全反射式高分辨率傅里叶成像光谱仪的研究

　　0　引　言

　　成像光谱技术[1—3]是遥感领域对地观测系统不可或缺的内容,因此成为世界各国多年来重点发展的遥感器技术之一,也是我国近年来重点发展的遥感器技术之一。由于传统的色散型成像光谱仪大都采用棱镜或衍射光栅进行分光,存在光能利用率低、视场小、可测光谱范围有限等固有缺陷,很难满足弱光照、宽光谱范围、高分辨率、大视场等场合的需要。因此,近年来世界各有关国家都在积极发展新型成像光谱仪技术,特别是新型高光谱成像光谱仪技术。

　　高光谱成像系统获得的光谱图像数据立方体具有超多波段、高光谱分辨力、高空间分辨力的特点[4,5],因此比全色图像或多光谱图像包含了更丰富的地物目标信息。高分辨率成像光谱仪可以采集地物目标细节的高光谱图像信息,在探矿、地质、地理、农林业科技,环境治理,灾害预报,海洋水色探测,大气遥感,植被和生态,军事侦察等领域都有重要的应用价值,是目前欧美等发达国家重点发展的一种成像光谱仪技术。根据高光谱图像数据,人们可以从空间匹配和光谱匹配两个方面对地物目标进行分析和识别。多年来,包括我国在内的世界各国科技工作者以航空航天成像光谱数据为基础,在地质地理、植被调查、大气探测、海洋遥感、农业科技,环境监测以及军事应用等方面做了大量的应用示范研究。但随着空间分辨率的提高,必然导致被测目标单元的入射光通量降低,并且对光学系统的成像质量也有更高要求。因此高分辨率、大视场、宽光谱范围等是当前成像光谱仪领域面临的技术难题。

    本文提出一种基于菲涅尔双面镜的全反射式傅里叶变换成像光谱仪[6,7],其中前置望远系统及干涉成像系统都采用了反射式光学元件,反射表面镀金属反射膜,使这一系统可应用很宽的光谱范围内。详细分析和讨论了光谱仪的工作原理及光学结构,在此基础上,设计了两种实际可行的系统光路结构图,通过初步的实验验证了系统的可行性与基本性能。

　　1　光谱仪原理

　　傅里叶变换成像光谱仪是利用干涉图和光谱图之间的傅里叶变换对的关系,通过对探测到的干涉图进行傅里叶变换而得到目标的光谱分布。它的基本理论依据就是干涉光谱技术,因此又叫做干涉成像光谱技术。式(1)表示干涉图与物体反射光谱之间的关系。

　　干涉图通常是一个实偶函数,式(2)中包含的正弦项的虚部的积分为零,所以在多数情况下,式(2)可以简化成

　　式(2)和(3)就是干涉光谱学的基本方程。它表明对于任意给定波数v1,如果已知其干涉图,即探测器接收到的信号强度与光程差的关系ID(l),那么通过(2)的傅里叶逆变换或(3)的余弦变换就可以得到在v1处的光谱强度。