空间外差光谱技术与FTS的比较研究

　　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。