傅立叶变换光谱仪信号调制度下降的分析

引言

光谱仪作为一种光谱分辨仪器,是现代工农业生产、国防、科学研究等不可缺少的工具.根据工作原理的不同,可分为:棱镜光谱仪、光栅光谱仪、傅立叶变换光谱仪等.傅立叶变换光谱仪的一个优点是多通道同时测量,另一个优点是高通量,对于微弱目标信号也能响应,仪器的信噪比相当高.因此它已经成为现代红外光谱仪的代表和主要发展方向,尤其是在中、远红外光谱区,在高精度、高光谱分辨率、高灵敏度的应用中,傅立叶变换光谱仪几乎是唯一的选择.对于航空航天红外空间遥感应用来说,傅立叶变换光谱技术是获得大容量高精度大气温度、湿度、水汽高度分布、地表成分以及地面气压等信息的一种重要手段.相对于传统的滤光片光谱仪和光栅光谱仪,傅立叶变换光谱仪的优点突出,目前已经发射的或将要发射的航天遥感用傅立叶变换光谱仪的通道数可高达到数千,而光谱分辨率又远高于滤光片式光谱仪的分辨率.这些特性提高了温度和湿度的反演精度,为数值气象预报提供了条件.它在气象遥感上的应用已经成为一种必然的发展趋势.为了跟踪国际先进技术和发展自己的航天遥感事业,我国也在研究傅立叶变换光谱技术,力争在以后的气象卫星上能够使用这种仪器,本文就是在这样的背景下进行的研究.

1　调制度的定义

　　傅立叶变换光谱仪从本质上来说是一种干涉仪,所以可用干涉仪的理论来分析.对于两平面波干涉,产生的信号强度可表示为[1]:

其中I0是理想情况下的入射光强度,一般可设为1(因为我们只关心相对强度),Ia和Ib是I0经过分光板以后所形成的两支干涉光路的光辐射强度,x表示两支光路之间的光程差,σ表示干涉光的波数,Iac表示干涉信号与光程差x有关的分量,若用机械扫描改变光程差并用探测器把光信号转换成电信号,那么它将是信号的有用成分———交流分量.干涉信号的调制度(或称可见度)M被定义为[1,2]:

其中Imax和Imin分别是干涉信号I(x,σ)的极大值和极小值.于是有M=γ0,若两支干涉光路的光辐射强度相同,即Ia=Ib,则有信号调制度M=γ0=1.

2　引起信号调制度下降的原因

　　考虑实际情况以后,干涉仪信号调制度将下降.究其原因,大体上可分为如下4类:1)平面镜面形的影响;2)光在入射过程中的偏振态受到反射、分光等影响而改变,从而使得信号调制度下降;3)光学元器件的位置偏离理论设计值,如元件的倾斜、振动或安装误差等;4)干涉仪有限视场角大小的影响.

3　理论分析

3.1　平面镜面形的影响

实际使用的平面镜、角锥反射镜或红外透镜等光学元件,都不是理想的,存在一定的面形误差,用这样的元器件组成的干涉光路,必然导致信号调制度的下降.以平面镜为例,设它的面形为f(η,ζ),在有效区域内的平均值为零,则平面波经过它的反射,波面将成为2f(η,ζ)cos(α),其中α为平面波的入射角.同时,设干涉仪中其它光学元件都是理想的,则有干涉信号: