（光学工程专业论文）成像光谱仪分光技术研究.pdf

摘要 摘要 本文重点研究成像光谱仪的分光技术及应用，主要内容包括： 第一章对成像光谱技术采用的分光技术进行了分类归纳，介绍国内外成像光 谱技术的发展概况。对目前国际上应用的比较广泛的色散型成像光谱仪和干涉型 成像光谱仪所采用的分光技术进行了详细的介绍，并介绍了相关的应用实例，最 后从技术发展的角度，介绍了分光技术影响下的成像光谱技术下一步发展的几个 新趋势。 第二章阐述了干涉成像光谱技术的基本理论，对干涉原理、仪器函数、分辨 率、切趾、采样理论等方面进行了详细介绍，并总结了干涉成像光谱仪的主要优 点。 第三章阐述了采用几种新型转镜式结构的时间调制干涉成像光谱仪的各自 特点和实例，提出了一种基于g n f i i t h 转镜式干涉成像光谱仪的改进型高速干涉 成像光谱仪的技术方案，分析计算了这种干涉成像光谱仪的光程差，给出了光程 差与几种影响光程差的因素关系图。 第四章阐述了几种空间调制干涉成像光谱仪的分光原理，分别介绍了采用角 剪切分柬器和横向剪切分束器空间调制干涉成像光谱仪的技术原理及优缺点。在 分析横向剪切分束器的优点的后，提出了一种新型的横向剪切分束器，论述分析 了该分束器结构的分光原理，并对其应用到干涉光谱仪中的效果进行了分析计 算。该分柬器具有体积小、剪切量大、光能利用率高等优点。 本文的创新点是： l 、提出了基于g n m t h s 的改进型高速转镜式成像光谱技术，并予以分析。 2 、提出了新型的横向剪切分束器，及基于该分束器的成像光谱仪。 关键词：成像光谱技术，色散，干涉，转镜，横向剪切分束器 成像光潜仪分光技术研究 a b s t r a c t t h eb e a ms p l i t t i n gt e c h n o l o g i e so fi m a g i n gs p e c t r o s c o p ya n dt h e i ra p p l i c a t i o n a l es t u d i e di nt h i st h e s i s , i n c l u d i n g ： i t h eb e a ms p l i t t i n gt e c h n o l o g i e so fi m a g i n gs p e c t r o m e t e r sa l ec l a s s i f i e d t h ed e v e l o p m e n t so fi m a g i n gs p e c t r o m e t e r sa r ei n t r o d u c e d t h eb e a ms p l i t t i n g t e c h n o l o g i e sw h i c ha r ew i d e l ya p p l i e di n t od i s p e r s i v ei m a g i n gs p e c t r o m e t r ya n d f o u r i e rt r a n s f o r mn n a g i n gs p e c t r o m e t r ya r ee l a b o r a t e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o n sa l e i n t r o d u c e d t h ed e v e l o p i n gt r e n d so ft h ei m a g i n gs p e c t r o m e t e r sa r ea n a l y z e df r o m t h ev i e wo f n e wt e c h n o l o g i e s 2 t h eb a s i cp r i n c i p l e so ff o u r i e r - t r a n s f o r mi m a g i n gs p e c t r o m e t r ya r e i n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l eo fi n t e r f e r e n c e ，i n s t r u m e n t a ll i n e s h a p ef u n c t i o n , r e s o l u t i o n , a p o d i z a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fs a m p l i n ga l ee l a b o r a t e d t h em a i n m e r i t so f f o u r i e ri m a g i n gs p e c t r o m e t e r sa r ec o n c l u d e d 3 t h e m e r i t sa n d a p p l i c a t i o n s o fs e v e r a l t e m p o r a r i l y m o d u l a t e d f o u r i e r - t r a n s f o r mi m a g i n gs p e c t r o m e t e r s ，w h i c hu s er o t a r ym i l r o r s ，a r ei n t r o d u c e d an e wk i n do fu l t r a - r a p i d - s c a n n i n gi m a g i n gs p e c t r o m e t e rb a s e d0 1 1g r i f f i t h s i s p r o v i d e d t h ed e r i v a t i o no f i t so p t i c a lp a t hd i f f e r e n c ei se l a b o r a t e d , a n dt h eu l t i m a t e f o r m u l ai sg i v e n t h ef o r m u l ao ft h eo p t i c a lp a t hd i f f e r e n c ei sr e c a l c u l a t e db y s e t t i n gs e v e r a l r e l a t e dp a r a m e t e r s t h es c h e m a t i cd i a g r a m so ft h ec u r v e so fo p t i c a l p a t hd i f f e r e n c ea r ep r e s e n t e d t h ec o n t r i b u t i o n so f t h ep a r a m e t e r si sc o m p a r e da n d d i s c u s s e d 4 t h e p r i n c i p l e s o f s p a t i a l l y m o d u l a t e df o u r i e r - t r a n s f o r m i m a g i n g s p e c t r o m e t e r sa r ei n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l eo ft h ea n g u l a rs h e a r i n gb e a m - s p l i t t e r a n dl a t e r a ls h e a r i n gb e a m - s p l i t t e ra r ep r o v i d e d a n dt h em e r i t sa n dd e m e r i t so f t h e m a r ea l s oi n t r o d u c e d an e wl a t e r a ls h e a r i n gb e a m s p l i t t e ri sp r o v i d e da n dt h e p r i n c i p l eo fi t ss t r u c t u r ei se l a b o r a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t so fi t sa p p l i c a t i o n i nf t sh a v eb e e nd i s c u s s e d w h e nt h es t r u c t u r e so fb e a m s p l i t t e r sa r ei nt h e 鲫t r l e s i z e ，i tc a ng e n e r a t et e nm o r et i m e so ft h es p a c i n gg e n e r a t e db yo t h e rb e a m s p l i t t e r s 摘要 i tc a l lm a k e h i g hu s eo f e n e r g ya n da l s og a l lb ee a s i l yr e a l i z e d t h em a i ni n n o v a t i o n si nt h i st h e s i sa r e ： 1 an e wk i n do fu l t r a - r a p i d - s c a n n i n gi m a g i n g s p e c t r o m e t e rb a s e do ng r i f f i t h s i sp r e s e n t e da n da n a l y z e d 2 an e wk i n do fl a t e r a ls h e a r i n gb e a m s p l i t t e ra n da ni m a g i n gs p e c t r o m e t e r b a s e do ni ta r ei n t r o d u e e d k e yw o r d s ：s p e c t r a li m a g i n g , d i s p e r s i v e ，i n t e r f e r e n c e ，r o t a r ym i r r o r , l a t e r a l s h e a r i n gb e a m s p l i t t e r 科研道德声明 秉承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所引用的内容都已给予 了明确的注释和致谢。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：墨：塑盈e t 期 知识产权声明 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定， 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 蔓：豇煎导师签名趁 日期：趔：f 墨 日期：型：坐 第一牵引言 第一章引言 成像光谱技术( i m a g i n gs p e c t r o m e t r y ) 就是一类将成像技术和光谱技术相结 合的新型多维信息获取技术，它能够得到被探测目标的空间信息和光谱信息。通 常使用的成像光谱仪主要探测目标的两维空间与一维光谱信息，形成数据立方体 ( d a t a c u b e ) 。与几何成像仪相比，由于成像光谱仪在获得目标形影图像的同时， 还能够得到空问可分辨单元的光谱特征，因此，成像光谱仪获得的信息量很大。 成像光谱技术是于二十世纪八十年代初在多光谱遥感成像技术的基础上发 展起来的，由于其卓越的信息获取能力，二十多年来得到了飞速的发展，在航天 航空遥感、工业、农业、生物医药、物质分析与分类、宇宙与天文探测、环境与 灾害监测、大气探测以及军事应用等领域得到了十分广泛的应用，成为光学探测 技术的又一个强有力的手段。 目前为止，成像光谱技术已发展了许多种类： 一从光谱分辨率看，成像光谱技术可分为多光谱( m u l t i s p c c t r a l ，几个或几十个 谱段) 、高光谱( h y p e r s p e c t r a l ，1 0 0 至几百个谱段) 、超光谱( u l t r a s p c c t r a l ， 上千个或几千个谱段) 三类； - 从扫描方式看，成像光谱技术可分为挥扫式( w h i s k b r o o m ) 、推扫式 ( p u s h b r o o m ) 两类； - 从分光原理看，成像光谱技术可分为棱镜色散( p r i s m ) 、光栅衍射( g r a t i n g ) 、 滤光片( f i l t e r ) 和干涉( i n t e r f e r o m e t e r ) 四类； 一从重构理论看，成像光谱技术可分为直接、傅里叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ) 、 层析( c o m p u t e d t o m o g r a p h y ) 三类； - 从调制方式看，成像光谱技术可分为空间调制( s p a t i a l l ym o d u l a t e d ) 、时间 调制( t e m p o r a r ym o d u l a t e d ) 、联合调制三类。 光谱仪采用的分光技术直接影响着整个成像光谱仪的性能、结构的复杂程 度、重量和体积。目前研究与应用最为广泛的成像光谱仪主要是色散型和干涉型 两大类，本章将从分光原理出发，讨论这两种分光原理的成像光谱仪的工作方式 及国内外发展概况 成像光谱仪分光技术研究 1 1 色散型成像光谱技术及发展概况 色散型成像光谱技术的分光元件经历了从色散棱镜到衍射光栅的演化，采用 棱镜和光栅色散型成像光谱仪技术已经成熟，广泛的应用与航空和航天成像光谱 仪领域。近年来又发展出以二元光学元件及声光可调谐滤光片( a c o u s t o o p t i c t u n a b l ef i b e r , a o t f ) 为色散元件的新型分光元件。 1 1 1 采用色散棱镜的分光技术 图1 1 是色散棱镜在成像光谱仪中的典型应用方式，入射狭缝位于准直系 统的前焦面上，入射光经准直系统准直后，经棱镜由成像系统将狭缝按波长成像 在焦平面上探测器上。 葳避一 图1 1 棱镜的典型应用方法 1 1 2 采用衍射光栅的分光技术 衍射光栅的经典应用方法与色散棱镜是一样的都是位于准直光路中f ”。如 图1 2 所示，入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射光经准直系统准直后，经 光栅由成像系统将狭缝按波长成像在焦平面上探测器上。 2 掾稠嚣 图1 2 光栅的典型应用方法 衍射光栅的另外一种用法是将其置于发散光束中甜，如图1 3 所示，从狭缝 第一章引言 入射的光不需要准直系统直接入射到平面闪耀光栅上，经光栅衍射后可得到目标 狭缝的光谱虚像，成像系统将狭缝按波长成像在面阵探测器的不同位置。这种成 像技术被应用到o r b v i e w - 4 卫星的战术遥感器的概念设计中3 1 。 d i f f r a c t i o n g r a t i n g 图1 3 发散光束中使用光栅的分光技术 目前国际上成熟的机载和航空航天搭载的色散型成像光谱仪都是基于衍射 光栅的。美国加州理工学院的喷气推进实验室j p l 研制了采用线阵探测器加光机 扫描的挥扫式( w h i s k b r o o m ) 成像光谱仪a v i r i s 4 ，具有2 2 4 谱段，3 0 。视场角， 于1 9 8 7 年安装在e r 2 飞机上首先飞行，获得了很大成功，这种仪器至今仍在被 广泛使用。机载成像光谱技术已发展到商业运行阶段【5 】，国际上具有代表性的产 品有美国的a v i r i s 、加拿大的c a s i 、芬兰的a i s a 等。 世界上第一颗载有成像光谱仪的卫星n a s a t r wl e w i s 是在1 9 9 7 年8 月发 射的，星上装有两台成像光谱仪h i s 和l e i s a ，分别是采用光栅和楔形滤光片 分光。h i s 由美国t r w 公司研制，在0 4 p m - - 2 5 p x a 光谱范围内工作，3 8 4 通道， 还设置了地面分辨率为5 m 的全色黑白( p a n ) c c d 通道。l e w i s 卫星发射后未 进入预定轨道就已失败，也未能验证成像光谱仪的性能旧。 美国n a s a 为开展地学研究而研制中分辨率成像光谱辐射计m o d i s 1 7 。该 仪器由两部分组成：m o d i s t 和m o d i s o n 。其中m o d i s - t 是一台成像光谱仪， 光谱范围o 4 岬1 0 4 i _ t m ，6 4 谱段，光谱分辨率为1 0 n m ，能够使遥感器在沿轨 道方向：t 2 0 。对准，扫描范围1 5 0 0 k m ，天底位置的分辨率l k m 。m o d i s 能够两天 覆盖全球，同时具有充分的能力开展海洋、陆地和大气的研究活动。 另一个中分辨率成像光谱仪是欧洲空间局e s a 研制的m e r i s l8 1 ，该仪器的 光谱范围是o 3 9 p a n 1 0 4 b t m ，光谱位置和分辨率可编程，下传数据率并不高， 成像光谱仪分光技术研究 但光谱分辨达到5 7 6 通道，最高光谱分辨率1 s r t m ，光谱位置精度l n m ，信噪比 高达1 5 0 0 ，采用了5 台1 4 。视场成像光谱仪拼接，地面刈幅宽度达到2 3 0 k i n ( 6 8 5 0 ) ，地面像元分辨率3 0 0 m ，3 天可实现全球覆盖。原理如图1 4 所示。m e r j s 的搭载平台是e n v i s a t - 1 ，其主要应用目的是探测海岸和海洋水色、浮游生物、 气溶胶、海洋异常区域和c 0 2 循环情况，以及探测鱼群。 图1 4 m e r _ i s 原理图 高分辨率成像光谱仪h r i s n 是为欧空局的e n v i s a t 设计的，由德国d a s a 负责研制。主要目的是配合全球观测系统中m e r i s 和m o d i s 等中分辨率仪器， 以高的地面分辨率精细采样，重点研究那些对全球有重要影响的地表过程：能量 和水流通量、碳循环、气流对流踪迹，植被覆盖、土地利用、岩矿分布等。 欧空局将空间成像任务过程研究成像光谱仪p r i s m t l o l 置于其“探测者”卫星 计划的首批任务。它的任务是研究陆地生态系统的物理化学过程、地气系统内 的能量、水通量作用等。 美国于2 0 0 0 年1 1 月发射了地球观测卫星l 号( e 0 1 ) ，搭载的高成像光谱 仪h y p e r i o n 1 采用了光栅分光技术，推扫工作方式，具有7 5 k m 刈幅宽度，3 0 米空间分辨率，光谱范围覆盖0 4 t t m 至2 5 t t m ，谱段数2 2 0 。 4 图1 5e o 1 高成像光谱仪 第一章0 l 者 军事应用方面，美国计划在海军地球测绘观测者( n e m o ) 卫星上搭载一台 高性能成像光谱仪c o i s 【l2 】( c o a s t a lo c e a ni m a g i n gs p e c t r o m e t e r ) ，用于环境监测。 重点用于海岸带海水监测、农业遥感、资源调查和灾害评估等。c o i s 采用了像 移补偿棱镜，可以实现较高空间分辨率，地面分辨率为3 0 m ( 补偿方式) 6 0 m ( 非补偿) ，刈幅宽度3 0 k m ，光谱范围o 4 f u n - - 2 5 f t m ，具有2 1 0 通道，光谱分 辨率1 0 r i m ，该仪器还设计了5 m 分辨率全色相机。 另一个高分辨率成像光谱仪安排在美国集成空间技术演示计划i s t d 中，那 是计划搭载在o r b v i e w - 4 上的高分辨率成像光谱仪“作战者1 ， ( w a r t i g h t e r - 1 1 【1 3 】， 它在4 7 0 k m 太阳同步轨道，刈幅宽度3 0 k i n ，地面像元分辨率达到8 m ，光谱范 围o 4 5 “r n - 2 5 1 a n ，2 0 0 个通道，光谱分辨率l o n m 。w a r f i g h t e r - 1 的空间分辨率 是目前所有成像光谱仪中最高的，其主要使用目的是为军事服务的，对于民用， 只提供空间分辨率降低为2 0 米的图像。 在空间探测领域，美国于1 9 9 7 年发射向土星的探测器上搭载了一台可见光 至红外测绘光谱仪v i m s 【l ”，光谱范围为o 3 f t m 5 1 9 m ，具有3 5 2 个通道。 国内开展色散型成像光谱技术研究的单位主要是中科院上海技术物理所、中 科院长春光机所、航科集团5 0 8 所等单位。以上海技物所研制的机载模块化成像 光谱仪o m i s 、推扫式成像光谱仪p h i 、9 2 1 星载中分辨率成像光谱仪为主要代 表。 上海技物所研制的机载模块化成像光谱仪o m i s 的光谱范围是o 4 岫 1 2 5 p m ，共1 2 8 通道，其中o 4 p l n 1 1 p , m 有6 4 通道，1 1 l a n , - - 2 o p m 有1 6 通 道，2 0 p m - - 2 5 舯有3 2 通道，3 0 m 5 0 肛m 有8 通道，8 0 岬1 2 5 j u n 有8 通 道；采用了挥扫工作模式，可视视场8 0 0 ，瞬时视场角3 m r a d 。 1 1 3 采用二元光学元件的分光技术 美国光量子中心罗姆实验室的d e n i s el g o n s 提出了一种利用二元光学元件 的成像光谱仪。在这种光谱仪中，二元光学元件既是成像元件也是色散元件，利 用单色面阵c c d 探测器沿光轴方向对所需波段成像范围进行扫描，每一位置对 应相应波长的成像区 成像光谱仪分光技术研究 lt“dia 净 d l s p e 跚h 加h g o l r g c l i x s 图1 6 二元光学元件的色散特性 二元光学元件同普通透镜一样会聚入射光线，但是它依据的是衍射原理而非 折射原理。由衍射产生色差的有效焦距与波长成反比嗍： ， ，( 旯) = z 譬 ( 1 1 ) l 式中石是设计波长k 的焦距。 与棱镜或光栅元件沿垂直于光轴方向色散的特性不同，二元光学元件沿轴线 色散，如图1 6 所示。采用二元光学元件的成像光谱仪其光谱分辨率由探测器的 尺寸决定。该成像光谱仪结构紧凑，衍射效率高。太平洋高技术公司( p a c i f i c a d v a n c e dt e c h n o l o g y ) 已经研制出了多台基于二元光学元件的多光谱图像遥感 ( i m a g em u l t i s p e c t r a ls e n s i n g , 讧s s ) 技术的成像光谱仪【1 6 1 。 1 1 4 采用声光可调谐滤光片的分光技术 声光可调谐滤光片( a o t f ) 1 1 】是一种新型的色散元件，它利用声光衍射原理， 由声光介质、换能器阵列和声终端三部分组成。当复色光以特定的角度入射到声 光介质后，由于声光相互作用，满足动量匹配条件的入射光被超声波衍射成两束 正交偏阵单色光，一束为e 光，一束为0 光，分别位于零级光两侧。改变射频信 号的频率，衍射光的波长也相应改变。连续快速的改变射频信号的频率就能实现 在衍射光波长范围内快速的光谱扫描。 6 第一章引言 图1 7 非共线t e 0 2 a t o f 的结构图 图1 7 为线性共线t c 0 2 声光可调谐滤光片的结构【1 7 1 ，根据声光滤光器的原 理，非共线声光滤光器的调谐关系为： 凡= v 。a n ( s i n 2 2 0 i + s i n 4 刚驴儿 ( 1 2 ) 式中k 为衍射波长，为超声声速，6 为入射光与晶体光轴的夹角，五为超声驱 动频率，4 为互作用介质的双折射。 美国陆军实验室研制出了利用a o t f 作为色散元件的可见光至近红外波段 的光谱偏振成像仪c v 咖ls p e c t r o p o l a d m e t r i ch r i a g 砷【 】。 1 2 干涉型成像光谱技术及发展概况 由于色散型成像光谱仪的光谱分辨率与入射狭缝的宽度成反比，因此，要获 得更高的光谱分辨率，就需不断减小狭缝的宽度，以至于系统的能量通过力 ( t h r o u g h p u t 或e t e n d u e ) 很小，导致探测灵敏度很低。随着对成像光谱仪的技 术指标要求越来越高，主要表现在空间分辨率、光谱分辨率和对弱信号的探测能 力等方面，色散型成像光谱仪渐渐不能满足要求。干涉成像光谱仪在原理上具有 高光谱分辨率与高能量利用率等优点，能够满足越来越高的应用需求，从而使其 逐渐成为成像光谱技术领域的研究热点。近年来的实际发展表明，干涉成像光谱 仪已经成功应用于航天航空遥感，成为一类很有发展潜力的新型成像光谱技术。 干涉成像光谱技术的主要分光技术是迈克尔逊干涉法、三角共路干涉法和双 折射干涉法，等。近年来又发展出了利用液晶可调谐滤光片( l i q u i dc r y s t r a l 7 成像光谱仪分光技术研究 t u n a b l ef i l t e r , l c t f ) 获得偏振光，进而发生干涉的技术。以上提到的都是双光束 干涉法，还有基于多光束干涉法的法布里珀罗但a b 妒p e r o t ) 分光技术 1 2 1 迈克尔逊干涉法 国外对干涉成像光谱技术的研究最早是从2 0 世纪8 0 年代开始的，当时大多 采用的方案是基于迈克尔逊干涉仪的成像光谱仪【博1 。由于基于迈克尔逊干涉法 ( 如图1 8 所示) 的成像光谱仪的干涉图是随时间变化而采集的，因此它又属于时 间调制型成像光谱仪。 反射镀 图1 8 迈克尔逊干涉法 这种成像光谱仪的主要优点是灵敏度高、光谱分辨率高，其主要难点是对扰 动敏感，要求具有高稳定性的动镜扫描系统。法国太空空间与战略系统分部1 1 9 】 和美国罗伦斯利武摩尔实验室【2 0 1 分别于1 9 9 1 年和1 9 9 5 年研制出了迈克尔逊干涉 型时间调制成像光谱仪样机。为了利用时间调制干涉成像光谱仪的高光谱分辨率 特点，国外许多研究单位研制了包括非成像的干涉光谱仪在内的各种仪器，提出 了多种基于旋转镜( 透镜或反射镜) 的相对稳定的系统。 1 2 2 三角共路( s a g n a c ) 干涉法 为了回避时间调制干涉成像光谱仪中动态扫描镜系统这个难题，静态干涉成 像光谱技术( s t a t i o n a r yi m a g i n gf o u r i e rt r a n s f o r ms p e c t r o m e t e r ) 成为新的研究重 点，基于横向剪切干涉法的成像光谱仪就属于其中之一。s a g n a c 型横向剪切干 涉法( 如图1 9 所示) 更是目前应用于成像光谱仪设计中最广泛的横向剪切干涉技 术。 第一章引言 麓 忒 ，、- 搬唑 叫y ， 反射 斋 ，柱面镜 图1 9 s a g n a c 干涉法 1 9 9 3 年h a w a i i 大学与f l o r i d at 学院等在美国海军研究局( o n r ) 支持下联合 研制了采用了s a g n a c 横向剪切干涉仪作为分光元件的空间调制干涉型成像光谱 仪s m i f t s t 2 1 】( 空间调制成像傅里叶变换光谱仪) 。光谱范围l v m 一5 p m ，光谱分 辨率1 0 0 1 0 0 0 c m 。 1 9 9 5 年，在美国空军支持下，k e s t r e l 公司与f l o r i d a 工学院等单位合作，对 前期研制的s m i f t s 进行改进提高，研制了机载傅里叶变换成像光谱仪 f t v h s i l 2 2 1 ，光谱范围o 4 4 1 1 岫，波段数2 5 6 ，视场角1 5 。，瞬时视场角0 8m r a d 。 2 0 0 0 年7 月1 9 日在美国加州范登堡空军基地发射成功删的强力卫星 m i g h t y s a t2 1 上搭载的基于s a g n a c 横向剪切干涉仪分光的干涉型成像光谱仪 f t h s i 在随后的探测中表现十分出色，充分证明了空间调制干涉成像光谱仪的优 越性能。 中国科学院西安光学精密机械研究所目前在研的我国环境与灾害监测超光 谱成像仪( e d i s ) 和“嫦娥工程”干涉成像光谱仪( c e i s ) 都采用了基于s a g n a c 横向剪切干涉仪的基本结构。 由于空间调制干涉成像光谱仪中仍然存在狭缝，因此，干涉光谱的高通量优 点并没有完全体现。为了同时获得高稳定性和高灵敏度的特点，相里斌提出了一 种基于s a g n a c 横向剪切干涉技术的新型成像光谱技术一一大孔径静态干涉成像 光谱仪l a s i s t “2 5 】。目前，该原理正逐渐成为国际上又一个新的研究热点。 1 2 3 双折射偏振干涉法 采用双折射晶体为分光元件的横向剪切成像光谱仪称为空间调制偏振干涉 成像光谱仪。与基于s a g n a c 型空间调制干涉光谱仪相比，具有体积小、重量轻、 9 成像光谱仪分光技术研究 机械振动不敏感等诸多有点。w o l l a s t o n 棱镜和s a v a r t 板是目前应用与偏振型干 涉成像光谱仪中最多的双折射晶体。图1 1 0 为基于w o u a s t o n 棱镜的干涉成像光 谱仪的原理图，其中w i 、阮是两只w o l l a s t o n 棱镜，p i 、p 2 分别是起偏器和检 偏器【2 6 1 。图1 1 l 是基于s a v a r t 的偏振干涉成像光谱仪原理图f 2 7 】。 r w l 飓啦砖 图1 1 0 基于w o l l a s t o n 棱镜的干涉成像光谱仪的原理图 f l r lnn 橱静谚 图1 1 1 基于s a v a r t 的偏振干涉成像光谱仪原理图 1 9 9 2 年日本o s a k a 大学研制了基于s a v a r t 板的多通道傅里叶变挟红外光谱 仪嗍，波长范围2 。5 p m ，光谱分辨率2 7 6 雠。 1 9 9 3 年。美国n a s a 研制了数字阵列扫描干涉型成像光谱仪d a s 俨9 】，采 用了基于偏振双折射棱镜横向剪切干涉仪( w o l l a s t o np r i s m s ) 的基本形式，谱段范 围是0 4 1 a n 1 0 p x n 和1 11 a m 一2 2 p m ，光谱分辨率为3 0 0 c m l ( 对应可见光近红外 波段的谱段数5 0 个，短波红外可分辨谱段数约1 5 个) 。1 9 9 4 年进行了机载飞行 实验，成功地得到了农田的光谱图像，空间分辨率为2 4 m x 3 1 m ，得到图像尺寸 为o 6 k m x 3 k m 。该仪器目前已在美国研制的高空无入机探路者( p a t hf i n d e r ) 上 得到应用。 1 9 9 6 年英国的圣安德鲁大学研制了基于w o l l a s t o n 棱镜的视场增宽的稳定的 傅里叶变换光谱仪【2 6 1 。 1 9 9 9 年中国西安光学精密机械研究所研制了基于s a v a r t 板的偏振干涉成像 1 0 第一章引言 光谱仪p i i s 。波长范围o 4 l 岫，光谱分辨率1 9 5 3e m 1 。 1 2 4 采用液晶可调谐滤光片的分光技术 液晶可调谐滤光片l c t f 是利用向列液晶材料的双折射原理，将液晶材料与 l y o t 和s o l e 型双折射滤光片结合在一起形成的可调谐滤光器【3 0 1 。双折射滤光片 的可调谐性是通过改变双折射波片，通过施加不同的电压调节双折射液晶造成的 相位差从而使不同波长的光发生干涉，实现对不同波长的连续可调性扫描。如图 1 1 2 为m e a d o w l a r ko p t i c s 公司为n a s m j p l 制造的三级液晶可调谐滤光片，光 谱范围o 4 - - 2 5 岫，光谱分辨率1 0 m n 。 鼬铲1 ：纠嘲醴s 出s b 萨2 6 知1 5 出 脚。址p d i 妇 磐+ 妇o oo o 图1 1 24 0 0 - - 7 0 0 r i m 谱段液晶可调谐滤光片 美国加州理工喷气动力实验室j p l 设计了基于l c t f 的成像光谱仪f 3 l 】。 1 2 5 多光束干涉仪 一 图1 1 3 法布里一珀罗 ( f a b r y - p e r o t ) 干涉仪示意图 多光束干涉中比较实用的式法布里一珀罗( f a b r y - p e r o t ) 干涉仪，利用两块镀有 高反射膜的平板组成的装置实现。如图1 1 3 所示，平板p l 、p 2 的两个相对面上 镀有高反射率的反射膜。光源发出的光，在这两个镀有高反射率反射膜的相对面 l l 成像光谱仪分光技术研究 间多次反射和透射，形成多光束，经会聚透镜后产生干涉条纹，不同的入射光束 形成的不同的光程差下的干涉图。它具有极高的光谱分辨率。但是对视场敏感， 只能应用在自由光范围。美国n a s a l a n g l e y 研究中- t l , 研制的基于地球静止卫星 法布里珀罗干涉仪，用于对高空臭氧观测，其光谱分辨率为0 0 6 8 c m 1 。 1 3 成像光谱分光技术发展前景 从技术发展角度看，近两年来成像光谱技术正在从“相对传统”的色散分光、 干涉分光技术向更为先进( 或现代) 的技术手段发展，同时，传统分光技术也因 新颖的技术方案的出现而再度受到重视。 在新的分光技术领域，有一种方案是随着信号处理技术与微系统技术的发展 而诞生的基于m e o m s ( 微光机电系统) 原理的h a d a m a r d 分光方法【3 2 1 。这种分 光方法采用了平场光栅光谱仪与基于m e m s 的空闻光调制器等技术，与传统的 光栅光谱仪相比，其信噪比提高1 2 个数量级，与干涉光谱仪相比，信嗓比也 更好。 另一种新型光谱分光方法在理论基础上有了质的变化，这是近年来提出的基 于量子技术的“量子光谱遥感技术”f 3 3 j 。量子光谱遥感技术适用于很宽的电磁波 谱段，甚至微波波段也能使用。因此，随着科学技术的发展，“光谱成像技术” 未来可能会发展成为“电磁波谱成像技术”，其应用领域也会不断拓宽。 在传统分光技术领域的，由于时间调制干涉成像光谱技术固有的高通量、多 通道、易于定标等优点至今许多方案仍无法与之比拟，因此，能够克服精密直线 动镜驱动难题的新型时间调制干涉成像光谱仪技术方案研究也还是成像光谱技 1 2 图1 1 4 高速转镜式干涉成像光谱仪改进方案 第一章引言 术发展的一个主要方面。典型的是著名学者g r i f f t h s 在1 9 9 9 年提出了一种高速 转镜式时间调制干涉成像光谱仪【3 4 1 ，采用了相对稳定的转镜系统，由于方案设计 十分巧妙，经过高速转镜四次反射的波面并未倾斜，保持了很好的相干性。图 1 1 4 是改进后的方案。 对于高速转镜干涉成像光谱仪，在探测器技术能够保证的前提下，实现数千 帧秒的高速扫描是没有问题的，这时干涉图虽然还是“时间调制”的，但探测 速度已经很高，完全能够适用于高速变化过程的探测。 由此可见当新的技术( 方案) 能保证采用某类分光技术的成像光谱仪的原有 特性，并改进其缺陷时，那这类分光技术依然可以成为成像光谱技术的发展主流 之一。 成像光谱仪分光技术研究 参考文献 【l 】 【2 】 【3 】 【4 】 【5 】 【6 】 【8 】8 9 】 1 0 【1 l 】 【1 2 1 【1 3 】 【1 4 】 1 4 w l w o l f e ，i n t r o d u c t i o nt oi m a g i n gs p e c t r o m e t e r s ，s p p r e s s , ( 1 9 9 7 ) p e t e ra j o n e s ，i m a g i n gs p e c t r o m e t r yu s i n gag a t i n gd i v e r g e n tl i g h t ，s p i e ， v 0 1 1 9 3 7 ，2 3 4 - - - 2 4 3 ，( 1 9 9 3 ) p e t e raj o n e s ，r o b e r tk j u n g q u i s t , c a r lsk i n g as p a c e b o m et a c t i c a ls e n s o r c o n c e p t ，s p ，v o l 3 0 6 l ，3 7 1 6 ，( 1 9 9 7 ) k r i s t i nl e w o t s k y h y p c r s p c c t r a li m a g i n g ：e v o l u t i o no fi m a g i n gs p e c t r o m e t r y , f r o mo er e p o r t s ，n o v e m b e r1 9 9 4i s s u e b i r kr o nj ，m e c o r d , t b ，a i r b o r n eh y p e r s p e e t r a ls e n s o rs y a e m s ，i e e e a e r o s p a c ea n de l e c t r o n i c ss y s t e m sm a g a z i n e ，v 0 1 9 ，2 6 - 3 3 ，( 1 9 9 4 ) l e w i ss p a c e c m t tm i s s i o nf a i l u r ei n v e s t i g a t i o nb o a r d f i n a lr e p o r t ，1 2 f e b r u a r y1 9 9 8 l e s l i el 。t h o m p s o n m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o m e t e r ( m o d i s ) f o r t h en a s ae a r t ho b s e r v i n gs y s t e m ( e o s ) p r o e s p i e ，v 0 1 1 2 9 8 ，1 0 5 - 1 1 3 ， ( 1 9 9 0 ) h t t p ：e n v i s a t e s t e e e s a n l i n s t r u m e n t s m e r i s d e s e r e h a r a c t h t m l j n i e k e h s c h w a r z e r , 丸n e u n m m l gz i m m e r m a n mi m a g i n gs p a e e b o m e a n da i l b o n l es e n s o rs y s t e m si nt h eb e g i n n i n go ft h en e x tc e n t u r y t h e e u r o p e a ns y m p o s i u mo na e r o s p a c er e m o t es e n s i n g ( m e ) ，2 2 2 6s e p t 1 9 9 7 ， l o n d o n , u i c 孙兰春p r i s m ：欧空局未来在对地观测任务中将使用的成像光谱仪光机 电信息，v 0 1 1 4 ，n o 4 ，( 1 9 9 7 ) h t t p ：e 0 1 g s f c n a s a g o v t e c h n o l o g y i - l y p c r i o n h t m l w i l s o n , t h o m a sl ：d a v i s ，c u r t i s s0 h y p e r s p e c t r a lr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y ( h r s t ) p r o g r a ma n dt h en a v a le a r t hm a po b s e r v e r ( n e m o ) s a t e l l i t e p r o c s p i e 、，0 1 3 4 3 7 ( 2 0 0 1 ) h t t p ：w w w f a s o r g s p p m i l i t a r y p r o g r a m i m i n t w a r f i g h t e r h t m l h t t p ：w w w v i m s 1 p 1 a r i z o n a e d u i n d e x h t m l 第一章引言 【1 5 】d e n i s el y o n s i m