基于高速转镜的高分辨率干涉光谱仪非线性理论研究

　　0　引言

　　随着光谱技术的发展,干涉光谱技术得到了广泛的应用.但是由于一般的动镜扫描型干涉光谱仪都需要一套精度要求很高的直线型动镜系统,稳定性差、工艺复杂,给研制带来了许多困难.为此,1997年国外提出了基于高速转镜的高分辨率干涉光谱仪1,它利用转镜来代替直线移动的精密动镜,稳定性和可靠性都大大提高.目前,很多国家都在积极开展这方面的研究工作.该仪器重量轻,体积小,功耗低,实时性好,分辨率极高,适用于很宽的工作范围,目前广泛地用于遥感和化学检测2.在军事上,它可以监测战场空气中化学战剂的成分和浓度3,在民用领域,它在目标的特征研究、物质的化学分析和高灵敏度光谱探测等方面有重要应用价值.基于转镜的高分辨率干涉光谱仪,它是基于动镜的傅里叶变换光谱仪,属于时间调制型的光谱仪,其工作原理主要是依靠转镜的旋转使两束光产生变化的光程差,得到随时间变化的干涉图,最终得到目标的高分辨率的光谱信息.根据折射定律,光程差随折射体的转角变化而不断变化,其中存在着一定的非线性,这会极大地影响光谱仪的分辨率.所以,为了提高仪器的分辨率,必须从理论上讨论转镜的最佳的折射率等材料参量,使光谱仪的非线性最好,才能设计出高分辨率的光谱仪器.

　　本文将简要介绍基于高速转镜的高分辨率光谱仪的工作原理,并对光谱仪的非线性加以讨论,给出最佳的折射率值等转镜参量,最后进行仿真实验,验证理论值的正确性.

　　1　基于高速转镜的高分辨率光谱仪

　　我们讨论的高分辨率光谱仪,是一种基于动镜型傅里叶变换光谱仪,它主要靠一个转镜的转动,从而得到目标的变化的干涉图象,如图1所示.

　　FS代表视场光阑,LC代表会聚镜,BS代表分束镜,M代表折转反射镜,ME代表垂直反射镜,D代表探测器,LF代表收集镜,R代表转镜.

　　分束镜BS将一束入射光分为反射、折射两束光,经整个折、反射系统后,两束光再经在BS平行出射.由于转镜R的转动,产生变化的光程差,因而两束光被收集镜汇聚以后,在CCD同一象元上产生干涉.由于干涉点的光强随光程差变化而变化,则在该点上采集到的是按时间调制的干涉图.对该图进行傅里叶变换,就可得到对应的目标光谱图.干涉强度随时间的分布为

　　ν代表波数,复原光谱由干涉图的逆Fourier变换得到,其光谱分辨率由最大干涉光程差决定,即

　　x为光程差增量,δν为光谱分辨率,L为最大光程差.

　　在该光谱仪中,转镜为唯一的运动部件,它由高速转动的驱动轴驱动,在工作中稳定性非常良好.由式(3)可知,当增大光程差L时,就可以提高仪器的光谱分辨率.转镜在每个周期中共有四个零光程差位置点,因此,该系统可在每个周期中实现四次采样,实时性很好.