干涉成像光谱仪技术的新发展

　　干涉成像光谱技术是当代可见光红外遥感器的前沿科学,在军事、民用方面有着极为广阔的应用前景。在军事方面,可进行红外光谱侦察,发现可见光所不能发现的军事目标,并能根据武器系统的特征发射或反射光谱来判断目标的属性(武器种类和型号)。例如隐藏在树林中的火炮、坦克,用井下发射架发射的火箭以及潜水艇等。在民用方面,它可用于天文物理、人气物理、地球科学研究[1、2]。进行地球资源(国土资源、矿物资源、海洋资源、森林植被)普查与考察;监视全球性污染(大气污染、海洋污染)与灾害(水涝灾害、大区域病虫害)[3、4];特别是90年代以来,对上层大气风场的测量取得了可喜的成果,利用对上层大气中自然形成的亚稳态原子氧O(′S)、O(′D)跃迁所形成的两条谱线,其波长分别为557nm(绿线)和630nm(红线)的探测,来确定上层大气风场的速度和温度。[5],为航天器的发射与运行和中长期天气预报提供了大量的图像和数据资料。

　　成像光谱技术从原理上讲分为色散型和干涉型两大类:色散型成像光谱仪是利用色散元件(光栅或棱镜等)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。而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将得到目标的光谱图。

　　因色散型成像光谱仪中均含有人射狭缝,狭缝越窄,光谱分辨率越高,而进入系统的光通量就越少,即光谱分辨率和光通量成为色散型成像光谱仪中相互制约的一对矛盾。在干涉型成像光谱仪中同时测量的是所有谱元均有贡献的干涉强度,传统的干涉成像光谱仪中虽然也有狭缝(90年代后期发展的光谱仪中已去掉狭缝),但狭缝宽度不影响光谱分辨率,只决定于空间分辨率的要求。在满足空间分辨率的前提下,狭缝可以较宽,从而使狭缝面积和视场角较大。理论分析表明,在具有相同分辨率的条件下,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,即光能利用率高1~2个数量级。

　　对具有M个光谱元的光谱图,若其测量总时间为T,则对色散型光谱仪来说,每个谱元的测量时间必为T/M;对干涉型光谱仪来说,M个光谱元(光谱通道)可同时测量,即测量每个光谱元的时间均为T。由于复原光谱信噪比与测量时间的平方根成正比,故干涉成像光谱仪的信噪比是色散型的倍[6]。

　　综上所述,干涉型成像光谱仪与色散型成像光谱仪比较,具有高通量、多通道和较大视场等优点。

　　早期的干涉型成像光谱仪大多是基于迈克耳逊干涉仪为原形发展起来的,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(Temporarily Modulated Imaging Interferometer)。在实际应用中,时间调制干涉成像光谱仪暴露出两大缺点:一是动镜要求匀速,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。