Dyson光谱仪在高性能红外的应用

　　1 引 言

　　长波红外 (LWIR， 通常是指 8~12 μm) 大气窗口对超光谱遥感探测极为有用， 因为在此波段， 许多材料表现出独特的单一光谱性能， 在一般的地表温度下， 材料的信号接近于它们单一谱线的峰值。

　　假如大气环境的影响可以作为背景完全除去， 那么，由 CO2和 H2O 的吸收波谱决定的有效波段范围在7.8~14 μm 之间。 在高背景下探测微细的低对比度目标时， 信噪比必须要高，2 000~10 000 的对比度并不过分。 通过高信噪比与快速帧频来覆盖充足的空间范围实际上是为了实现光谱仪的光通量尽量大。许多重要的分子光谱特性都是扩展的，因此，对　　其并不要求高光谱分辨率， 经验研究表明， 64~256个光谱通道足已满足研究需要， 在此范围内， 研究的效用性随分辨率的提高变化很慢。

　　2 Dyson 发展史

　　Dyson 于 1959 年首次提出了一个平凸透镜和一个凹面反射镜组成的简单结构， 如图 1 所示， 两个透镜同轴排列， 在所有的波段范围内， 在视场中心系统可以实现 1∶1 的放大率， 赛德尔像差均为 0。 视场对高级像差的影响远远大于数值孔径对其的影响，Dyson 提出在大的数值孔径下 ， 可以利用上述结构实现有限范围内的高空间性能的成像。 随后，在实验中证实该思想还可以应用于微平板印刷。 近 20 年之后，Mertz 通过构建数值孔径为 0.66 (≈f/0.7)的紫外仪器， 利用一个全息光栅首次证实了 Dyson 原理可以应用在高光通量光谱仪中。 Wynne 继续研究了Dyson 的理论在可见和紫外波段的应用，并利用胶合的反射材料实现了校正视场的目的， 但直到 20 世纪90 年代， 该原理在空间中的应用才推动了 Dyson 原理的发展。 最近，Mouroulis 和 Green 在可见光谱技术中考虑了 Dyson 的设计。 然而， 近期研究的重点是Offner 形式及它的变化， Offner 也是基于同轴原理，它能实现更合理的焦比。

3 探测器

　　所有的成像仪器， 包括成像光谱仪的设计实际上都是由目前可用的探测器的材料及形式决定的。在 LWIR 波段， HgCdTe 和掺杂 Si (例如， Si∶As 非纯带) 都是成熟的工艺。 表 1 给出了目前一些可用阵列的物理特性。

　　虽然 Si∶As 材料的制冷极具挑战性， 但由于其极好的一致性和可操作性， 因此， 设计中均倾向于采用 Si∶As 焦平面。 以往的经验告诉我们， 非可操作性的像素或者像差的一致性都会丢失信息或得到的数据质量低， 这样， 系统探测的可信任性会降低，错误识别率也会增加。 通过仿真模拟可知， 在高质量的数据输入下， LWIR 的 HgCdTe 焦平面上有 5%的信息丢失， 导致在同样的信噪比下， 相对于 Si：As 焦平面探测器 ， 该探测器的实用性会降低 2~4倍。