傅里叶变换光谱仪中干涉信号的畸变

    引言

    傅里叶变换光谱仪(Fourier Transform Spectrometer，FTS)^[1,2]是一种精密 的科学仪器，它具有分辨率高、光通量大等优点，在工农业生产、科学研究、环境监测、航空航天遥感等领域有着广泛的应用。就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。

    目前已经发射的或将要发射的航空航天遥感用傅里叶变换光谱仪的通道数可高达到数千，而光谱分辨率则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。我国风云三号、四号气象卫星正在努力，争取能够搭载该仪 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。从原理上来说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，从而仪器结构紧凑、性能可靠，但由于它的光程差不可能做得很大，光谱分辨率也就不可能很 高，所以它只适用于低、中分辨率的场合。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的，因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来实现，也可以是绕一条轴线作旋转运动来实现。

    1 FTS 的原理

     以经典的 Michelson干涉仪为例，来说明 FTS的原理，如图 1 所示。若入射到干涉仪的光信号为单色的平面波，则经过分束器 BS 的分光，成为两束光，一束被反射，成为光束 1，另一束则透过 BS，形成光束 2。它们分别经过各自光路的延迟，再一次返回到 BS 并且每一束又被分成两束 1a、1b和 2a、2b，最后 1a 和 2a 这两束光在探测器上相互干涉，形成干涉信号，可用如下公式表示：

式中：δ 为入射单色光的波数，B(δ)为入射单色光的强度，x 表示两支光路之间的光程差，R 和 T 分别表示分束器的反射率和透过率。

    当其中一支光路中的反射器以速度 V 作匀速运动时，光程差 x 随时间 t作线性变化，即 x=2Vt。干涉光信号经探测器的光电转换、前置放大电路的直流隔离和放大，得到干涉电信号。

在理想的情况下，得到的干涉电信号将是一个严格的余弦电信号，即：

式中：f＝2Vδ 为干涉电信号的频率，K 为光电转换系数，B'(f )＝2KRTB(δ)为与波数δ 相对应的单频余弦电信号的强度。