干涉成像光谱仪的通量特性分析

　　0　引言

　　干涉成像光谱仪是现代科学仪器的前沿技术和发展趋势,它既可获取目标的图像信息,又可获取目标的光谱信息,从获得的光谱图像数据中能够直接反映出物质的光谱特征,从而揭示各种目标的光谱特性、存在状况以及物质成份[122].它的原理特点使得干涉成像光谱仪在很多领域具有广泛的应用.如军事目标图像及光谱辐射特性研究、土地资源考察、林业遥感、环境检测、农业应用等.在成像光谱仪的发展过程中,首先进入工程应用的是棱镜或光栅色散型成像光谱仪,但是随着航空航天事业的飞速发展,人们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.色散型成像光谱仪存在着能量利用率低等原理性缺陷,使这项技术的进一步发展受到阻碍.无动镜干涉成像光谱技术的发展近年来受到了前所未有的关注[324].这种新型成像光谱技术在原理上保留了高“能量通过力”的特点,并且可靠性和稳定性好、体积小、光谱分辨率适中、实时性好、光谱线性度高、光谱范围宽,特别适合在飞机和空间飞行器上搭载,已引起国际上广泛的重视[5].

　　本文针对所研制的大孔径静态干涉成像光谱仪的原理,对其高通量特性进行了分析,飞行试验结果也验证了这种成像光谱仪的高“能量通过力”的优点.

　　1　大孔径静态干涉成像光谱仪的原理

　　大孔径干涉成像光谱仪(LASIS)实际上是在一个普通照相系统中加入横向剪切分束器,使最终像面上得到的不再是目标的直接像,而是目标的干涉图像,如图1,系统由前置光学系统,横向剪切分束器、成像镜、CCD探测器组件、电子学系统和数据处理部分组成.当飞行器向前飞行时,可以得到地面景物的两维空间信息和一维光谱信息.“大孔径”的真实意义是这种成像光谱仪具有很高的能量利用率,也可以说它具有很高的探测灵敏度;“静态”指这种成像光谱仪中不依靠运动部件来获取光谱信息,稳定度高.每一成像时刻LASIS获得的图像都是由未经色散的“点”组成,其能量通过力特点与普通照相机相同,因此LASIS具有高通量的优点.其主要技术指标是,当飞机飞行高度为3 500 m时,地面成像宽度500 m,地元分辨率100 mm,光谱范围400 nm~1 000 nm,相对孔径1/3.图2为LASIS的屏幕样机图.

　　2　系统能量和信噪比计算

　　2.1　系统信噪比计算

　　影响干涉成像光谱仪信噪比的因素有信号强度和系统噪音.信号强度与光学系统的相对孔径、使用光谱范围、大气透过率、光学系统透过率、光学系统视场角、太阳高度角、探测器的像元大小、积分时间、量子效率等因素有关.噪音则主要包括系统的散粒噪音、暗电流噪音和电路噪音等.