窗扫型成像光谱仪数据处理及误差校正研究

　　1　引　言

　　空间调制干涉成像光谱仪技术可分为带狭缝的推扫系统和不带狭缝大孔径的窗扫系统两大类[1,2]。带狭缝的傅里叶变换成像光谱仪在数据采集过程 中每一帧所采集到的图像是由推扫全视场中一列目标景物所形成的干涉图,系统中的狭缝正是起到了让视场中一列目标景物的光能量通过,而阻止视场中其余的景物 光线的进入。因此相对于整个推扫视场来说,在焦平面器件上所收集的能量至少相差两个数量级。比如若整个推扫视场为256×256,则光能的利用率仅为 1/256。与同等光谱分辨率的狭缝式色散型光谱仪相比[3],这种带狭缝的推扫系统在光能利用率上没有体现出明显的优势。

　　窗扫型傅里叶成像光谱仪在结构设计上没有狭缝,光能量利用率提高了至少2个数量级[4];此外,它更加体现出了成像光谱仪中“成像”的特点,即 在数据采集中每一帧图像既是干涉图又是“景物”图,实现了图像信息与光谱信息的合二为一。根据分光技术的不同,窗扫系统可以采用基于三角共路型 (Sagnac)、基于迈克逊型(Michelson)和基于偏振分束型(PIIS)等多种干涉仪结构[4~7]。窗扫系统在带来高光通量这一优点的同 时,也使得干涉图数据的处理更加复杂,即窗扫成像光谱仪的数据采集方式决定了在后续的数据处理过程中要增加一个原始干涉图重组的步骤。本文针对窗扫成像光 谱仪的特点,对其数据处理和误差校正作了较深入的系统研究,提出了一套窗扫数据处理及校正的方法,并通过实验得到了验证。

　　2　窗扫型成像光谱仪的原理

　　窗扫型成像光谱仪的光学结构主要由窗扫成像物镜、干涉仪和焦平面成像部分组成。本系统中的干涉仪采用了基于迈克逊(Michelson)的干涉仪结构(图1)。

　　图1中,BS为分束器;M1和M2为反射镜。M1与BS的交线到M2的垂直距离为d,改变d可以调整反射镜M1相对于BS的虚像与反射镜M2的交线位置,调整d和θ可以改变零光程差的位置;反射镜与理想像平面的夹角θ很小,其大小可根据设计要求调整。

　　根据光的干涉理论[8],设波数为v的两束入射单色光发生干涉,则干涉强度分布为

　　式中:B(v)为光谱密度分布;δ为两束光的光程差;γ为两束光的振幅比,它不影响干涉条纹的形状和分布结构。在本系统中,由于夹角θ非常小,产生干涉的两束光的振幅几乎相同,因此取γ=1。根据式(1)可以得到干涉图像分布:

　　因为与光谱信息相关的是干涉图像中受光程差调制的变化部分,因此在对探测器上的干涉图像去除光程差为∞时的干涉信号,即干涉图中的直流部分后,最后得到的干涉图函数为