示则为[10]
空间调制成像光谱仪体积小、重量轻,性能稳定、抗震动能力强、实时性好、波段宽,特别适合于航天航空领域。这项技术一出现,即引起了美国、加拿大、日本、芬兰等国家的高度重视。目前国际上具有代表性的方案主要有:美国佛罗里达工学院和夏威夷大学基于Sagnac干涉仪的空间调制干涉成像光谱仪[8~11];美国华盛顿大学基于双折射元件研制的数字阵列扫描干涉仪[6]。英国圣安德鲁斯大学基于Wollaston棱镜的空间调制成像光谱仪[12、13];日本大阪大学基于Sa-vat plate的多通道红外空间调制成像光谱仪[14];西安光机所基于变形的Sarmac型干涉成像光谱仪研制出大孔径静态干涉成像光谱仪[15]。
从近年来空间调制干涉成像光谱仪技术的发展来看,许多新原理、新方案、新技术正在得到实施和应用,从而使成像光谱仪结构更加趋于合理和简单,功能大为增强,逐步向大视场、高通量、超高分辨率和成像方面发展。
新原理新方案和原有方案比较,创新之处在于以下两点:一是去掉了分束器(Sagnac干涉仪或双折射晶体)前的前置光学系统和狭缝,使扩展面光源发出的光直接射在分束器上;二是以成像镜代替分束镜后的傅氏透镜和柱面镜。
图4(a)、图4(b)是我所最新研制的大孔径静态干涉成像光谱仪(LA-SIS)原理图和用白光采集的干涉图像。其特点是结构简单、高稳态、大视场、高通量。利用它已获得了单色光和白光理想的干涉图和光谱图,并获得了满意的目标彩色图像(成像)。
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作者简介:张淳民(1956-),男,陕西人,西安交通大学副教授,博士,从事成像光谱技术研究。
