大孔径静态干涉成像光谱仪的干涉系统分析

从不同方面说明大孔径静态干涉成像光谱仪的特点,介绍其干涉系统的光学原理,分析基于横向剪切干涉仪的干涉系统设计思想,讨论两种高通量大视场横向剪切干涉仪,总结了大孔径静态干涉成像光谱仪的主要优点。     

大孔径静态干涉成像光谱仪中双通道Mach-Zehnder横向剪切干涉仪的设计

大孔径静态干涉成像光谱技术是一种时空联合调制的傅里叶变换成像光谱技术,其核心元件通常采用Sagnac横向剪切干涉仪。这种结构会使进入干涉仪的光线有一半沿原路返回,降低了能量利用率。文章提出一种改进型Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构,克服了能量利用率低的缺点,在实现横向剪切的同时,还具有双通道输出的优点。本文通过光线追迹的方法,得到剪切量的一般表达式,并分析了各种误差源对剪切量误差的贡献。为大孔径静态干涉成像光谱仪的设计提供了新思路,可为该类型的成像光谱仪的设计与优化提供理论指导。     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法.仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息.某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上.平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息.根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°.利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原.针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法.为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间.对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作.复原光谱分辨率为194 cm-1,优于设计指标(250 cm-1).     

快照式干涉成像光谱仪阶梯面形误差特性分析

快照式干涉成像光谱仪通过微透镜阵列多重成像与多级微反射镜相位调制的光场耦合,实现动态场景图像光谱的同时探测。多级微反射镜的基片加工精度及膜层表面应力会导致阶梯面产生弯曲形变,从而影响光谱与成像的质量。分析了多级微反射镜阶梯面弯曲形变的面形误差特性,建立了阶梯面形误差的光场传输模型。计算结果表明,不同的阶梯面形误差分布情况会引起各视场干涉像点阵列不同的强度改变,并导致复原光谱中出现不同的噪声分布特征。阶梯面形误差会在不同成像视场的复原光谱中引入相位误差,并对相干像点的强度分布进行调制。重建光谱误差随着两个多级微反射镜阶梯矢高绝对值的增加单调递增,通过该关系便可以由阶梯矢高实测值对系统性能进行评估,并为器件制作提供理论指导。     

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪光谱重建并行算法

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点,但光谱重建时间冗长。通过对傅里叶变换光谱重建流程分析,为研制的1024pixel(光谱维)×1024piexl(像宽)×1024piexl(像高)高分辨率紫外傅里叶变换成像光谱仪的数据立方体反演,设计了一种并行优化算法。实验表明,在6核处理器上对512M和2G的数据立方体进行变换,时间分别只需88.33s和489.75s,加速比分别为3.70和3.04,大幅度提高了运算效率。如将该算法应用到更多内核处理器上,可得到更高的加速比和更少的运算时间。     

干涉成像光谱仪等波长光谱重建方法研究

干涉型成像光谱仪是嫦娥1号(CE-1)卫星的重要设备,用于分析月球表面物质成分含量及其分布,目前所得到的2B级科学数据的光谱分辨率为325 cm-1,转化为波长分辨率表示后各谱段不一样,第一个波段为7.6 nm,最后一个波段为29 nm,这引入两个问题：(1)与地面波谱库中用于标定和比对的光谱分辨率描述方式不一致;(2)由于波段窄而进入的信号少,造成短波光谱信噪比差。基于CE-1干涉成像光谱仪光谱重建模型,讨论了波长分辨率与截止函数的关系,提出了一种随波长及波长分辨率变化的可调截止函数,并选取相应Sinc函数进行切趾,实现了波段覆盖范围内任意指定波长分辨率的光谱数据重建。利用该方法对CE-1号在轨0B数据进行处理,得到了29 nm等波长高光谱图像,采用光谱信噪、主成分分析和无监督分类等方法对重建结果与同区域2级科学数据进行比对,结果表明：短波波段光谱信噪比提高了4倍,平均提高了2.4倍,基于光谱特征的分类结果一致,数据质量大大改善。EWSR方法的优点有：(1)在保持光谱信息量的情况下,虽然牺牲部分光谱分辨率,但提高短波波段的光谱信噪比;(2)实现了在波段覆盖范围内任意指定波长位置或任意设定波长分辨率的光谱数据重建。     

基于偏振干涉成像光谱仪的视场增强和相位热漂移补偿关键技术的研究

偏振干涉成像光谱技术以傅里叶变换光谱学为理论基础,以一系列起偏/检骗器、剪切分束器和延时晶体等双折射晶体材料为主要结构,较之传统光栅式色散型光谱仪具有多通道、图谱合一、大光通量、高信噪比和抗环境振动干扰等一系列优点,并且结合多普勒光谱学相关原理和技术,已被广泛应用在各种天文学和天体物理学测试与计量领域如空间遥感、视向速度、宇航飞行、月球探测等。但是许多前人研究工作中仍然存在两个尚未妥善解决的问题：(1) 视场受限。普通型偏振干涉成像光谱仪存在远场条纹的弯曲而使系统视场角限制在±2°以内,严重影响傅里叶变换后的光谱重构精度;(2) 相位热漂移。晶体的热胀冷缩和双折射率之差随温度变化的特性导致像面干涉条纹发生随机抖动误差,将严重影响以多普勒频移为原理的视向速度等测量精度。因此,首先引入一块半波片构成增强型的Savart剪切分束器实现主动的视场展宽,可以使增强后的观察视场角达到±10°左右。这一改进不仅提高了傅里叶光谱变换的算法精度,同时也大幅增加光通量从而实现对微光光谱进行高信噪比的探测与标定。另外,为了消除环境温度造成的相位热漂移误差,选用偏硼酸钡(α-BBO)和铌酸锂(LiNbO₃)两种晶体进行精密组合匹配。该关键技术利用这两种晶体的双折射率之差随温度变化的相反特性,从而实现相位热漂移误差补偿。实验证明,在实验室环境温度下热相位漂移误差不超过0.02 rad。通过这些方案改善偏振干涉成像光谱仪的测试精度,拟实现对天文光梳以及其他大型天文光谱仪器快速而精确的标定与测试。     

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。     

干涉型计算层析成像光谱仪的实现方法

提出了一种干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)原理及实现方法。CTII把空间调制式傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理巧妙结合,因此整个系统在原理上具有高灵敏度、高光谱分辨率,以及高空间分辨率。分析和讨论了CTII的工作原理,给出了一种实用CTII的光路结构;对典型目标的投影图像进行实验,实验结果验证了本方法的可行性。     

时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪干涉图获取模式研究

基于自行研制的时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪（TSMPIIS）,提出了一种新的干涉图和光谱的获取模式,分析了干涉数据的排列方式,详细阐述了不同时刻获得的一系列干涉图组合的方法,并由TSMPIIS获得了单色光和复色光的干涉图.理想的干涉图和复原光谱充分显示了这种探测模式的优越性,如宽场、高探测灵敏度和高通量等. 关键词： 时空混合调制 偏振干涉成像光谱仪 获取模式     

时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪数据处理研究

研究了基于Savart偏光镜的偏振干涉成像光谱仪在时空混合调制模式下图像形成、数据分布的特点,论证了视场补偿型偏振干涉成像光谱仪更适用于单色光条件下的时空混合调制工作模式,并提出了时空混合调制模式下数据采集与处理的基本原理及其需要注意的问题与解决方法.最后,应用这种方法对实验获取的干涉图进行了数据处理,并成功复原出了光谱.     

偏振型干涉成像光谱仪中Savart偏光镜通光孔径的研究

论述了偏振型干涉成像光谱仪的核心部件——Savart偏光镜的结构和分光机理. 应用波法线追迹的方法, 对光在任意方位入射面内, 以任意入射角入射时Savart偏光镜中的光线传播规律及出射光孔径变化进行了理论推导, 给出了出射孔径与入射位置、入射角及入射方位角之间满足的关系, 并讨论了光线传播始终处于Savart偏光镜晶体内部, 最终从出射面射出所需满足的条件. 采用计算机模拟, 给出了光线垂直入射时, 出射孔径的表达式, 验证了推导的正确性; 在此基础上对自行设计的干涉成像光谱仪通光孔径进行了详细分析和讨论, 结果表明通光孔径精确值和近似值之间存在较大差异. 给出了孔径面积利用率随入射方位角的变化曲线, 阐明在干涉成像光谱仪的参数论证以及孔径光阑的选取中, 不能忽略由于晶体双折射现象带来的孔径变化. 研究结果可为偏振型干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供重要的理论依据和实践指导.     

空间调制傅里叶变换光谱仪分束器色散特性研究

在基于多级微反射镜的傅里叶变换光谱仪中,由于分束器的色散特性, 不同波长的干涉图具有不同的横向偏移量,其在横向空间会发生混叠. 同时,不同波长的干涉图还具有不同的光程差偏移量,使其在纵向空间也会发生混叠. 根据几何光学原理,干涉图的横向混叠会减小干涉图元的有效面积. 计算表明,本研究中干涉图元的横向混叠面积为总面积的3.4%, 通过数据处理扣除混叠部分可以消除横向混叠的影响. 干涉图的纵向混叠会产生一个附加的相位延迟,削弱谱线的强度. 经分析,附加相位延迟与分束器和补偿板之间的厚度差成正比. 本文给出了发生对比度反转时分束器与补偿板厚度差的极限值, 并利用解线性方程组的方法对纵向混叠的干涉图进行了校正, 反演出的光谱与理想光谱的标准偏差仅为1.76×10^-14.     

成像光谱技术的研究与发展

成像光谱技术是20世纪70年代末发展起来的一项新型航天航空遥感技术。综述了成像光谱技术的发展背景,在海洋、大气、植被、地质研究等领域的应用现状。介绍了成像光谱技术的几种主要分类、各种类型的特点以及国内外具有代表性的方案。提出了大孔径干涉型成像光谱仪的原理,并展示了攻关样机和实验数据。     

时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求,提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构.对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析.作为该成像光谱仪的重要部件,前置成像系统决定了光程差的分布,其性能直接影响到目标物体的图像质量.根据系统光程差的产生方式,分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统.利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究.结果表明:当温度在-20—60?C的范围内时,各个视场的调制传递函数均达到衍射极限,在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好;在不同的温度下,各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02?.     

大口径干涉成像光谱仪扫描速度偏差的评估与校正

大口径干涉成像光谱仪通过视场扫描和数据重组获取目标的干涉序列,理想情况下帧间视场移动量为1个像素。若扫描速度偏快或偏慢,按照正常重组算法得到的干涉序列不是源自同一目标,导致图像和光谱出现误差。根据像点在数据立方体中的移动规律,提出了像点轨迹追踪法进行校正,按照轨迹坐标对数据进行重采样获得同一目标的干涉序列信号并校正横向尺寸变形。并利用干涉立方体的投影图像对运动误差校正效果进行评估。     

干涉成像光谱仪光通量的计算与分析

论述了干涉成像光谱技术的工作原理,采用光线追迹的方法对基于Sagnac棱镜和Savart偏光镜的干涉仪中的光线传播规律进行了分析,推导出了无狭缝式干涉成像光谱仪光通量的精确理论计算公式,并对干涉成像光谱仪中具有代表性的Savart型偏振干涉成像光谱仪光通量和改型Sagnac成像光谱仪光通量进行了分析比较.通过计算机模拟给出了系统光通量随入射角和波长变化的关系曲线.该研究对干涉成像光谱仪的研究和工程化研制具有重要的指导意义. 关键词： 干涉成像光谱仪 光通量 透射比     

新型偏振干涉成像光谱仪中Savart偏光镜透射率的研究

Savart偏光镜是自行研制的新型稳态偏振干涉成像光谱仪中的核心部件，阐述了该Savart偏光镜的分光机理.基于电磁场边值条件，分析了入射面与Savart偏光镜左板主截面重合及垂直时，光透过Savart偏光镜各界面的反射和折射，得出了各界面透射系数的表达式以及Savart偏光镜透射率的理论计算公式.采用计算机模拟，给出了Savart偏光镜透射率随视场角和波长的变化曲线，并与研制的Savart偏光镜实验测试结果进行了分析比较，两者变化规律相符. 表明该Savart偏光镜具有大视场、高通量的显著特点，适宜作为静态干涉仪和稳态偏振干涉成像光谱仪的高效横向剪切分束器. 这为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及仪器研制提供了重要的理论依据.     

窗扫型成像光谱仪数据处理及误差校正研究

窗扫型傅里叶变换成像光谱仪具有高光通量和无动镜等特点,同时也增加了数据处理的难度,需要对采集的原始干涉图进行重组。通过对其数据处理流程特点的分析,设计了一种归一化算法,对由干涉图重组时产生的误差进行了校正,并对在数据采集过程中干涉图的中心暗纹位置的采样误差进行了二次曲线拟合校正。整个数据处理过程实现了从干涉数据立方体到光谱数据立方体的变换。从理论分析和实验结果的比较中验证了误差校正方法的有效性。