空间外差光谱仪系统设计

　　1　引　言

　　空间外差光谱技术(SHS:Spatial Hetero2dyne Spectroscopy)是近年来快速发展的一种新型超分辨光谱技术。1971年,Dohi与Susuki[1]采用全息胶片作为探测器进行空间外差光谱技术的实验研究,即提出了该技术的概念。由于空间外差光谱技术在大气遥感、天文观测等领域有独到之处,从上世纪90年代起,美国、加拿大等国家都积极发展空间外差光谱技术。1991年,美国Harlander[2,3]研制了首台空间外差光谱实验室样机后,立即获得美海军、NASA等单位的重视,并在星际暗物质探测[4,5,6]和中高层大气羟基光化学过程研究[7]中首获支持。美国的第一代中层大气羟基空间外差光谱成像仪SHIMMER[8](Spa2tial Heterodyne Imager for Mesospheric Radi2cals)已于2002年8月进行了航天飞机试验,第二代系统计划于2006年7月和2006年9月分别搭载空间试验计划卫星(STPSat21)和中层大气冰物理卫星(AIM)升空[9]。加拿大发展的大气层水汽空间外差观测系统SHOW(Spatial Hetero2dyne Observations of Water)也计划于2006年4月完成样机[10]。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工作,目前已经完成了可见光实验台原理试验装置的研制工作,并获取了超分辨空间外差光谱。

　　空间外差光谱仪的主要特点体现在无运动部件、干涉图各元素可同步采集、高分辨率光谱[11]、高通量、大视场和小的尺寸重量等,其性能主要由系统各个光学器件的设计参数决定,整个光学系统主要由干涉仪[12]部件、准直光路、成像光路、探测器等部分组成,因此系统中各个部分的参数设计直接关系到光谱仪整体性能。本文就空间外差光谱仪的系统设计进行探讨,并给出了设计结果,分析了存在的问题和解决的方法。

　　2　基本原理及性能分析

　　空间外差光谱仪的光学系统原理如图1所示,衍射光栅G1、G2代替了传统迈克尔逊干涉仪中的两个平面反射镜。光束进入光阑A,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衍射后返回分束器上;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。两束出射光发生干涉形成定域干涉条纹,并由光学成像系统L2、L3成像于探测器上。记录不同位置处的干涉条纹函数,并通过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: