稳态大视场偏振干涉成像光谱仪原理及调制度分析

　　成像光谱技术从原理上讲分为色散型和干涉型两类.色散型成像光谱仪是利用色散元件(光栅或棱镜)将复色光色散,分成序列谱线,然后再用探测器测量每一谱线元的强度.干涉型成像光谱仪是同时测量所有谱线元的干涉强度,对干涉图进行逆傅里叶变换而得到目标的光谱图.

　　理论分析表明:在相同条件下,干涉型成像光谱仪的通量较色散型成像光谱仪高200倍左右,光谱分辨率一般也要高两个数量级以上,其信噪比为色散型的M1/2倍(M为光谱元数)[1~3].

　　早期的干涉成像光谱仪大多是以迈克耳逊干涉仪为原型发展起来的,这类仪器中均有一套高精度的动镜驱动系统,故称为时间调制干涉成像光谱仪[1,4].在实际应用中,时间调制干涉成像光谱仪暴露出两大缺点:一是需要一套高精度的动镜驱动系统,且对倾斜、晃动要求严格;二是对干涉图完成采样需要动镜运动一个周期,故不适合快速变化光谱测量.空间调制干涉成像光谱仪是90年代以来随着面阵探测器的飞速发展而出现的[5,6],它在大大降低研究成本的同时,保留了动镜扫描干涉成像光谱仪的主要优点,使用波段更宽,抗震动能力更强,性能稳定,实时性好,特别适用于航空航天领域、大气风场测量及野外环境操作[7~9].

　　在空间调制干涉成像光谱技术(SMII)或数字阵列扫描干涉光谱技术(DASI)中,目前具有代表性的方案有两类:一类是以变型的Sagnac干涉仪为分光元件[10];另一类是以双折射晶体为分光元件[11].

　　本文将主要阐述我们自行研制中的一种基于双折射晶体的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪(SLPIIS)的基本原理及调制度的分析计算.

　　1　SLPIIS原理及广角补偿原理

　　图1是SLPIIS的原理图,它的核心部分是偏振干涉仪,主要由萨瓦偏光镜、起偏器P1和分析器(检偏器)P2组成,其主要作用是进行横向剪切(或角剪切).从光源S发出的一束光,经P1后变为沿P1偏振化方向振动的一束线偏振光,经萨瓦偏光镜后被剪切成两束振动面相互垂直的线偏振光,通过分析器变成振动方向完全一致的二束线偏振光,经成像镜后在探测器上相遇,形成干涉图样.其干涉图与光谱图之间存在着以下傅氏变换关系[2]

　　式中:I(x)为双光束干涉强度分布;x为双光束之间的光程差;B(σ)为光源光谱强度分布;σ为波数,单位为cm-1;xM为最大光程差.对干涉图采集并经傅氏变换,即可得到光源的光谱分布,经系统处理,即可得到光源的像.

　　偏振分束器(萨瓦偏光镜)采用两块(左板和右板)厚度均等于t的萨瓦板制作,为了保证最大剪切量,晶体表面与光轴成45°角[12].设两块萨瓦板的主平面均在纸平面(XZ平面)内,二光轴相互垂直.二板中间加一λ/2板,其光轴方向与二萨瓦板的主平面(纸平面)成45°角,即与X、Y轴正向成45°角.这种结构具有大视场的功能,从而保障在远场中的干涉条纹仍为等间隔的直条纹[12].