新型红外空间遥感用傅里叶变换光谱仪

　　0　引　言

　　傅里叶变换光谱仪[1,2]作为一种高分辨率的光谱仪器,是现代工农业生产、国防、科学研究中不可缺少的工具。对于航空航天红外空间遥感应用来说,傅里叶变换光谱技术是获得高精度大容量的大气温度、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。

　　目前在国内外航空航天领域,人们使用的大气测量用光谱仪大部分是用光栅或滤光片来实现分光的,在我国已发射的风云一号和风云二号气象卫星上使用的就是滤光片式光谱仪。这些光谱仪具有结构简单、性能可靠等优点,缺点是通道数较少、光谱分辨率不高。光栅光谱仪的光谱通道数相对较多,但由于光栅光谱仪中光栅前后狭缝的存在,使得它的光通量比较小,信噪比难以提高,光谱分辨率也不高。相对于传统的滤光片式光谱仪和光栅光谱仪,傅里叶变换光谱仪具有分辨率高、光通量大、可以提供较多的通道数和极高的光谱分辨率等优点。目前已经发射的或将要发射的傅里叶变换光谱仪的通道数可高达数千条,而光谱分辨率又远高于滤光片式光谱仪的分辨率。这些特性可以提高大气温度和湿度的反演精度,为数值气象预报提供条件。它在气象遥感上的应用已经成为一种必然的发展趋势。风云三号、四号气象卫星有望搭载这种仪器。

　　傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率与干涉仪的光程差直接相关,光程差越大,光谱分辨率就越高。根据其原理可分为空间调制方式(静态)和时间调制方式(动态)。空间调制傅里叶变换光谱仪的一个特点是没有机械运动部件,从而使仪器结构紧凑、性能可靠,对于航空航天遥感应用来说,这是一个非常难得的优点,但由于它的光程差不可能做得很大,光谱分辨率就无法提高,所以它只适用于低、中分辨率的场合,但由于红外焦平面阵列的功耗相对较大,低温制冷也将是一个难题。对于航空航天大气遥感用光谱仪来说,空间调制傅里叶变换光谱仪的分辨率还是不够的,所以时间调制的扫描方式是必然的选择。时间调制方式是通过机械运动部件的扫描来改变干涉仪两支干涉光路之间的光程差,因为机械扫描的行程可做得很大,从而光程差大,仪器光谱分辨率很高。机械扫描可以用一维直线运动实现,也可绕一条轴线作旋转运动来实现。

　　1　系统原理和经典的机械扫描方案

　　最经典的傅里叶变换光谱仪的核心是迈克尔逊干涉仪,原理如图1所示,入射光被分束器分成两束,一束反射,一束透射。反射光被固定平面反射镜M1反射回来并透过分束器。透射光被平面反射镜M2反射回来,并由分束器反射,这两束光发生干涉,形成干涉图。机械扫描是通过反射镜M2的一维直线运动实现的。这种方案的优点在于所用到的光学元件最少、最简单,但是对于机械运动的要求非常高,通常,平面镜的倾斜角度要小于几秒。该方案在工程上被日本的IMG系统[3]和ATRAS系统[4]所采用,它们采用磁悬浮轴承来支撑运动轴,并且使用自适应校正系统,以保证运动过程中倾斜角小于精度要求。因此,尽管光学元件少,性能可靠,但它的技术难度非常高,研发成本高、周期长。若直线运动的支撑元件是机械轴承,则润滑将比较困难,尤其是在航空航天应用中,要求仪器长时间连续工作,所以寿命是一个问题。