才啟勝 黃旻 韓煒 劉怡軒 路向?qū)?/p>

(中國(guó)科學(xué)院光電研究院,計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094)

(2018年5月12日收到;2018年8月15日收到修改稿)

1 引 言

干涉光譜成像技術(shù)通過(guò)獲取的目標(biāo)干涉強(qiáng)度信息,經(jīng)過(guò)傅里葉變換等數(shù)據(jù)處理過(guò)程反演出目標(biāo)的光譜信息,因此又稱傅里葉變換光譜成像技術(shù).相對(duì)于色散型或?yàn)V光片型光譜儀,其具有高通量、多通道、高光譜分辨率等優(yōu)點(diǎn),已越來(lái)越多地應(yīng)用在遙感探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、大氣成分探測(cè)等方面.傳統(tǒng)干涉光譜成像技術(shù)中,干涉圖的采樣點(diǎn)數(shù)需滿足采樣定理,高光譜分辨率情況下干涉圖的采樣點(diǎn)數(shù)是巨大的,這將會(huì)增大探測(cè)器陣列的尺寸或系統(tǒng)的采樣時(shí)間.為了克服這一缺點(diǎn),從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,一種新型的干涉光譜成像技術(shù)——空間外差光譜技術(shù)(spatial heterodyne spectroscopy,SHS)受到了越來(lái)越多的關(guān)注與研究[1?9].SHS技術(shù)通過(guò)在干涉儀中加入特定的光學(xué)元件降低干涉圖的空間頻率,可以利用較少的采樣點(diǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)很高的光譜分辨率.雖然SHS技術(shù)具有極高的光譜分辨率,但其基于Michelson干涉儀,入射視場(chǎng)受到光譜分辨率的約束,其能量分布在一定波數(shù)范圍內(nèi)的各個(gè)通道上,探測(cè)靈敏度偏低.針對(duì)上述問(wèn)題,相里斌研究員等[10,11]提出了一種基于Sagnac干涉儀的大孔徑空間外差干涉光譜成像技術(shù)(LASHIS),該技術(shù)同樣采用外差探測(cè)原理實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率探測(cè),同時(shí),系統(tǒng)是點(diǎn)到點(diǎn)的完全成像系統(tǒng),沒(méi)有通光孔徑的限制,具有高光通量和高探測(cè)靈敏度的特點(diǎn).

不管是基于Michelson干涉儀的SHS技術(shù),還是基于Sagnac干涉儀的LASHIS技術(shù),探測(cè)的光譜范圍均較窄,這是由于探測(cè)器采樣點(diǎn)數(shù)的限制,光譜分辨率與光譜范圍是相互制約的,高光譜分辨率必然導(dǎo)致窄譜段范圍,寬譜段范圍必然會(huì)使分辨率降低.在實(shí)際應(yīng)用中,通常需要得到高的光譜分辨率和寬的譜段范圍,如在CO2等溫室氣體探測(cè)方面,需要對(duì)多個(gè)譜段進(jìn)行高光譜分辨率的探測(cè).典型的“嗅碳”衛(wèi)星有日本2009年發(fā)射的溫室氣體探測(cè)衛(wèi)星GOSAT(greenhouse gases observing satellite)[12,13],美國(guó)2014年發(fā)射的軌道碳觀測(cè)者2號(hào)OCO-2(orbiting carbon observatory-2)[14,15]以及中國(guó)2016年發(fā)射的全球CO2源匯監(jiān)測(cè)衛(wèi)星(TanSat)[16?18].為了精確反演CO2的濃度,需要探測(cè)多個(gè)譜段的高分辨率光譜曲線.主要探測(cè)譜段為:CO2強(qiáng)吸收帶(2.06μm),CO2弱吸收帶(1.61μm)以及O2-A帶(0.76μm)[19].上述“嗅碳”衛(wèi)星為了獲取不同譜段的高分辨率光譜曲線,采用了多臺(tái)高分辨率光譜儀對(duì)每個(gè)譜段分別進(jìn)行探測(cè),系統(tǒng)重量體積龐大.若能夠基于同一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)譜段的同時(shí)探測(cè),則可在保證探測(cè)譜段和光譜分辨率的同時(shí)極大地減輕系統(tǒng)體積和重量.

本文在LASHIS技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種多譜段探測(cè)方案,該方案在保留了LASHIS的高光譜分辨率、高探測(cè)靈敏度以及高穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,利用光柵的多級(jí)衍射特性,實(shí)現(xiàn)同一系統(tǒng)的多譜段同時(shí)探測(cè).該方案可極大地降低系統(tǒng)體積重量,且無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)特別適合于小型化機(jī)載或星載的高光譜探測(cè)需求.本文對(duì)該多譜段探測(cè)方案的基本原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述,進(jìn)一步給出設(shè)計(jì)實(shí)例,建立了光學(xué)系統(tǒng)模型,通過(guò)光線追跡的方法進(jìn)行干涉圖仿真與光譜復(fù)原,驗(yàn)證了該技術(shù)的正確性與可行性.

2 理論分析

2.1 大孔徑空間外差干涉光譜成像技術(shù)

LASHIS技術(shù)是在大孔徑靜態(tài)干涉光譜成像技術(shù)(LASIS)的基礎(chǔ)上加入了一對(duì)平行光柵從而實(shí)現(xiàn)波數(shù)外差的效果,使其在窄譜段范圍內(nèi)具有極高的光譜分辨率[20].LASHIS技術(shù)基本原理如圖1所示,主要包括:準(zhǔn)直系統(tǒng)(collimating lens)、橫向剪切干涉儀(interferometer)、成像系統(tǒng)(collecting lens)和探測(cè)器(detector).在橫向剪切干涉儀中加入了一對(duì)平行光柵Grating 1和Grating 2,兩光柵的刻線密度相同,刻線方向垂直于紙面且刻線平面互相平行.物面上某點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后成為平行光進(jìn)入干涉儀中,分束器將該平行光分為透射光和反射光兩路,兩路光經(jīng)過(guò)橫向剪切干涉儀平行出射,產(chǎn)生了一個(gè)橫向剪切量.隨后,兩路平行光經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)后在探測(cè)器上形成具有干涉強(qiáng)度調(diào)制的目標(biāo)點(diǎn)的強(qiáng)度信息.在成像過(guò)程中,探測(cè)器的不同位置處得到不同地物目標(biāo)點(diǎn)的不同光程差干涉信息,經(jīng)過(guò)推掃后得到目標(biāo)的完整干涉圖.

LASHIS在橫向剪切干涉儀中加入的一對(duì)平行光柵,使得系統(tǒng)得到的干涉圖具有了波數(shù)外差的特點(diǎn).由于光線經(jīng)過(guò)平行光柵對(duì)后,出射方向不變,僅產(chǎn)生橫向偏移,而不同波數(shù)的光衍射角不同,使得不同波數(shù)的光具有不同的橫向剪切量,這可從圖1中的紅色光線(虛線)與藍(lán)色光線(點(diǎn)劃線)的傳播路徑中看出,紅色光線與藍(lán)色光線代表不同波數(shù)的光線,經(jīng)過(guò)干涉儀后,藍(lán)色光線的橫向剪切量大于紅色光線的橫向剪切量.對(duì)于某一特定的波數(shù),橫向剪切量為零,該波數(shù)稱為外差波數(shù)(或基準(zhǔn)波數(shù)),其產(chǎn)生的干涉圖頻率為零.正是由于這種橫向剪切量隨波數(shù)變化的特點(diǎn),使得LASHIS得到的干涉圖產(chǎn)生外差的效果,降低了干涉圖的頻率,從而可以通過(guò)較少的采樣點(diǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)很高的光譜分辨率.

光線經(jīng)過(guò)干涉儀后的干涉圖表達(dá)式與兩束光的橫向剪切量相關(guān).LASHIS的橫向剪切量由兩部分組成,一部分與波數(shù)有關(guān),由平行光柵對(duì)引入;另一部分是反射鏡Mirror 1偏離Mirror 2關(guān)于分束器的鏡像位置所引入的,該部分與LASIS的橫向剪切量相同.對(duì)于軸上光線,平行光柵對(duì)引入的橫向剪切量如圖2所示,由于兩個(gè)光柵互相平行,光線經(jīng)過(guò)平行光柵對(duì)后傳播方向不變,只是產(chǎn)生一個(gè)橫向偏移,偏移量為

式中σ為入射光波數(shù);b為平行光柵對(duì)的間距;α為光線在光柵上的入射角;β為衍射角,由光柵方程確定:

其中m為衍射級(jí)數(shù);g為光柵刻線密度.

圖2 平行光柵對(duì)引入的橫向剪切量Fig.2 .The lateral shearing introduced by the parallel gratings.

將(2)式代入(1)式,可得

式中p,q為與光柵對(duì)參數(shù)和入射角相關(guān)的兩個(gè)參數(shù).由(3)式可以看出,在光柵的入射角α變化量較小即入射干涉儀的視場(chǎng)較小情況下(通?！??內(nèi)),且光譜范圍較窄時(shí),平行光柵對(duì)引入的橫向剪切量與波數(shù)的倒數(shù)成近似線性關(guān)系.

在橫向剪切干涉儀中,Mirror 1偏離Mirror 2的鏡像位置所引入的橫向剪切量為u,則總的橫向剪切量為

在小視場(chǎng)情況下,同一波數(shù)的光產(chǎn)生的橫向剪切量近似相同.其干涉圖的獲取需要經(jīng)過(guò)推掃提取特定目標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的不同光程差下的干涉強(qiáng)度值.通過(guò)推掃得到一系列目標(biāo)圖像后進(jìn)行圖像配準(zhǔn),隨后提取不同圖像序列中同一地物目標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度信息,即得到該目標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的干涉信息,其干涉圖的表達(dá)式為

式中B(σ)為入射光譜信息;f為成像鏡焦距;σ0=2q/(2p?u)為外差波數(shù);A=(2p?u)/f為一常數(shù).從(5)式可以看出,經(jīng)過(guò)近軸近似處理后,LASHIS的外差特點(diǎn)明顯地表現(xiàn)出來(lái):干涉圖的零頻分量不再對(duì)應(yīng)于零波數(shù),而是移到了σ0處.

若探測(cè)器像元大小為s,第0個(gè)像元與光軸的距離為φ,則第j個(gè)像元處接收到的干涉強(qiáng)度值為

進(jìn)行光譜復(fù)原時(shí),對(duì)(6)式進(jìn)行離散傅里葉逆變換,復(fù)原出的第k個(gè)離散光譜為

式中N為探測(cè)器的像素個(gè)數(shù),第k個(gè)離散光譜數(shù)據(jù)與波數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系由駐定相位原理確定.駐定相位原理指出,(7)式中的指數(shù)項(xiàng)為零時(shí),其求和才顯著不為零,即

由此可得,波數(shù)與第k個(gè)離散光譜數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

2.2 多譜段探測(cè)方案

多譜段探測(cè)方案是在LASHIS的基礎(chǔ)上,利用光柵的多級(jí)衍射性質(zhì),實(shí)現(xiàn)同一系統(tǒng)的多譜段同時(shí)探測(cè),拓寬系統(tǒng)的光譜范圍,其基本原理與LASHIS相類似,所不同的是此時(shí)的光柵為多級(jí)衍射光柵如中階梯光柵.如圖3所示,對(duì)于光柵的某一衍射級(jí)次m1,波數(shù)為σ1的入射光線經(jīng)過(guò)光柵衍射后產(chǎn)生的衍射角為

圖3 多級(jí)衍射平行光柵對(duì)Fig.3 .Parallel gratings with multistage dif f raction.

對(duì)于光柵的另一衍射級(jí)次m2,波數(shù)為σ2的入射光線經(jīng)過(guò)光柵衍射后產(chǎn)生的衍射角為

當(dāng)?shù)趍1級(jí)衍射光與第m2級(jí)衍射光的衍射角相同時(shí),兩個(gè)衍射級(jí)次所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光線傳播路徑完全重合,波數(shù)σ1與波數(shù)σ2的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)σ1所對(duì)應(yīng)譜段與σ2所對(duì)應(yīng)譜段的同時(shí)探測(cè).當(dāng)光柵存在多個(gè)衍射級(jí)次時(shí),可實(shí)現(xiàn)多個(gè)譜段的同時(shí)探測(cè).

對(duì)于某一探測(cè)譜段的光譜范圍、光譜分辨率等參數(shù)的確定方法與LASHIS相似,惟一的區(qū)別僅是衍射級(jí)次不同.需要注意的是,光譜儀系統(tǒng)對(duì)不同衍射級(jí)次的光譜范圍應(yīng)在所對(duì)應(yīng)衍射級(jí)次的自由光譜范圍之內(nèi),若衍射級(jí)次m1所對(duì)應(yīng)的光譜范圍為σ1min—σ1max,為了使其與衍射級(jí)次m2所對(duì)應(yīng)的譜段不重合,則應(yīng)保證

由于在干涉儀系統(tǒng)中,不同衍射級(jí)次的光混疊在一起,經(jīng)過(guò)干涉儀出射后,在探測(cè)器成像之前,需要進(jìn)行譜段解混,使不同的譜段成像在探測(cè)器的不同位置處或利用多個(gè)探測(cè)器接收不同譜段的干涉信息,主要的譜段解混方式有兩種.

1)濾光片解混

如圖4所示,在探測(cè)器前放置一濾光片陣列,濾光片不同條帶對(duì)應(yīng)不同透過(guò)率,每一個(gè)條帶可透過(guò)某一衍射級(jí)次的光,這樣,在探測(cè)器不同區(qū)域?qū)?yīng)了不同譜段的干涉圖樣,經(jīng)過(guò)傅里葉變換等數(shù)據(jù)反演流程后即可復(fù)原出不同譜段的光譜信息.該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,僅需在探測(cè)器前放置一濾光片陣列.缺點(diǎn)是無(wú)法獲取被測(cè)目標(biāo)完整譜段信息,這是因?yàn)樘綔y(cè)器不同位置對(duì)應(yīng)了不同譜段,而不同的位置也對(duì)應(yīng)了不同地物目標(biāo),因此某一地物目標(biāo)只能得到其單一譜段的光譜信息,為了獲取地物目標(biāo)的完整譜段信息,可將濾光片陣列重新編排,制作成類似于拜爾濾光片的形式,通過(guò)犧牲空間分辨率來(lái)獲取地物目標(biāo)的完整譜段光譜信息.

2)二向色分光鏡解混

二向色分光鏡與普通分光棱鏡不同,其可以選擇性地透過(guò)和反射不同波長(zhǎng)的光.二向色分光鏡解混方式如圖5所示,在干涉儀的出射光路中設(shè)置不同的二向色分光鏡,由干涉儀出射的混疊在一起的不同譜段的光經(jīng)過(guò)二向色分光鏡后,不同衍射級(jí)次所對(duì)應(yīng)的譜段被分開(kāi),隨后被不同的探測(cè)器所接收.與濾光片解混所不同的是,該解混方式通過(guò)多個(gè)探測(cè)器分別采集不同譜段的干涉信息,增加了硬件的數(shù)量,但可以得到目標(biāo)完整譜段的光譜信息.

圖4 濾光片解混Fig.4 .Multiband separation method by f i lter array.

圖5 二向色分光鏡解混Fig.5 .Multiband separation method by dichroic mirrors.

3 系統(tǒng)仿真與分析

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的譜段范圍和光譜分辨率與光柵和干涉儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān).對(duì)于多譜段探測(cè)而言,不同的譜段具有不同的衍射級(jí)次,在某一譜段內(nèi),將k=0代入(9)式,可得到該譜段內(nèi)的最大波數(shù),也是基準(zhǔn)波數(shù),將k=N/2代入可得該譜段內(nèi)的最小波數(shù),即

若已知系統(tǒng)參數(shù),由(14)式和(15)式即可得到系統(tǒng)譜段范圍;反之,若確定系統(tǒng)的光譜范圍則可以推導(dǎo)出系統(tǒng)參數(shù).

在某一譜段內(nèi)的平均光譜分辨率可由(16)式確定:

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)首先進(jìn)行光柵參數(shù)的選取,參考Thorlabs公司型號(hào)為GE2550-3263的階梯光柵,光柵刻線數(shù)為316 lines/mm,光柵面大小為25 mm×50 mm,閃耀角為63?.以鈉黃光發(fā)射峰附近的588 nm作為基準(zhǔn)波長(zhǎng),將入射光線和衍射光線設(shè)定在閃耀角附近以提高系統(tǒng)能量利用率,根據(jù)光柵方程,對(duì)于588 nm的光線選擇第9級(jí)衍射,將入射角設(shè)為51?,可計(jì)算出衍射角為63.52?.光柵對(duì)的間距設(shè)為80 mm,由(14)式可得干涉儀中反射鏡偏移量為55.034 mm.探測(cè)器像元大小為6.45μm,面陣大小為512×512,成像鏡焦距為320 mm,設(shè)計(jì)視場(chǎng)角為0.6?.根據(jù)探測(cè)器面陣大小,干涉圖雙邊采樣點(diǎn)數(shù)為512,由(15)式可計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)第9級(jí)衍射光的光譜范圍為588—592.18 nm,平均光譜分辨率為0.016 nm.利用光柵的多級(jí)衍射特性,選取光柵的8,9,10三級(jí)衍射光進(jìn)行探測(cè),由(12)式可計(jì)算出當(dāng)光柵工作在第8級(jí)和第10級(jí)時(shí)所對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)波長(zhǎng)分別為661.5 nm和529.2 nm,光譜范圍為661.5—666.20 nm和529.2—532.96 nm,平均光譜分辨率為0.018 nm和0.015 nm.設(shè)計(jì)的主要參數(shù)如表1所列.

上述參數(shù)設(shè)計(jì)中選取了8,9,10三個(gè)衍射級(jí)次的光進(jìn)行探測(cè),譜段1工作在第10衍射級(jí),譜段2工作在第9衍射級(jí),譜段3工作在第8衍射級(jí).實(shí)際探測(cè)過(guò)程中為避免其他衍射級(jí)次的干擾,需進(jìn)行屏蔽.對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)某一工作譜段,不僅會(huì)有所需衍射級(jí)次的光經(jīng)過(guò)平行光柵出射,還會(huì)存在其他衍射級(jí)次的光經(jīng)過(guò)光柵衍射后射出,形成雜散光.為避免雜散光進(jìn)入探測(cè)器,需在干涉儀內(nèi)部設(shè)置遮光元件,并在系統(tǒng)光路上設(shè)置光闌.另外,根據(jù)(12)式,其他譜段的光也可能經(jīng)過(guò)光柵的其他衍射級(jí)次在干涉儀中傳播,對(duì)于非系統(tǒng)工作譜段的光將由譜段解混中的濾光片或二向色分光鏡進(jìn)行屏蔽,避免非探測(cè)譜段內(nèi)的光線進(jìn)入探測(cè)器.

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 .Design parameters.

3.2 干涉圖計(jì)算與光譜復(fù)原

根據(jù)3.1節(jié)參數(shù)設(shè)定,計(jì)算鈉黃光的干涉圖像,鈉燈在589 nm和589.6 nm處有兩條相近的譜峰,這兩條譜峰落在系統(tǒng)的譜段2范圍內(nèi)即588—592.18 nm.根據(jù)(6)式的干涉圖表達(dá)式,計(jì)算得到探測(cè)器像面的干涉圖如圖6所示,截取其中一行得到的干涉圖如圖7所示.

圖6 理論計(jì)算的鈉燈干涉圖樣Fig.6 .The theoretical interferogram pattern of the sodium lamp.

圖7 理論計(jì)算的鈉燈單行干涉圖Fig.7 .One line of the theoretical interferogram for the sodium lamp.

根據(jù)(7)式對(duì)獲取的干涉圖進(jìn)行傅里葉逆變換,并結(jié)合駐定相位原理可以復(fù)原出輸入信號(hào)的光譜信息,反演出的原始光譜圖如圖8所示.

圖8 鈉燈干涉圖反演出的光譜Fig.8 .Recovered spectrum from the interferogram of the sodium lamp.

由圖8可知,理論計(jì)算得到的干涉圖反演出的光譜準(zhǔn)確地將鈉燈在589 nm與589.6 nm處的兩個(gè)峰復(fù)原出來(lái),同時(shí),反演出的光譜曲線兩個(gè)峰之間有36個(gè)光譜數(shù)據(jù)點(diǎn),由于兩個(gè)峰之間的波長(zhǎng)差為0.6 nm,可大致估計(jì)出在此處的光譜分辨率約為0.017 nm,與系統(tǒng)平均光譜分辨率0.016 nm相近.理論計(jì)算結(jié)果初步驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與光譜反演的正確性.

3.3 光學(xué)系統(tǒng)建模與仿真

本節(jié)將在ZEMAX的非序列模式下建立多譜段成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)模型,通過(guò)光線追跡得到該模型的干涉圖樣.

通過(guò)ZEMAX建?？梢栽趦x器進(jìn)行研制前獲得干涉圖樣的仿真圖,對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià).ZEMAX中建立的光學(xué)系統(tǒng)模型如圖9所示,其主要包括一個(gè)分束器(BS),一對(duì)平行光柵(Grating 1,Grating 2),兩個(gè)反射鏡(Mirror 1,Mirror 2),成像系統(tǒng)(imaging lens),兩個(gè)二向色分光鏡(dichroic mirror),和三個(gè)探測(cè)器(detector).平行光柵以及反射鏡的位置坐標(biāo)根據(jù)表1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定.將光柵對(duì)設(shè)定為多個(gè)衍射級(jí)次.成像系統(tǒng)首先在ZEMAX的序列模式下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),將優(yōu)化好的320 mm焦距成像系統(tǒng)導(dǎo)入到非序列模式中,組合成多譜段成像模型.入射光源選用ZEMAX非序列模式中的Source Two Angle光源,其具有準(zhǔn)直光束特性,可以設(shè)定準(zhǔn)直光束的光束大小與出射方向.利用此準(zhǔn)直光源可以省去前置準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng).不同譜段的光經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后被不同的探測(cè)器所采集.

圖9 ZEMAX中的光學(xué)系統(tǒng)模型Fig.9 .The optical model setup in ZEMAX.

設(shè)定光源的光譜特性為兩個(gè)波長(zhǎng)(589 nm和589.6 nm)的入射光,通過(guò)光線追跡的方法,對(duì)光源經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后的光線進(jìn)行追跡,可以發(fā)現(xiàn),由于光柵的多級(jí)衍射特性,使得光線經(jīng)過(guò)光柵衍射后產(chǎn)生多路衍射光,可通過(guò)遮光元件和光闌的設(shè)定避免其他雜散光的影響.對(duì)于鈉燈光源而言,真正被探測(cè)到的是光線經(jīng)過(guò)光柵對(duì)的第9級(jí)衍射光,最后在Detector Viewer中觀察探測(cè)器上追跡到的光線相干強(qiáng)度.追跡一定時(shí)間后,探測(cè)器上得到的干涉圖樣如圖10所示.

對(duì)比在光學(xué)系統(tǒng)模型中光線追跡得到的干涉圖樣和理論仿真獲得的干涉圖樣可以發(fā)現(xiàn),它們具有相同的空間頻率,截取其中某一行的干涉圖如圖11所示.

進(jìn)一步,對(duì)ZEMAX中得到的干涉圖進(jìn)行傅里葉逆變換并結(jié)合駐定相位原理復(fù)原出的光譜如圖12所示.

圖10 ZEMAX光線追跡得到的鈉燈干涉圖樣Fig.10 .The interferogram pattern of the sodium lamp traced from ZEMAX.

圖11 ZEMAX光線追跡得到的鈉燈單行干涉圖Fig.11 .One line of the interferogram of the sodium lamp traced from ZEMAX.

從ZEMAX光線追跡得到的干涉圖反演出的光譜圖中可以看出,其同樣將589 nm和589.6 nm的兩個(gè)峰復(fù)原出來(lái).ZEMAX光線追跡的結(jié)果與理論計(jì)算仿真結(jié)果的一致性初步驗(yàn)證了多譜段成像技術(shù)基本理論的正確性.

圖12 ZEMAX中光線追跡干涉圖反演出的光譜Fig.12 .Recovered spectrum from the interferogram traced from ZEMAX.

3.4 多譜段仿真與光譜復(fù)原

3.3節(jié)仿真了在588—592.18 nm單個(gè)譜段的干涉圖情況,本節(jié)將在三個(gè)譜段各設(shè)置一個(gè)波長(zhǎng),對(duì)多譜段情況進(jìn)行仿真.入射波長(zhǎng)設(shè)置為530,589,662 nm.此時(shí)不同譜段的光線經(jīng)過(guò)干涉儀出射后其干涉圖像混疊在一起,利用圖5所示的二向色分光鏡方法將不同譜段的干涉圖像分開(kāi),不同衍射級(jí)次所對(duì)應(yīng)的譜段被不同的探測(cè)器所接收.

通過(guò)ZEMAX光學(xué)模型光線追跡得到的在三個(gè)不同譜段內(nèi)三個(gè)不同波長(zhǎng)的干涉圖分別如圖13所示,提取相應(yīng)的干涉曲線,進(jìn)行光譜復(fù)原,復(fù)原結(jié)果分別如圖14所示.由干涉圖光譜復(fù)原結(jié)果可以看出,三個(gè)探測(cè)譜段均準(zhǔn)確的復(fù)原出了入射光譜信息,驗(yàn)證了系統(tǒng)多譜段探測(cè)的可行性.

圖13 不同波長(zhǎng)干涉圖 (a)530 nm;(b)589 nm;(c)662 nmFig.13 .Interferogram of dif f erent wavelength:(a)530 nm;(b)589 nm;(c)662 nm.

圖14 不同波長(zhǎng)干涉圖的復(fù)原光譜圖 (a)530 nm;(b)589 nm;(c)662 nmFig.14 .Recovered spectra from the interferogram of dif f erent wavelength:(a)530 nm;(b)589 nm;(c)662 nm.

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于LASHIS技術(shù)的多譜段成像技術(shù)方案,其在現(xiàn)有的基于Sagnac干涉儀的LASHIS技術(shù)中利用光柵的多級(jí)衍射特性,結(jié)合譜段解混,在保留了LASHIS的高光譜分辨率、高光通量?jī)?yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多譜段的同時(shí)探測(cè),拓展了系統(tǒng)光譜探測(cè)范圍.本文詳細(xì)論述了系統(tǒng)的基本原理、干涉圖表達(dá)式、光譜復(fù)原方法以及譜段解混方式等關(guān)鍵問(wèn)題,給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，并建立了光學(xué)系統(tǒng)模型進(jìn)行干涉圖仿真,仿真結(jié)果與理論計(jì)算相符合,驗(yàn)證了方案的正確性與可行性.基于LASHIS的多譜段成像方案所具有的高光譜分辨率、高探測(cè)靈敏度以及可實(shí)現(xiàn)同一系統(tǒng)的多譜段同時(shí)探測(cè)的特點(diǎn),尤其適合溫室氣體等高穩(wěn)定性、高探測(cè)靈敏度的多譜段高光譜探測(cè)應(yīng)用.