干涉成像_傅立叶变换_光谱仪发展概述

1、第21卷第4期长春光学精密机械学院学报Vol.21No.4 1998年12月J.CHAN GCHUNINST.OPT.&FIN EM ECH.Dec.1998干涉成像(傅立叶变换光谱仪发展概述金锡哲禹秉熙(中国科学院长春光学精密机械所摘要干涉成像(傅叶变换光谱仪是八十年代末发展起来的一种较先进的遥感器,较之色散型成像光谱仪,它具有光通量大等优点,适于对可见和红外弱辐射的探测。本文简要回顾了空间遥感技术中的干涉成像光谱仪的发展背景,并对其主要形式、原理、特点以及目前在国内外的发展、应用状况进行了概要的介绍。关键词干涉图;傅立叶变换光谱术;成像光谱技术随着空间技术的发展而兴起和发展的遥感技

2、术,是建立在诸多新的技术及科学理论基础上的、综合性很强的科学技术。尤其是在最近十五年左右的时间里,遥感技术取得了长足的进步,亦即测量设备及其运载工具和数据处理的能力都有了很大的改进和提高。而今,遥感技术已成为一个世界性的课题,它为人类提供了探测地球表面的能力,而且这种能力正在逐步地增强着。成像光谱技术的出现,把光谱遥感从多光谱(Multispectral时代带进到高光谱(Hyperspectral时代。作为高光谱分辨率遥感器,成像光谱仪能够提供被测地物在波长上几乎连续采样的超多光谱通道的窄带光谱信号,有可能做到根据众多地面物质的吸收(或反射和发射光谱特征直接确认地面物体并分析诊断出地面像元的物

3、质成分。这是遥感技术的重要进步,它在资源调查、环境检测、军事侦察等许多光学遥感技术应用领域有重要应用价值。鉴于色散型成像光谱技术探测可见和红外弱辐射相当困难,而作为成像光谱技术发展的前沿,干涉成像光谱仪具有光通量大、通道多、信噪比高等特点,在遥感及其他领域具有重要的应用前景和特殊用途。这已引起世界上一些著名研究机构的高度重视。国外从八十年代末开始研究用干涉成像光谱技术测量地球大气、地表及飞行物等的光谱图的方法和技术路径。目前,美国正在积极发展用于空间遥感的干涉成像光谱技术和研制样机,所以从我国目前和未来空间遥感技术发展的需要出发,开展此项研究是十分有意义的。1发展背景干涉光谱技术是利用干涉图的

4、傅立叶变换获得光谱的、不同于色散型分光原理的光谱技术。它的理论基础虽然可以追溯到迈克尔逊早年用干涉图的可见度来估算光谱1,但是真收稿日期:1998-07-20正的发展是从1957年国际光谱会议开始的,特别是之后将傅立叶变换同干涉图结合起来所需的计算机技术的发展,使干涉光谱技术取得了显著的发展。在这一发展过程中,亚基诺(Jacquinot 、费尔格(Fellgett 、孔雷夫妇(Connes P.,Connes J.、斯特朗研究小组(Strong s Group 、贝尔(E. E.Bell 、默兹(Mertz 、库利一图基(Coolet 2Tukey 等人都做出了巨大的贡献2,3。以致于到了七十

5、年代,干涉光谱技术已趋于相当成熟。到了八十年代,遥感仪器最重要的发展之一就是成像光谱技术的兴起4。它是在多光谱扫描型成像遥感器的基础上发展起来的先进的新一代遥感器。从技术而言,成像光谱仪器是多光谱扫描型仪器的合乎逻辑的发展。它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术。将成像技术与色散型光谱仪技术结合在一起,在用成像系统以获得被测物的空间信息的同时,再通过光谱仪系统把被测物的辐射分解成不同波长的谱辐射,通过对光谱特征的分析来达到探测目的。从1982年美国研制出第一台方案性航空成像光谱仪(AIS 5以来,先后研制的航空成像光谱仪有:美国机载可见红外成像光谱仪(AV IRI

6、S ,1987年6、加拿大的荧光线成像光谱仪(FL I ,1984年和在此基础上发展的小型机载成像光谱仪(AIS ,1988年7、美国GER 公司的79通道机载成像光谱仪(DAIS -7915,1990年8、芬兰的机载多用成像光谱仪(DAISA ,1992年9、德国的反射式成像光谱仪(ROSIS -10和22,1993年10、美国海军研究实验室的超光谱数字图象采集实验(HY DICE ,1994年11等。已经进行过多次飞行测量试验,结果表明具有前所未有的识别地面物体的能力,展现出广泛应用前景和潜力。为了开发星载成像光谱仪,从80年代中期,美国对地观测系统(EOS 计划开始进行了较长时间的研究。

7、在此期间,研究计划也进行了调整、变化。现在研制的有美国国家航空航天管理局(NASA 的中分辨率成像光谱仪(MODIS 12,13,TRW 公司的小卫星上的高光谱成像仪(HSI 14,15(1997年8月发射,但因卫星出故障而失败。欧洲空间局(ESA 的高分辨成像光谱仪(HRIS 和中分辨率成像光谱仪(M ERIS 10也都在加紧研制中。在本世纪末或下世纪初将装备在卫星上进行对地观测。图1线阵列探测器摆扫成像光谱方式光谱分辨率在高光谱级别、上百个光谱通道的超谱段色散型成像光谱仪按其结构和工作方式可分为两种类型4:11线阵列探测器摆扫成像光谱方式(Whiskbroomimaging spectro

8、metry with lineararray ,AV IRIS 、MODIS -N 等即为此种类型成像光谱仪,如图1所示。在卫星上这种成像光谱仪可实现数百米至千米量级的中分辨率探测,也适用于航空探测。21面阵探测器推扫成像光谱方式(Pushbroom imaging spectrometry 62长春光学精密机械学院学报1998年with area array ,AIS 、HRIS 、HSI 等即为此类型成像光谱仪,如图2所示。这种成像光谱图2面阵探测器推扫成像光谱方式仪在卫星上能够获得高的地面分辨率(数十米量级,数据传输率高,缺点是画幅不够宽。鉴于色散型成像光谱仪探测可见和红外弱辐射相当困难

9、,1988年,美国加里福尼亚技术研究所喷气推进研究室(J PL 完成了一个被称为“哈勃成像迈克尔逊干涉仪(HIMS ”的指标设计16。这标志着一种更新的光谱仪器干涉成像(傅立叶变换光谱仪(IF TS 。该仪器是将成像技术与干涉光谱技术结合起来,如同色散型成像光谱仪一样,既成像又可获得每一像元的光谱,但它是利用像元辐射的干涉图与其光谱图之间的傅立叶变换关系,通过利用光电探测技术测量像元辐射的干涉图和利用计算机技术对干涉图进行傅立叶变换,来测定和研究物面的光谱分布。其理论虽早在1972年即由A 1E 1Potter J r 首先提出并取得专利17,但是由于受当时探测器技术等的发展水平限制,到198

10、0年才出现有关IF TS 的研制报道,而探测器阵元数也仅限于42个,是属原理实验性研究18。直到CCD 等阵元数很大的阵列探测器出现后,才使IF TS 的研制活跃起来并迅速走向实用阶段。由于干涉成像光谱仪具有许多独特优点,近年来,它在遥感领域中得到迅速发展,正逐步成为高分辨遥感探测可见和红外弱辐射的强有力工具。2主要形式及特点干涉成像光谱仪是在干涉光谱技术发展的基础上,将成像技术引入其中而形成的目前较为先进的一种光谱分析方法,其中获取像元辐射干涉图的方法和技术仍然是其研究的核心问题,它决定了由其所构成的干涉成像光谱仪的使用范围及性能。目前,遥感用干涉成像光谱技术中,用于获取物面像元辐射干涉图的

11、方法主要有三种,基于这三种干涉方法,形成了三种典型的干涉成像光谱仪。211迈克尔逊型干涉成像光谱仪时间调制型在干涉成像光谱仪中,使用迈克尔逊干涉方法,通过动镜机械扫描,产生物面像元辐射的时间序列干涉图。它由前置光学成像系统L 、透镜L 1、和L 2、分束器BS 、平面镜M 1、和M 2、探测器D 等元器件组成。其光学原理图如图3所示:前置光学成像系统L ,将待测物成像在透镜L 1的前焦面S 上。像面S 上的任一像元的光谱辐射经透镜L 1后变成平行光。分束器BS 将该平行光分为两束,一束照射在动镜M 1上,另一束照射在静镜M 2上。从动镜M 1和静镜M 2反射回来的二平行光束,再经BS 合束和透

12、镜L 2会聚后,成像在焦平面D 上,形成干涉。通过动镜的机械扫描,在焦平面D 上,产生物面的时间序列干涉图。对从焦平面D 上每一阵元得到的时间序列干涉图进行傅立叶72第4期金锡哲禹秉熙:干涉成像(傅立叶变换光谱仪发展概述图3迈克尔逊型干涉成像光谱仪原理图变换,便得到相应物面像元辐射的光谱图。优点:该光谱仪可实现相当高精度的光谱测量。缺点:1由于迈克尔逊干涉成像光谱仪是非共路干涉和时间调制的,因而,光谱测量对扰动和机械扫描精度都很敏感。实现高精度光谱测量时要求很好的稳定机构和高精度机械扫描机构,这使光谱仪结构复杂、成本高。2由于物面像元的干涉图是时间调制获得的,故不能测量空间/光谱迅变物的光谱,

13、而只能测量空间和光谱不随时间变化或缓变物的光谱,应用领域受到限制。212双折射型干涉成像光谱仪空间调制型双折射型干涉成像光谱是利用双折射偏振干涉方法,在垂直狭缝方向同时产生物面像元辐射的整个干涉图。它由前置光学成像系统L 、狭缝S 、透镜L 1、起偏器P 1、渥拉斯顿棱镜W 、检偏器P 2、透镜L 2、柱面透镜C 和探测器D 等元器件构成,光学原理图如图4所示 :图4双折射型干涉成像光谱仪光学原理图前置光学成像系统L ,将被测物面垂直推扫方向的的一条线成像在双折射干涉仪的入射狭缝S 上,进入S 的光谱辐射,经第一个透镜L 1准直和起偏器P 1后,偏振光入射到渥拉斯顿棱镜W 上。它将入射线偏振光

14、分解为两个彼此正交的偏振分量寻常分量和非寻常分量,此二分量在渥拉斯顿棱镜内传播的光程不同。检偏器P 2将从渥拉斯顿棱镜W 出射的二正交线偏振光束复合成同一方向偏振的偏振光。复合光束通过由球面透镜L 2和柱面透镜C 构成的成像系统,在面阵探测器D 上垂直狭缝S 的方向产生狭缝上对应像元的干涉图,同时,在平行于S 的方向上,产生该狭缝的像。优点:1在双折射型干涉成像光谱仪中,狭缝的大小和形状只确定成像的空间分辨率,而不影响光谱分辨率,所以光通量可以很大。2该装置属光共路干涉型,因此,抗外界扰动和震动能力强。3该装置工作时,无运动元件,结构紧凑。4该装置属空间调制,故可用于光谱和空间变化物的光谱测量

15、。缺点:1分辨能力有限。2光学系统结构复杂。213三角共路(Sagnac 型干涉成像光谱仪空间调制型三角共路型干涉成像光谱仪是用三角共路干涉方法,通过空间调制,产生物面的像和像82长春光学精密机械学院学报1998年元辐射的干涉图。它由前置光学系统L 、狭缝光阑S 、分束器BS 、反射镜M 1和M 2、傅立叶透镜L 、柱面镜C 和探测器D 等元器件构成,其光学原理图如图5所示。图5三角共路型干涉成像光谱仪光学原理图由前置光学系统L 将被测物聚焦于入射狭缝光阑S 处,入射光阑出射的光经BS 分束成反射光和透射光,再经两个反射面M 1和M 2反射及分束器BS 反射或透射后入射到傅立叶透镜L 和柱面镜

16、C 上,当M 1与M 2相对于分束器完全对称时,无程差存在,故亦无干涉效应,而当M 1与M 2不对称时,由于光路设置使入射狭缝光阑置于傅立叶透镜的前焦面处,故两束光相对于光轴向两边对称分开,经傅立叶透镜L 和柱面镜C 后变成平行光,在探测器D 处合束产生干涉。在垂直狭缝S 的方向上,产生狭缝上对应像元的干涉图,同时,在平行于S 的方向上,产生该狭缝的像。优点:1在三角共路型干涉成像光谱仪中,狭缝的大小和形状只确成像的空间分辨率,而不影响光谱分辨率,所以光通量可以很大。2由于在三角共路型干涉成像光谱仪中,两束光沿相同路径反向传播,因而,外界扰动和震动的影响便被自动补偿。3三角共路型干涉成像光谱仪

17、,易于光学调整。4三角共路型干涉成像光谱仪,不须移动任何光学元件便能同时获得像元辐射的一幅完整的干涉图,因而,结构紧凑、成本低、而且可用于运动物体或瞬变光源的光谱测量。缺点:分辨能力有限,介于迈克尔逊型和双折射型之间。上述三种形式干涉成像光谱仪结构不同,性能各有所长。但归根结底,都是对两束光的程差进行调制,在探测面处得到含有被测物的二维空间信息和一维光谱信息的数据立方图,只是调制方式不同,分为时间调制和空间调制两种。而至于对所得到的数据立方图进行处理的过程则完全相同。3研究现状美国加里福尼亚技术研究所喷气推进实验室(J PL ,为了提高哈勃空间望远镜在波长110215m 范围内背景受限成像能力

18、和衍射受限成像能力,开展了迈克尔逊型干涉成像光谱仪概念研究。1988年完成了“哈勃成像迈克尔逊光谱仪(HIMS ”的指标设计,其光谱分辨能力/为11000016。美国劳伦斯利物摩尔(Lawrence Livermore 国家实验室,为开展红外宽波段遥感探测,1993年完成了基于迈克尔逊干涉仪的时间调制干涉成像光谱仪方案研究19。该技术可用于近紫外、可见光、近红外及中红外谱段。利用该技术,他们对化学品及气体的渗漏做了监测实验,收到了满意的效果20。1995年研制出了样机,1996年对该样机进行了实验室测92第4期金锡哲禹秉熙:干涉成像(傅立叶变换光谱仪发展概述30 长春光学精密机械学院学报 19

19、98 年 试及外场实验 , 其结果达到了预期的目标 21 。其主要技术参数如下 22 : 表1 主要技术参数 远红外 (L WIR 中红外 ( MWIR 探测器 光谱范围 像面尺度 像元尺度 Ga : Si 81001215 m 128 × 128 InSb 31304190 m 256 × 256 远红外 (L WIR 中红外 ( MWIR 瞬时视场 分束器 最大帧速率 光谱分辨率 0155 mrad KBr/ Ge 100 Hz 0135 mrad KBr/ Ge 125 Hz 1 1 - 1 法国空间与战略系统分部 ( Aerospatiale Space and S

20、t rategic Systems Division 为开展低 轨平台遥感观测地球 , 也在致力于研制迈乐尔逊型干涉成像光谱仪 , 1991 年研制出具有两 个输入和输出通道的迈克尔逊型干涉成像光谱仪样机 , 该样机具有光学设计简单 、结构紧凑 等特点 , 其光谱分辨能力 为 100500 23 。 / 1993 年 , 美国夏威夷大学和佛罗里达技术研究所空间部 , 合作研制出一台地面用三角 共路型干涉成像光谱仪样机 。该样机的光谱测量范围为 110 510 m , 光谱分辨能力 / 为 1001000 24 。 1994 年 , 美国佛罗里达技术研究所和菲利浦实验室 , 共同研制出几台地面用

21、可见波段 三角共路型干涉成像光谱仪样机 。目前 , 这几台样机主要用于两个方面 。其一 , 通过获取低 轨卫星的光谱特征来识别卫星 ; 其二 , 观测空间运载系统助推器发射的火焰 25 。 1995 年 , 美国佛罗里达技术研究所对干涉成像光谱仪进行了建模分析 , 并进行了测试 , 以有助于对所用 CCD 相机参数的分析研究 , 其结果与之前的分析是相吻合的 26 。 1995 年 ,美国茶隼 ( Kest rel 公司和佛罗里达技术研究所共同设计出一台在单引擎轻型飞 机上用的可见波段三角共路型成像干涉光谱仪 ,1995 年开始进行加工 ,1996 年完成加工并进 行了实验室测试及外场飞行实验

22、 ,结果是令人满意的 27 ,28 。其主要技术参数见表 2 29 。 表2 技术参数 1995 年 , 加拿大的 Bomen 公司与加拿大国防部 光谱范围 01441115 m 以及澳大利利国防部共同合作 , 在 BomenMB 系列傅 光谱分辨率 在 0145 m 处 5nm 立叶变换干涉仪的基础上 , 开发出一种干涉成像光谱 二维空间分辨率 018mrad 全视场 帧速率 数据传送数率 光谱通道数 15° 35/ s 15Mbt/ s 256 TFOV TFOV IFOV IFOV 系统影象弥散 光谱范围 美国国家航空航天管理局 ( NASA 艾梅斯 ( Ames 研究中心和华

23、盛顿大学 , 正致力于 5010 m 4mrad 1mrad 015mrad 01125mrad < 像元间距 2513 m 3010 m 仪 , 其光谱分辨率可调 , 视场亦分二挡 。他们对该实 际系统的等效光谱噪声辐射 ( N ESR 及仪器函数进 行了测试及比较 , 结果达到或超出了设计指标 。其具 体性能参数如表 3 所示 30 。 光谱分辨率 光谱精度 幅射测量准确度 可测最低目标温度 可测目标范围 帧数率 1 ,2 ,4 ,6 ,8 ,16 ,32 ,62 CM 1 表3 具体性能参数 约 0125cm - 优于 ± 101cm 0 ± 15°

24、0 C < 0° C > 50km 8 幅/ 每秒 约 0125 - 第4期 金锡哲 禹秉熙 : 干涉成像 ( 傅立叶变换 光谱仪发展概述 31 研制地面和航空用测量地球大气和表面成像光谱的双折射型干涉成像光谱仪 。1993 年 , 他 们共同开发出一种称为 DASI ( 数字阵列扫描干涉仪 的干涉成像光谱仪样机 。该样机光谱 测量范围为 01402120 m , 光谱分辨率 300cm - 1 , 具有 5 。 视场 , 系统祯速率为 016 Hz , 有 达到 5 Hz 的潜力 。现阶段他们正在进行地面试验 31 。 参 考 文 献 1 Michelson A A.

25、On t he Application of Interference Met hods to Spectroscopic Measurements ,Phil. Mag. Ser. 1891 ,31 2 Bell R J . Introductory Fourier Transform Spectroscopy. Academic Press. New York and London ,1972 Optics ,1966 ,5 ( 5 :845853 3 Emest V. Loewenstein ,” The History and Curtent Status Of Fourier Tra

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33、共路型干涉成像光谱仪的研究 , 预计在 1998 年下半年 进行地面和飞行实验 。 32 长春光学精密机械学院学报 1998 年 Abstract Developing background of Imaging Fourier Transform Spect roscopy used in space applications is int roduced essentially. remotc sensing is reviewed briefly. It s f undamental forms 、 characteristics and current stat us and Key

34、words interference pattem ; Fourier Transform Spect roscopy ; Imaging Spect roscopy 21 Charles L ,Bennett ,et al. Hyperspectral Imaging in t he Infrated Using L IF TIRS. SPIE ,1996 ,2883 :2672 275 22 Michael R ,Carter ,et al. Livermore Imaging Fourier Transform Inf Rared Spectrometer (L IF TIRS ,SPIE , 1995 ,2480 :380386 23 Simeoni D. New concept for A Highly2compact Imaging Fourier Transform Spectrometer ( IF TS . SPIE , 1993 ,1479 :127138 Interferometer Spectrometer. SPIE ,1993 ,1937 :130141 Remote Sensing Observations. SPIE ,1994 ,2198 :338349 Spectrometer. SPIE ,1995 ,2480 :39