背景介紹
成像光譜 是指在一個連續光譜段上獲取大量窄波段遙感圖像的技術,這種成像可以通過對光譜圖像進行重建以提取出圖像上的目標信息,將傳統的遙感成像技術和物理中的光譜分析技術有機結合起來,從而為目標的光譜識別奠定基礎。干涉成像光譜技術是利用干涉圖與光譜圖之間的對應關係,通過測量離散干涉圖並對干涉圖進行傅立葉積分變換計算,反演得到光譜圖,從而獲取光譜信息。
成像光譜技術
成像光譜技術經歷了從色散型成像光譜技術向干涉型成像光譜技術發展的過程。成像光譜儀最先出現時,一般都是色散型的。色散型成像光譜儀由於出現時間較早,因此技術比較成熟,曾一度占據實用化成像光譜儀的
圖1 色散型成像光譜儀 主要地位。色散型成像光譜儀使用色散稜鏡或光柵等色散元件將複色光色散分成序列譜線,然後再通過探測器測量每一譜線元的譜線強度,見圖1。這種成像光譜儀雖然結構簡單,成像直觀,但它具有明顯的局限性,即它們的光譜解析度容易受到狹縫寬度的限制。色散型成像光譜儀的光譜解析度很難做到5nm以下,如想獲得更高的光譜解析度,則會使光通量顯著降低,信噪比也會降得比較低。
計算層析型成像光譜技術
隨著計算機科學技術的快速發展,出現了計算層析型成像光譜技術(computed-tomography imaging speetrometer,簡稱CTIS),它是一種新型的成像光譜技術,目前還處於理論和方法研究階段。把計算層析術(CT)套用於成像光譜儀領域的思想早在上世紀90年代初期就由日本及俄羅斯的學者提出。在此之後,包括我國在內的世界各國科學家紛紛在該方向上開展研究。現有的CTIS的基本原理可以概括為:一個沿三維方向分布(二維空間和一維光譜)的多光譜圖像數據的立方體,可以壓縮或投影成沿二維方向分布(一維空間和一維光譜)的多光譜光學圖像序列;這些被壓縮的二維多光譜光學圖像序列由一個或多個二維焦平面感測器接收;最後採用CT重建算法將壓縮的二維多光譜光學圖像序列重建為原始目標的光譜圖像數據立方體。由於它要求圖像感測器的像元數十分龐大,並且要求計算速度更快的計算機。雖然這種成像光譜技術能夠在瞬間獲取目標更高的光通量,由此在未來可能具有很大的發展前景,但現如今受成本和技術因素的雙重影響,短時間內發展這種成像光譜技術還不太容易。
干涉型成像光譜技術
干涉型成像光譜技術介於色散型和計算層析型成像光譜技術之間,也稱傅立葉變換成像光譜技術,它基於干涉圖與光譜圖之間的傅立葉變換關係,即對干涉圖進行傅立葉變換可以得到光譜圖,對光譜圖進行傅立葉變換也可以得到干涉圖。這樣就在干涉圖和光譜圖之間架起了聯繫的橋樑,這對於成像光譜技術的發展可以說是革命性的。因為根據傅立葉變換原理製作的干涉成像光譜儀,具有比色散型成像光譜儀更高的光譜解析度和更高的能量通過率。與色散型成像光譜儀相比,干涉型成像光譜儀在原來上比色散型成像光譜儀通量要高200倍左右,光利用率提高約1一2個數量級。干涉型成像光譜技術己經在多方面得到套用,並成為國際上各國家競相發展的一項重要核心技術。
干涉成像光譜技術原理
干涉型成像光譜儀從原理 上來劃分,可以分為兩大類。一類是基於麥可遜(Miehelson)干涉儀的時間調製型干涉成像光譜儀(TemPorarily Modulated ImagingInterferometery,簡稱TMll),另一類是基於橫向剪下干涉儀的空間調製型干涉成像光譜儀(spatiall yModulated imaaging Interferometeery,簡稱sMll)。前者主要是依靠動鏡掃描產生干涉圖,後者主要是依靠探測器的陣列掃描產生干涉圖。
時間調整型干涉成像光譜
圖2 基於麥可遜時間調整型干涉成像光譜儀 基於麥可遜干涉儀的時間調製型干涉成像光譜儀中,其基本結構需要有一套高度精密的動鏡驅動系統控制動鏡勻速、水平移動,以得到時間序列干涉圖。因此,這類成像光譜儀對機械結構的加工精度和傳動精度具有非常苛刻的要求。另外,雖然其光譜解析度可以達到比較高的水平,但是它的抗震動能力差、實時性不好、成本高。
基於麥可遜干涉儀的干涉成像光譜儀其核心部件裝置如圖2所示。它使用麥可遜方法,通過動鏡的移動,產生目標光譜像元的時間序列干涉圖。它的工作原理是,前置望遠系統Ll將待測目標T成像在透鏡L:的前焦面S處,由像面S上任一像元向前傳播光譜輻射,經透鏡L:後變成平行光束;平行光束入射到分束器BS後,光線被分成兩束,一束經分束器飯時候照射在靜鏡上,另一束透過分束器照射到動鏡M:上;從動鏡和靜鏡反射回來的二平行光束,經分束器和透鏡L3會聚後成像在CCD探測器上,形成干涉圖。通過動鏡的移動,產生目標的時序干涉圖。對CCD探測器上每一像元得到的時序干涉圖進行傅立葉變換,即可得到目標T的光譜圖。
時間調製型干涉成像光譜儀優點在於容易獲得較寬的光譜信息以及高的光譜解析度,特別適合於遠紅外光譜的測量。但它在成像時,需要進行二維掃描,探測器的積分時間相對較短,不利於信噪比的提高。並且由於目標面像元的干涉圖是通過時間調製獲得的,所以不能測量迅速變化的空間和光譜,而只能測量不隨時間變化或緩慢變化光譜。基於時間調製干涉成像光譜儀的這些缺點的存在,國際上逐漸催生了空間調製型干涉成像光譜儀的發展。
空間調整型干涉成像光譜
圖3 空間調製成像光譜儀 上世紀90年代以來,空間調製型干涉成像光譜技術 的出現,很好的解決了時間調製型干涉成像光譜儀的缺點,在大大降低製造成本的同時,還能使其具有能探測的波段更寬、抗振性能更佳、體積更小及更穩定可靠等優點。
基於橫向剪下干涉儀的空間調製型干涉成像光譜儀（圖3）,按照分光元件的不同可以分為兩種類型:一種是以變形的sagnac干涉儀為分光元件，另一種是以雙折射晶體為分光元件。這類成像光譜儀系統中沒有運動部件,穩定性強,實時性好,因此又被稱為無動鏡干涉成像光譜技術。
Sagnac型成像光譜儀原理圖 Sagnac 干涉儀是利用光在反射體和分束板上的反射、透射, 將一束光剪下為兩束的。
雙折射晶體型空間調製干涉成像光譜儀 雙折射晶體是利用一束線偏振通過晶體時產生尋常光和非尋常光的雙折射特性, 把一束光剪下成兩束的。
空間調製干涉成像光譜儀的主要特點可歸結為： 沒有運動部件, 穩定性強, 實時性好, 同時可獲得每個點的干涉圖；狹縫寬度不影響光譜解析度, 而只決定空間解析度的要求, 在滿足空間解析度的前提下,狹縫寬度可以 儘可能的大, 從而具有大視場和高通量的優點。
空間調製干涉成像光譜儀儘管具有多種優點,並且在多個國家得到研究和套用,但由於它還存在著狹縫,這會降低進入光譜儀的光通量。
國內外研究進展
八十年代後期 以來,無動鏡干涉光譜技術的研究出現了高潮,這一技術的 出現得到了美國、 日本及歐洲許多國家的高度關注。目前空間調製干涉成像光譜技術的發展方向,是在獲得了於涉圖和光譜圖的基礎上, 正朝著成像和提高解析度的方向,朝著高穩態、 大視場、 高通量的方向發展。 九十年代末期，出現了一些改進裝置和研究成果。
• 基於雙折射晶體分光元件的光譜儀
• 基於變形的Sagnac干涉儀 的干涉成像光譜儀
套用前景
干涉成像光譜技術是當代可見光紅外遙感器的前沿科學,有著廣泛的套用 前景。 它可用於天文物理研究；地球資源考察 ； 監視大氣污染；森林火災 ； 水澇災害;病蟲害預報與防治；還可用於大氣物理、地球科學研究等。
干涉成像光譜技術是近年來發展起 的一項高新科技, 它的諸多優點和套用前景受到了國際成像光譜界普遍重 視。可以預見, 靜態 、高通量、高解析度的干涉成像光譜技術必將成為21世紀成像譜技術的代表。
