一类新型时间调制傅里叶变换成像光谱技术干涉仪方案

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成像光谱技术起源于 2O世纪 8O年代初期的多光谱遥感技术 .并随着对地观测应用的需要而发展 成像光谱技术将传统的光学成像技术和光谱技术结合起来.可同时获得观测 目标的二维空间信息和-维光谱信息 它的应用领域已涵盖了地球科学的各个方面.成为地质制图、植被调查、海洋遥感、农业遥感、大气研究、环境监测等领域的有效技术手段.发挥着越来越重要的作用成像光谱仪按分光方式的不同可分为光栅色散型、棱镜色散型、滤光片型、干涉型和计算层析型。目前研究与应用最为广泛的成像光谱仪主要是色散型和干涉型两大类 由于色散型成像光谱仪的光谱分辨率与入射狭缝的宽度成反比.因此.要获得更高的光谱分辨率.就需不断减小狭缝的宽度.以至于系统的能量通过力很小.导致探测灵敏度很低 随着对成像光谱仪的技术指标要求越来越高.主要表现在空间分辨率、光谱分辨率和对弱信号的探测能力等方面.色散型成像光谱仪渐渐不能满足要求 干涉成像光谱仪1J在原理上具有高光谱分辨率与高能量利用率等优点 .能够满足越来越高的应用需求 .从而使其逐渐成为成像光谱技术领域的研究热点干涉型成像光谱仪中，时间调制傅里叶变换成像光谱仪目的光谱分辨率在理论上可以达到很高的水平.这是其他类型成像光谱仪所无法匹敌的.但是也有其 自身的超高精度动镜驱动系统的难题.本文就是针对解决此困难而提出了-类新型时间调制傅里叶变换成像光谱技术干涉仪方案1 时间调制傅里叶变换成像光谱仪原理特竟2 分柬授 朴偿授 动1 扩I / lI / l 上 - - t i 覃蔷i图 1 时间调制傅里叶变换成像光谱仪光学原理图前置光学成像系统透镜 1.将待测物成像在透镜 2的前焦面，焦面上的任-像元的光谱辐射经透镜 2后变成平行光 分束板将该平行光分为两束.-束照射到动镜.另-束照射到定镜。从动镜和定镜反射回来的二平行光束，再经分束板合束和透镜 3会聚后，成像在焦平面，形成干涉 通过动镜的机械扫描.焦平面上生成物面的时间序列干涉图 对从焦平面上每-阵元得到的时间序列干涉图进行傅立叶变换[31。

便得到相应物面像元辐射的光谱图时间调制傅里叶变换成像光谱仪的光谱分辨率由最大光程差决定 干涉仪中.动镜移动最长有效距离的 2倍就是此时的最大光程差.而所谓动镜移动的最长有效距离是指从零光程差到采集最高分辨率所需要的最后-个数据点动镜移动的实际导轨距离 光谱分辨率△ 等于最大光程差L的倒数，即△ 。

2 时间调制傅里叶变换成像光谱技术干涉仪新方案时间调制傅里叶变换成像光谱仪[51可以获得很大的光程差.从而得到很高的光谱分辨率.这就需要很长的动镜运动导轨，带来了两大缺点：其-.对动镜机械扫描精度和扰动非常敏感.实现高精度光谱测量时.需要高精度的动镜驱动系统和稳定机构，随着分辨率的增高，在动镜扫描(对于 1米或更大的动镜行程)过程中，这种动态校正系统的失灵概率也随着增大：而且该系统对机械振动引起的扰动非常敏感，这使得光谱仪的结构复杂、成本高。

其二.由于物面像元的干涉图是时间调制获得的.则对干涉图完成采样需要动镜运动-个完整周期.不适宜快速变化目标光谱测量。

应用领域受到限制图2 双角镜干涉仪原理图作者简介：张伟(1983-)，男，西安工业大学，硕士研究生，主要研究方向为时间调制傅里叶变换成像光谱仪。

韩军(1966-)，男，西安工业大学，教授，主要研究方向为光电测试技术、光学薄膜技术。

科技信息 ∑教前沿0 SCIENCE＆TECHNOLOGY INFORMATION 2013年 第 7期于是提出了-种新型干涉仪方案来解决此难胚，即双角镜干涉仪 .分别对原来的动镜和定镜进行了重新设计，将平面动镜改设计成了由双角镜和单平面反射镜的组合，这样实质上就是对光路进行了折叠.缩短了动镜的实际运动距离 .使得运动导轨的长度减短了，而依然可以得到极大的光程差。其原理图如图2。

新方案中.动镜系统由角镜 A、B和平面反射镜 c组合而成，分束后的平行光经角镜A反射到角镜 B，再反射到平面反射镜 c，而后光线沿原光路返回。其中.角镜 A和平面镜 c由动镜运动臂连接在-起.可以在运动导轨上来回运动，这样就可改变光程差。定镜系统由角镜 、b和平面反射镜 C组合而成，它们之间并无相对运动，是为了让分开后的两束相干光的反射次数-致而设计的。

如图 3所示 ：dRS TC图 3 光程差分析图动馈运动臂当动镜运动臂连着角镜 A和平面反射镜 C从 0s运动到 PT，此时增加的光程差：2(10Pll I1.s 1)610Pl6d，即为角镜A与平面镜c在运动导轨上实际运动距离的 6倍。在获得同样的光程差的条件下，大大缩短了运动导轨的长度.使得以往存在的无法克服的问题就很好的解决了同理.单角镜干涉仪如下(如图 4)：图4 单角镜干涉仪动镜系统图动镜系统由角镜 A与平面反射镜 B组成 ，角镜 A由动镜驱动系统的驱动在动镜导轨上来回运动改变光程差，而平面反射镜 B静止不动.容易分析得出光程差为角镜 A在运动导轨上的实际运动距离的4倍。

三角镜干涉仪如下(如图5)：动镶追动臂图5 三角镜干涉仪动镜系统图动镜系统由角镜 A、B、D和平面反射镜 c组成 ，角镜 B和平面反射镜 c静止不动.角镜 A和 D由动镜运动臂连接在-起并由动镜驱动系统的驱动在导轨上来回运动以改变光程差 容易分析得出，增加的光程差为角镜 A与 D在运动导轨上实际运动距离的8倍。

综上所述.可以得出.每增加-个角镜.光程差就增加 2倍。动镜系统中的角镜数 目分别为 1，2，3，，相应的光程差为动镜实际运动距离的倍数则为 46 8。在这种设计思想下 ，用增加角镜的方式，是可以无限折叠光路的.但是角镜数 目越多.相应的动镜系统就越庞大。给动态校正系统带来负担。所以.在设计中要根据实际的需要，注意协调好导轨长度和角镜数 目的关系.让它们之间良好地匹配.达到理想的高光谱分辨率的目的。同时，定镜系统要与动镜系统的结构-样，只是定镜系统是静止的，光程差的改变全由动镜系统来控制，这样才能得到很清晰的干涉图。

3 仿真建模分析使用光学软件 zem 非序列模式建模。平行光光源以 45。入射到分束板 ，分成两路光束，通过如图2的光路模型形成干涉图。

时间调制傅里叶变换成像光谱核技术经典干涉仪建模及光路图如图 6：：图6 经典干涉仪建模光路图两平面反射镜互成 90。夹角.此时令其中-平面反射镜在原来的位置处倾斜 0.005，在探测器尺寸为30x3Omm，像素为 500x500时，得到的等厚条纹如下(图7)：图7 经典千涉图软件建模及光路图，如下所示(图8)：在这个模型中，可以得到清晰的干涉图，如下所示(图 9)图 9 建模干涉图通过图 9与图 8两幅干涉图的对比，可知，新型干涉仪方案是可行的。

4 结论这-类新型时间调制傅里叶变换成像光谱技术干涉仪方案。获得的光程差是动镜系统在导轨上实际运动距离的数倍.这样就大大缩短了运动导轨的长度.使得导轨的制造难度降低 ，同时也缩短了动镜扫描时间.使成像光谱仪的实时性得到加强∏镜与平面反射镜的组合能够很好地解决以往干涉光谱仪中存在的动镜倾斜的症结。

新型干涉仪方案既可应于傅里叶变换成像光谱技术中.也可单独应用于傅里叶变换光谱仪。