空间外差光谱技术的发展与应用

　　1　引　　言

　　空间外差光谱技术(SHS-Spatial HeterodyneSpectroscopy)是20世纪70年代提出,90年代发展起来的一种新型可实现超光谱分辨的光谱分析技术。近年来,随着空间技术、计算机技术、传感器技术、光学加工等技术的发展,空间外差光谱技术得到了快速的发展,并开始从基础研究向应用研究发展。本文主要介绍该技术的发展状况及其在相关领域,并对其发展趋势进行了简单的分析。

　　2　空间外差光谱技术

　　空间外差光谱仪的光学系统结构如图1所示,衍射光栅G1、G2代替了传统迈克尔逊干涉仪中的两个平面反射镜。光束进入光櫊A,经透镜L1准直后入射到分束器上,分束器将入射光分为强度相等的两束相干光:一束经分束器反射后入射到光栅G1上,并经G1衍射后返回;另一束透过分束器入射到光栅G2上,经G2衍射后返回分束器。两束出射光在出射面上形成干涉条纹,并由光学成像系统L2、L3成像在探测器I上。通过记录不同位置处的干涉条纹函数,并通过一定的算法即可计算出待测的光谱曲线。

　　空间外差光谱技术综合光栅和FTS技术于一体,主要特点有[1]:干涉无需运动部件;采用光楔可实现扩视场;高光谱分辨率;光通量大;同步采集不同空间位置的干涉图信息;有成像能力;没有严格的波段限制(适用于紫外-红外)。此外,空间外差光谱仪还有集成度高、体积小、重量小、功耗小等特点。

　　3　空间外差光谱技术的发展与应用

　　3.1　SHS发展现状

　　空间外差光谱技术的概念最早提出于1971年,当时Dohi与Susuki采用全息胶片作为探测器进行空间外差光谱技术的实验研究[2]。随着相关技术的发展,该技术在20世纪90年代以后得到了快速发展。1990年,美国的J.Harlander与F.L.Roesler开始采用CCD探测器进行实用型SHS研究[3]。1991年,J.Harlander建立首台空间外差光谱实验室样机后,立即获得美海军、NASA等单位的重视,在星际暗物质探测[4]和中高层大气羟基探测[5]中首获支持。1999年,B.W.Smith等人开始进行红外(8~12μm)空间外差光谱仪的设计研究工作[6]。此外,加拿大于2004年也开始了空间外差光谱技术在中高层大气水汽遥感的应用研究工作[7]。

　　在国内,苏州大学在国家自然科学基金的支持下进行了空间外差光谱仪的理论基础研究(沈为民等[8],2000年),但没有系统装置和实验结果。中国科学院安徽光机所于2005年开始进行空间外差光谱技术研究,目前已完成可见光波段的实验台原理试验装置研制,并获得了超分辨空间外差光谱。表1是目前世界上主要的空间外差光谱仪装置及其性能参数比较。

3.2　SHS在大气遥感中的应用