摘 要:空间外差光谱技术是一种新型的可实现超分辨的光谱技术,它综合光栅和FTS技术于一体。对空间外差光谱技术与传统的傅里叶变换光谱技术(FTS)进行比较研究,介绍了两种光谱技术的光学原理,围绕着仪器的光谱分辨率和光谱范围进行比较分析,给出了一组系统设计参数的比较例子。分析结果表明,空间外差光谱技术可以充分利用探测器的空间频率,在一窄带光谱范围内,获得超高的光谱分辨率。
0 引 言
傅里叶变换光谱技术(FTS)具有高通量、多通道等优点,它解决了色散型光谱仪对弱信号光谱探测的困难。在高精度、高光谱分辨率、高灵敏度的航天遥感和大气观测等应用中,傅里叶变换光谱技术发挥了重要的作用。
空间外差光谱技术(Spatial Heterodyne Spec-troscopy—SHS)是一种新型的空间调制干涉光谱技术,它是傅里叶变换光谱技术的一种发展,能在原有傅里叶变换光谱技术的基础上大大提高光谱分辨能力。空间外差光谱技术的主要特点体现在无动镜、超分辨、大通量、大视场和小的尺寸重量等。正是由于空间外差光谱技术具有这种独特的优势,美国、加拿大等国非常重视该技术的研究发展,并应用于大气遥感、天文观测等领域[1—6]。美国的第一代中层大气羟基空间外差光谱成像仪SHIMMER[7](Spatial Heterodyne IMager for Mesospheric Radi-cals)已于2002年8月进行了航天飞机试验,第二代系统于2007年3月搭载空间试验计划卫星(STP-Sat-1)升空[8],此外,第二代系统还计划搭载中层大气水物理卫星(AIM)进行空间试验[8]。加拿大发展的大气层水汽空间外差观测系统SHOW[9](SpatialHeterodyne Observations of Water)也于2006年4月完成样机。在国内,中国科学院安徽光机所于2005年开始进行空间外差光谱技术研究,并研制了原理试验装置[10—13]。
本文对空间外差光谱仪与空间调制型傅里叶变换光谱仪进行分析比较,从原理上比较分析二者的异同点。
1 空间调制型傅里叶变换光谱仪
傅里叶变换光谱仪分为时间调制型傅里叶变换光谱仪和空间调制型傅里叶变换光谱仪。与时间调制型干涉光谱仪相比,空间调制型干涉光谱仪最突出的优点是不需要扫描动镜,提高了仪器的可靠性。空间调制型傅里叶变换光谱技术中最具代表性的方案之一是Sagnac型傅里叶变换光谱仪[14]。
图1是Sagnac型傅里叶变换光谱仪的原理图,主要由前置光学系统、Sagnac干涉仪、傅里叶变换透镜、线阵探测器及信号采集处理系统组成。前置光学系统将待测光源成像于傅里叶变换透镜的前焦面,它经过Sagnac干涉仪后形成两个横向剪切的光源虚像。这两个虚像通过傅里叶透镜后成为两束有一定夹角的平行光束,线阵探测器置于傅里叶变换透镜的后焦面上测量两等效光源的干涉图样。对测得的干涉图进行傅里叶逆变换便可得到光源光谱信息。
空间调制型傅里叶变换光谱仪所得到的干涉图是
2 空间外差光谱仪
空间外差光谱仪的光学原理如图2所示,两个图2 空间外差光谱仪结构原理图衍射光栅代替了传统迈克尔逊干涉仪中的两个平面反射镜。光束经透镜L1准直后入射到分束器上,分束器将入射光分为强度相等的两束相干光:一束经分束器反射后入射到光栅G1上,并经光栅G1衍射后返回分束器;另一束透过分束器入射到光栅G2上,经光栅G2衍射后反射回到分束器上。两束出射光发生干涉形成定域干涉条纹,成像于探测器上,通过对探测器采集的干涉图进行傅里叶变换即可恢复待测光谱曲线。
空间外差光谱仪中,光栅固定,与光轴正交面成Littrow角(θ)倾斜放置。轴向光以θ角入射到光栅上,某一波数的光将以θ角原方向衍射回来,此波长称为Littrow波数。Littrow波数的光经光栅衍射后的两出射波面都与光轴垂直,位相差为零,干涉条纹空间频率为零。非Littrow波数的光经光栅衍射返回,传播方向与光轴有一小的夹角±γ。某一单色的非Littrow波数的两波面将有一夹角2γ,中心的光程差为零,两端的光程差最大。不同频率的光从光栅出射时的波面与光轴的夹角γ由光栅方程决定
式中σ为入射光的波数;m为衍射级(通常取m =1),1/d为光栅的刻线密度。任意波数σ的光束与Littrow波数σ0的光束出射角相差角度γ,两光栅出射光波面相差角度为2γ,故波数为σ的两束光干涉空间频率为
通过对干涉图I(x)进行傅里叶变换就可以恢复入射光的光谱B(σ)。由(7)式所获得的光谱是(σ-σ0)的一个函数B(σ-σ0),确切的说,干涉图经傅里叶变换恢复的光谱应该为σ0±Δσ,其中Δσ为光谱范围。
空间外差光谱仪的分辨能力取决于两干涉光束的光程差,由图2可以计算得到干涉图采样的最大光程差为ΔU=2Wsinθ(W为光栅宽度),由采样定理,空间外差光谱仪的光谱分辨极限为
3 比较研究
空间外差光谱技术是傅里叶变换光谱技术的一种新发展,二者最大的区别在于干涉条纹调制频率函数的不同,以使得它们的特性存在差别。下面我们将从两种光谱仪干涉条纹的空间频率出发对它们的特点进行分析。
设干涉条纹的空间频率为fx。对于傅里叶变换光谱仪,干涉条纹的空间频率等于波数
上式表明,傅里叶变换光谱仪产生的干涉条纹空间频率正比于波数,波数为零的光产生零空间频率的干涉条纹(实际上不存在零波数的光,仅从数学方程式的角度分析),因此傅里叶变换光谱仪的实际工作光谱范围总是从零波数开始的,即0→Δσ。
对于空间外差光谱技术,干涉条纹的空间频率为
上式表明,空间外差光谱仪产生的干涉条纹空间频率为入射光波数、光栅Littrow波数及光栅Littrow角的联合函数,入射光波数等于光栅Littrow波数时所产生干涉条纹为零空间频率,因此空间外差光谱仪的实际工作光谱范围总是从光栅Littrow波数开始的,为σ0到σ0+Δσ(或σ0-Δσ)。
干涉光谱仪中干涉条纹的采样是离散且有限的,因此在干涉条纹采样数确定的情况下,光谱分辨率和光谱范围是相互制约的,提高光谱分辨率必然减小光谱范围,增加光谱范围则会降低光谱分辨率。空间外差光谱仪与空间调制型傅里叶变换光谱仪的干涉条纹采样都是通过阵列(线阵/面阵)探测器采样获取的,而探测器的空间频率(像元数)总是有限的。傅里叶变换光谱仪产生的干涉条纹空间频率正比于波数,零波数形成零空间频率条纹,实际工作光谱范围总是从零波数开始(0→Δσ)。然而在实际的应用中,零波数附近的光谱可能是我们不需要的,因此我们浪费了探测器的许多像元。如果要在短波处(可见、紫外波段)提高光谱分辨率,以现有的探测器水平是很难实现的。
空间外差光谱仪产生的干涉条纹空间频率则取决于入射光频率与光栅参数,其光谱范围为σ0+Δσ(或σ0-Δσ),如果我们选择一个适当的光栅参数(σ0),并选择一个窄的光谱范围,则可以在同样探测器水平的情况下获得超高的光谱分辨率。其根本原因在于空间外差光谱仪充分利用了探测器的空间频率。
我们可以通过一组系统设计实例对二者进行比较,采用两种光谱技术设计同一光谱范围(选择一窄带光谱范围)的光谱仪,使用同样面阵大小的探测器(设面阵大小为1024×1024),傅里叶变换光谱仪与空间外差光谱仪的光谱分辨率计算结果如表1所示,从表中我们可以看到空间外差光谱仪的光谱分辨率可以提高1~2个数量级。
以上分析我们可以得到这样一个结论:传统的傅里叶变换光谱技术产生零空间频率干涉条纹的光频率始终为零(不可选),其傅里叶变换的光谱范围始终从零开始,浪费了探测器的空间频率;而空间外差光谱技术产生零空间频率干涉条纹的光频率为光栅的Littrow波数(可选),其傅里叶变换的光谱范围起始点为Littrow波数,那么选择合理的系统参数Littrow波数就可以充分地利用探测器的空间频率,实现超分辨光谱探测。
4 结 论
通过对空间外差光谱技术与傅里叶变换光谱技术的比较研究,可以发现空间外差光谱技术的优势所在,它可以在一个窄的光谱范围内得到超高的光谱分辨率。空间外差光谱技术犹如光谱学中的显微镜,能获得精细的光谱信息,更真实的识别物质的光谱本征信息。随着空间外差光谱技术及光学加工、探测器等相关技术的快速发展,空间外差光谱技术必然会得到更广泛的应用,与传统的光谱技术共同推动光谱学的发展。
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收稿日期:2008-01-14 E-mail:totoye@126.com
作者简介:叶焕玲(1975-),女,广东白云学院教师,硕士,从事智能控制、光电技术研究。
