空间应用干涉成像光谱仪的研究

　　1　引　言

　　近十几年来遥感技术在太空探测、地球资源探测、环境灾害监测、海洋研究、军事侦察等方面获得了广泛的应用。成像光谱技术(Imaging spectrometry)作为一种新的遥感技术,提出于20世纪80年代初,二十多年来得到了飞速的发展,在航天航空遥感、工业、农业、生物医药、物质分析与分类、宇宙与天文探测、环境与灾害监测、大气探测以及军事应用等领域得到了十分广泛的应用。成像光谱技术能同时获得高空间、高光谱分辨力图像数据,且具有同时获得多个谱段信息的能力,通过的成像光谱仪探测到的目标的两维空间信息与一维光谱信息,可以形成数据立方体(Data cube)[1]。

　　2　成像光谱仪及其分类

　　成像光谱仪是成像光谱技术由技术转化为产品的结果,从原理上可分为色散型和干涉型两类。色散型成像光谱仪是利用色散元件(光栅或棱镜)将复色光色散,分成序列谱线,然后再用探测器测量每一谱线元的强度。干涉型成像光谱仪是同时测量所有谱线元的干涉强度,对干涉图进行逆傅里叶变换而得到目标的光谱图。

　　成像光谱仪还可以分为以下几类: (1)从光谱分辨力来分,分为多光谱(multispectral,几个或几十个谱段)、高光谱(hyperspectral,100至几百个谱段)、超光谱(ultraspectral,上千个或几千个谱段)三类。(2)从分光原理来分,分为棱镜色散(prism)、光栅衍射(grating)、滤光片(filter)和干涉(interferometer)四类。(3)从重构理论来分,分为直接、傅里叶变换(Fourier transform)、层析(computed tomography)三类。(4)从调制方式来分,分为空间调制(spatially modulated)、时间调制(temporary modulated)、联合调制三类。

　　成像光谱技术将成像技术与光谱技术结合在一起,与普通相机最大区别是在获取目标的二维空间信息的同时,也获得了目标的光谱信息。如图1所示,通过扫描获得一维空间信息和光谱信息,通过另一维的空间扫描获得另一维的空间信息,以此获取数据立方体。

　　3　干涉成像光谱仪及其原理

　　从上个世纪90年代起,干涉型成像光谱仪取得了长足发展,干涉型成像光谱仪在军事、民用上的应用也越来越广泛。干涉型成像光谱仪从其调制方式上来说又可以分为:时间调制、空间调制和联合调制三种类型[2]。

　　干涉成像光谱仪通过相干光的干涉得到干涉图,进而对干涉图进行傅里叶变换得到需要的光谱信息。最简单的干涉光谱仪是Michelson干涉仪,它于1881年由美国著名物理学家Michelson发明,其基本结构如图2所示。

　　由图2可看出,一束振幅为a、波数为v的理想准直的单色光束,经过准直镜投射到倾角为45°的理想的分束器BS(Beamsplitter)上,BS的反射率为r,透射率为t,它使单色光分为振幅为ra的反射光和振幅为ta透射光。这两束光线经过定镜(Fixed mirror)和动镜(Moving mirror)反射后又回到BS,并第二次经过分束器形成两束相干光,其中一束返回光源,另一束沿与入射方向垂直的方向传输并在成像平面上成像,干涉强度值由公式(1)得到[3]: