胡炳樑

（中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119）

0 引言

光譜成像技術(shù)能夠得到被測目標(biāo)在兩個維度上的空間信息和一個維度上光譜信息，根據(jù)其分光技術(shù)原理的不同，可以分為色散型、濾光片型以及干涉型等。棱鏡和光柵都是典型的色散型元器件，可以對寬光譜進(jìn)行窄帶選擇，牛頓通過棱鏡把太陽光分成由紅色到紫色依次排列體現(xiàn)的是最簡單的色散原理；帶通濾光片陣列、線性漸變?yōu)V光片、液晶可調(diào)諧濾光器以及聲光可調(diào)諧濾波器等都屬于濾光片型光譜成像技術(shù)范疇，其實質(zhì)也是對寬光譜進(jìn)行窄帶選擇；干涉型光譜成像技術(shù)是一種間接獲取目標(biāo)光譜信息的方法，是光譜成像技術(shù)的一個重要分支，其基本原理是利用干涉圖與光譜圖之間的對應(yīng)關(guān)系，通過對探測器上得到的離散干涉圖樣實施傅里葉積分?jǐn)?shù)學(xué)運(yùn)算、反演得到光譜圖，進(jìn)而得到被測目標(biāo)的光譜信息［1］。與傳統(tǒng)色散型光譜成像技術(shù)相比較，干涉型光譜成像技術(shù)具有波數(shù)精度高、雜散光影響較低、光譜測量范圍寬以及結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點，引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

干涉光譜成像技術(shù)從分光原理可以分為多光束干涉和雙光束干涉。大部分多光束干涉系統(tǒng)都基于Fabry-Perot 干涉儀，這種類型的光譜儀可以實現(xiàn)較高的光譜分辨率，但是系統(tǒng)的視場角不大，而且系統(tǒng)裝調(diào)難度也較高［2］；雙光束干涉是目標(biāo)輻射光譜分布的傅里葉變換，兩束相干光之間的光程差不斷發(fā)生變化時，探測器記錄干涉條紋光強(qiáng)的變化情況，即干涉圖，然后對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到光譜圖，由于雙光束干涉的光譜儀具有諸多顯而易見的優(yōu)點，所以其具有良好的發(fā)展基礎(chǔ)和應(yīng)用前景［3］。1880 年，美國物理學(xué)家MICHELSON A A 首次發(fā)明了以自己名字命名的干涉儀——邁克爾遜干涉儀（Michelson 干涉儀）［4］，設(shè)計初衷是用于精確測定光速。20 世紀(jì)50 年代后，英國的FELLGETT P 第一次將干涉圖進(jìn)行傅里葉積分變換、數(shù)學(xué)計算獲得了的光譜圖［5-7］。其實干涉光譜成像技術(shù)真正意義上得到大力發(fā)展始于1957 年的國際干涉分會。隨著計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及陣列探測器技術(shù)的不斷提高，直到大面陣探測器出現(xiàn)以后，干涉光譜成像技術(shù)才得以迅速推進(jìn)并在很多應(yīng)用場景中得到廣泛應(yīng)用［8-10］。

干涉光譜儀在原理上具有多通道、高通量以及高波數(shù)精度等基本優(yōu)點［11］。1948 年，法國科學(xué)家JACQUINOT P 首先指出邁克爾遜干涉儀具有高通量優(yōu)點，即亞基諾優(yōu)點（Jacquinot 優(yōu)點）［12］。傳統(tǒng)帶有狹縫的色散型光譜成像儀利用棱鏡、光柵等色散光學(xué)元器件把入射的復(fù)色光色散形成離散準(zhǔn)單色譜線。然而，傳統(tǒng)帶有狹縫的色散型光譜成像儀都擁有限制入射光的狹縫，狹縫的寬度影響光譜儀的分辨率和光通量，狹縫寬度越小，進(jìn)入儀器的光通量就越少，而干涉型光譜儀同時測量所有入射光的干涉強(qiáng)度，所以其具有高通量的優(yōu)點。1951 年，F(xiàn)LLGETT P 指出雙光束干涉儀存在多重傳輸?shù)膬?yōu)點，即費(fèi)爾格優(yōu)點（Fllgett 優(yōu)點），干涉光譜儀與傳統(tǒng)的色散型光譜儀相比較，從光譜信息獲取方式上來看具有多通道優(yōu)點。假設(shè)儀器的最小光譜分辨率為δν，在某一個時間段t內(nèi)測定一個譜段寬度為Δν=ν2-ν1的光譜間隔，則整個譜段寬度被分為M=Δν/δν個光譜元。如果采用傳統(tǒng)帶有狹縫的色散型光譜儀器，被測光譜單元只能依次通過狹縫，即在每一個時刻只能測定一個特定的光譜單元，而目標(biāo)輻射的其它能量不能在這一時刻通過狹縫。相反，在干涉光譜儀中，目標(biāo)輻射的所有能量同時通過儀器在探測器上形成干涉圖。每一個光譜元都受到全部時間的測定，即每一個光譜單元被測量的時間比色散型儀器多M倍，由噪聲理論可知，儀器信噪比與譜元被測的時間平方根成正比，這正是多通道帶來的優(yōu)點。同樣，以法國物理學(xué)家Connes 名字命名了波數(shù)高精度優(yōu)點，當(dāng)干涉儀動鏡定位不精確時，經(jīng)過傅里葉變換復(fù)原的光譜中會出現(xiàn)鬼線，為了消除這些鬼線，使用激光作為參考光源，根據(jù)激光干涉條紋標(biāo)定干涉儀動鏡的位移量，進(jìn)而使干涉光譜儀得到更為準(zhǔn)確的光譜波數(shù)。干涉光譜儀還有諸如雜散光影響小、分辨本領(lǐng)高、自由光譜區(qū)寬等一系列優(yōu)點。正是因其具有色散型光譜技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，干涉光譜技術(shù)才能夠高速發(fā)展，尤其在可見、紅外波段的遙感領(lǐng)域，已經(jīng)逐漸成為高分辨探測的強(qiáng)有力工具。多年來，國內(nèi)諸多研究單位，例如中國空間技術(shù)研究院、中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械所、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、中北大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京理工大學(xué)等，緊跟國際步伐，一直從事干涉光譜成像技術(shù)方面的研究工作，已從理論計算、仿真模擬、實驗驗證、工程樣機(jī)過渡到了航天型號載荷，在該領(lǐng)域積攢了寶貴的研究經(jīng)驗。由于產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不同，導(dǎo)致研究的側(cè)重點也不同，例如中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所立足于遙感科技前沿，側(cè)重于大氣光學(xué)、環(huán)境光學(xué)等領(lǐng)域；中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所對對干涉儀系統(tǒng)有詳細(xì)研究，近年來成果累累，很多載荷產(chǎn)品都為國家社會做出了卓越貢獻(xiàn)；中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械所是我國在干涉光譜成像技術(shù)方面最早的研究單位之一，先后研制了基于四連桿—精密凸輪角鏡的干涉光譜成像儀、基于變形Sagnac 干涉儀的空間調(diào)制型干涉光譜成像儀、大孔徑靜態(tài)干涉光譜成像儀、寬譜段多普勒差分干涉光譜儀、反射轉(zhuǎn)鏡式紅外干涉光譜儀、楔形棱鏡掃描時間調(diào)制型干涉光譜儀以及基于Savart 板的偏振干涉光譜成像儀等多種調(diào)制類型的干涉儀，多年來，在此領(lǐng)域作了許多開創(chuàng)性的研究工作，一些研究成果已達(dá)到國際先進(jìn)水平，并成功應(yīng)用于環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、大氣污染和海洋遙感、空間與天文等領(lǐng)域。

干涉光譜成像技術(shù)按照光程獲取方式的類型可以分為時間調(diào)制、空間調(diào)制以及時空聯(lián)合調(diào)制三種類型。時間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)是通過連續(xù)改變相干光的光程差，進(jìn)而對出射光束進(jìn)行調(diào)制，使不同波長的光分解成不同譜元；空間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)是將不同波長的光分布在空間的不同方向或位置上；時空聯(lián)合調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)前置光學(xué)系統(tǒng)中不存在狹縫，探測器上獲得受到干涉調(diào)制的目標(biāo)圖像，然后通過機(jī)載或星載方式推掃系統(tǒng)，得到被測目標(biāo)的完整干涉信息。三種調(diào)制方式的干涉光譜成像技術(shù)盡管來自同源，但由于目標(biāo)經(jīng)過干涉儀后獲取干涉信息的光學(xué)原理過程不同，因此在光能量傳遞和信噪比上存在一定程度的區(qū)別。本文按照光程獲取方式，主要綜述三種不同調(diào)制類型的光譜成像技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展情況。

1 時間調(diào)制型干涉光譜成像儀

時間調(diào)制型干涉光譜成像儀通過干涉儀中動鏡移動引起雙光束之間產(chǎn)生連續(xù)變化的光程差，探測器記錄所有連續(xù)變化光程差的時間序列，除了具有多通道、雜散光低等優(yōu)點外，時間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)還具有高探測靈敏度、高光譜分辨率、高波數(shù)準(zhǔn)確度等色散型光譜儀無可比擬的突出優(yōu)點。因而經(jīng)常被用來探測微弱信號，在天文星系探測、大氣環(huán)境污染監(jiān)測、天氣預(yù)報以及精密化學(xué)組分分析等領(lǐng)域具有廣泛的用途和深遠(yuǎn)的影響。基于Michelson 干涉儀的時間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)于20 世紀(jì)80 年代逐漸開始發(fā)展，法國太空空間與戰(zhàn)略系統(tǒng)分部和美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室先后于1991 年、1995 年分別研制出了時間調(diào)制型干涉光譜成像儀原理樣機(jī)［13-14］。由于這種類型的干涉儀需要高穩(wěn)定可靠的動鏡掃描機(jī)構(gòu)，在應(yīng)用上受到很大限制，為此很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并提出了一系列改進(jìn)型掃描機(jī)構(gòu)［15-20］。按照干涉儀動鏡運(yùn)動方式和光程差產(chǎn)生的方式，時間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)的掃描機(jī)構(gòu)又分為直線運(yùn)動形式、擺動運(yùn)動形式以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動形式三種具有代表性的掃描機(jī)構(gòu)。

1.1 直線運(yùn)動形式

通過往復(fù)移動動鏡產(chǎn)生等厚干涉或等傾干涉的邁克爾遜干涉儀是典型的直線運(yùn)動式干涉光譜儀，其光學(xué)原理示意如圖1 所示。這種經(jīng)典的干涉光譜儀光路中無狹縫，與傳統(tǒng)的色散型光譜成像儀相比較，其光能利用效率至少高兩個數(shù)量級［21，22］。系統(tǒng)中的分束器是干涉儀的核心部件，主要作用是將帶有目標(biāo)信息的入射光分成反射光與透射光，分別經(jīng)過動鏡與靜鏡反射后再次經(jīng)過分束器被后置成像鏡組聚焦在探測器上產(chǎn)生干涉，動鏡的主要作用是使這兩束光之間產(chǎn)生光程差，通過對探測器接收到的干涉圖進(jìn)行解析得到被測目標(biāo)的光譜信息。這種雙平面鏡直線型干涉光譜儀的性能主要取決于干涉系統(tǒng)中動鏡和定鏡的準(zhǔn)直精度，當(dāng)系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時，作往復(fù)直線運(yùn)動的動鏡必須與定鏡的平面保持嚴(yán)格正交，如果動鏡相對于定鏡產(chǎn)生傾斜，即動鏡和定鏡對分束器的鏡像不再保持平行，會導(dǎo)致干涉系統(tǒng)調(diào)制度降低，進(jìn)而引起相位誤差。一般采用自適應(yīng)動態(tài)準(zhǔn)直系統(tǒng)控制動鏡與靜鏡的相對傾斜角度在一個合理范圍內(nèi)。干涉儀的驅(qū)動電機(jī)一般采用音圈直線電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動速度快以及定位精度高等優(yōu)點。采集信號時需要直線電機(jī)勻速運(yùn)動，所以通常在干涉儀光路中引入速度反饋，例如利用相干光源（激光）的干涉信號作為標(biāo)定動鏡速度的參考，通過檢測激光干涉信號的正弦波，濾波后經(jīng)過過零檢測得到與之同相位邏輯方波信號，該邏輯方波信號可作為直線電機(jī)的速度反饋。

圖1 經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀光學(xué)原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of optical principle of classical Michelson interferometer

隨著科技進(jìn)步，經(jīng)典的Michelson 干涉儀已出現(xiàn)很多變體，但是在技術(shù)原理上都需要一套直線精度很高的動鏡控制單元，使得干涉儀的穩(wěn)定性降低，而且工藝變得更加復(fù)雜，進(jìn)而給系統(tǒng)研制帶來了諸多技術(shù)難題，最重要的是不能從根本上有效解決平面動鏡在移動過程中引起的傾斜和剪切問題，最終導(dǎo)致干涉圖產(chǎn)生相位誤差以及干涉調(diào)制嚴(yán)重度退化。尤其是探測速度慢，想要得到一幅干涉圖，干涉儀的動鏡需要運(yùn)動一個完整的周期，如果用于高速光譜測量，那么對探測幀頻要求也很高。過去幾十年，國內(nèi)外很多科研學(xué)者對時間調(diào)制的Michelson 干涉光譜技術(shù)進(jìn)行了大量研究。1948 年，PECK E R 基于傳統(tǒng)Michelson 干涉儀，提出一種變形結(jié)構(gòu)，將干涉儀中的定鏡和動鏡都用角反射鏡替代，由于角反射鏡的固有特性，其三個面互相垂直，與入射光嚴(yán)格成180°平行方向出射，目標(biāo)輻射依次經(jīng)過前置光學(xué)系統(tǒng)和分束器后被分為透射光束和反射光束，然后分別經(jīng)過角反射鏡后原路返回在探測器上產(chǎn)生干涉，雖然角反射鏡的偏轉(zhuǎn)和傾斜不會引起光束偏折，但是角反射鏡的頂點會發(fā)生橫移，使得軸外光線產(chǎn)生附加光程差，從而導(dǎo)致干涉圖產(chǎn)生相位誤差，干涉儀光學(xué)原理示意如圖2 所示［23］。1960 年，MURTY M 提出一種新的干涉技術(shù)方案，其光學(xué)原理如圖3 所示，為了降低傳統(tǒng)Michelson 干涉儀動鏡引入的誤差，在傳統(tǒng)Michelson 干涉儀中的動平面鏡一端增加一個角反射鏡，使平面反射鏡靜止，通過移動角反射鏡產(chǎn)生4 倍的折疊光路，研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以有效降低動鏡驅(qū)動引入的誤差和系統(tǒng)的研制難度［24］。

圖2 基于雙角反射鏡的邁克爾遜干涉儀光學(xué)原理示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of Michelson interferometer based on two corner cubes

圖3 基于角反射鏡和平面反射鏡的邁克爾遜干涉儀原理示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of Michelson interferometer based on corner cube and mirror

法國國家科學(xué)研究院和以色列特拉維夫大學(xué)于2009 年合作開發(fā)了用角反射鏡代替Michelson 干涉儀平面鏡的時間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀，通過動鏡直線掃描，在5～7 μm 的光譜范圍內(nèi)取得了10 cm-1的光譜分辨率［25］。2013 年美國空間動力實驗室和美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）蘭勒研究中心聯(lián)合開發(fā)了基于Michelson 干涉儀的用于在大氣對流層測地球熱輻射光譜的長波紅外傅里葉變換光譜儀［26-27］，在100～1 000 cm-1的光譜范圍內(nèi)擁有高達(dá)0.65 cm-1的光譜分辨率。國外很多公司研制的干涉儀光譜儀，其商業(yè)化產(chǎn)品已經(jīng)擁有很高的光譜分辨率，像德國Bruker 公司生產(chǎn)的商業(yè)光譜儀的光譜分辨率已達(dá)到0.000 9 cm-1。國內(nèi)很多科研學(xué)者對基于時間調(diào)制的直線型干涉光譜成像技術(shù)做了詳細(xì)深入的研究。我國主要是從20 世紀(jì)70 年代后期開始引進(jìn)干涉式光譜儀，受限于該類型儀器的技術(shù)難度，多年來一直依靠進(jìn)口，商用化程度很低。直到2016 年，我國發(fā)射了“風(fēng)云四號”，其上搭載了一臺中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的時間調(diào)制型干涉式大氣垂直探測儀（Geosynchronous Interferometric Infrared Sounder，GIIRS），技術(shù)方案及實物結(jié)構(gòu)如圖4 所示，這是國際上首臺工作于地球靜止軌道上的干涉式紅外高光譜大氣探測儀，GIIRS 的主要任務(wù)是對地球溫度和濕度進(jìn)行三維立體垂直探測，其基本原理是基于Michelson 干涉儀的工作方式，通過前置掃描反射鏡將地球的目標(biāo)輻射反射到前置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)實現(xiàn)干涉成像。系統(tǒng)分束器采用硒化鋅分光，主要探測波段為8.85～14.3 μm、4.44～6.06 μm，雙通道探測器都為4 列32 元，利用激光進(jìn)行精確定標(biāo)系統(tǒng)光程差，且和紅外波段共光路，干涉儀動鏡系統(tǒng)采用撓性無磨損結(jié)構(gòu)，該干涉儀的光譜分辨率達(dá)到了0.625 cm-1，可以進(jìn)行全員盤、區(qū)域、太陽回避、定標(biāo)以及指向等多種模式的探測，在氣象、航天等領(lǐng)域中具有重要的實用意義［28-31］。

圖4 “風(fēng)云四號”上的時間調(diào)制型干涉式大氣垂直探測儀原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of technical principle and structure of GIIRS

中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所楊慶華2008 年以來系統(tǒng)地研究了時間調(diào)制型干涉光譜成像儀的諸多技術(shù)難點，詳細(xì)分析了針對干涉光譜儀的動鏡發(fā)生傾斜、橫移、勻速性誤差以及探測器發(fā)生非線性響應(yīng)等引起的干涉圖產(chǎn)生畸變等關(guān)鍵技術(shù)問題，首次提出了雙平面動鏡、雙面反射動鏡、新型雙貓眼動鏡以及新型雙角錐棱鏡等四種新型干涉儀結(jié)構(gòu)，取得了一系列創(chuàng)新性成果［32-36］。西安交通大學(xué)和中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所于2009 年聯(lián)合提出了一種基于Michelson 干涉儀原理的楔形棱鏡掃描時間調(diào)制型干涉光譜儀，該技術(shù)基于Michelson 干涉儀結(jié)構(gòu)，在每一個干涉臂中都插入一塊楔形棱鏡，通過移動楔形棱鏡完成位相掃描［37］。

1.2 擺動運(yùn)動形式

擺動運(yùn)動式干涉光譜儀采用動鏡擺動的方式代替直線運(yùn)動形式，是Michelson 干涉儀的一種變體結(jié)構(gòu)。1997 年加拿大瓦爾卡梯爾國防研究機(jī)構(gòu)報道了一款基于角錐棱鏡擺動的雙光束干涉光譜儀，緊湊型大氣探測干涉儀（Compact Atmospheric Sounding Interferometer，CATSI），CATSI 的角錐棱鏡擺動機(jī)構(gòu)將兩個角反射鏡固連在一起同時擺動，消除了由運(yùn)動引入的誤差，該系統(tǒng)在3～18 μm 的光譜范圍內(nèi)擁有不小于1 cm-1的光譜分辨率，其光學(xué)原理結(jié)構(gòu)如圖5 所示，該裝置的主要缺點是擺鏡在往復(fù)擺動過程中需要驅(qū)動器對其不斷地進(jìn)行加速和減速，這種類型的干涉儀結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)高速測量［38］。日本于2009 年在種子島宇宙中心用H-IIA 運(yùn)載火箭發(fā)射了世界上首顆用于監(jiān)測全球溫室氣體分布的衛(wèi)星GOSAT（Greenhouse gases Observing SATellite），其上搭載了一臺擺鏡式干涉光譜儀Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation-Fourier Transform Spectrometer（TANSO-FTS），主要用來監(jiān)測三個窄帶（0.76 μm、1.6 μm、2.0 μm）以及5.5～14.3 μm 范圍內(nèi)的溫室氣體吸收光譜，且擁有0.2 cm-1的光譜分辨率［39］。作為干涉光譜技術(shù)的代表，加拿大ABB Bomem 公司和德國Bruker 公司都有一系列擺動式干涉光譜儀，該類型的光譜儀受到航天航空、石化、制藥、環(huán)境大氣監(jiān)測等領(lǐng)域的廣泛贊譽(yù)［40］。這種通過擺動方式形成連續(xù)變化光程差的干涉光譜儀雖然具有結(jié)構(gòu)緊湊、重復(fù)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點。但是，系統(tǒng)的機(jī)械掃描速度相對較低，而且通過擺動形成的非線性光程差需要后期復(fù)雜的理論計算修正，或者在光路中增加激光輔助光路進(jìn)行非線性校正；同時，擺動結(jié)構(gòu)的幅度有限，而且角錐棱鏡的頂點要對齊，否則干涉信號的調(diào)制度就會快速下降，甚至干涉信號完全消失，所以該類型系統(tǒng)形成的光程差也十分有限，以至于這種擺動式干涉光譜儀的最高光譜分辨率也不會太高。我國于2018 年5 月9 日發(fā)射的“高分五號”衛(wèi)星上搭載了一臺大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀（Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder，AIUS），該探測器具有光譜分辨率高、太陽跟蹤精度高、光譜定標(biāo)精度高的技術(shù)特點，其光譜范圍為2.4～13.3 μm，光譜分辨率為0.03 cm-1，可以探測超過11 萬個譜段的信息，目前該技術(shù)指標(biāo)處于國內(nèi)最高、國際先進(jìn)水平。為了提光譜分辨率，AIUS 探測儀采用干涉光譜技術(shù)，利用雙角鏡聯(lián)動結(jié)構(gòu)與一塊平面鏡使系統(tǒng)的光程放大8 倍。高穩(wěn)定性擺臂運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)使擺臂速度的不穩(wěn)定度優(yōu)于0.3%，進(jìn)而大幅降低了微振動對干涉儀機(jī)構(gòu)運(yùn)動均勻性的影響［41-42］。

圖5 雙光束干涉光譜儀CATSI 光學(xué)原理示意圖Fig.5 Diagrammatic sketch of double ray interference spectrometer CATSI

1.3 轉(zhuǎn)動運(yùn)動形式

時間調(diào)制型旋轉(zhuǎn)運(yùn)動式干涉光譜儀包括透射式和反射式兩種類型。系統(tǒng)中沒有直線運(yùn)動或擺動運(yùn)動中動鏡啟停加速與減速環(huán)節(jié)，大幅提高了動鏡干涉儀的時間分辨率，可以進(jìn)行高速采樣。1997 年，美國D&P 公司報道了一款用于化學(xué)分析的高分辨高速透射式轉(zhuǎn)動干涉光譜儀（Rotary Turbo Fourier Transform Spectrometer，RTFTS）［43］，在2～14 μm 的光譜范圍內(nèi)可以最大達(dá)到2 cm-1的光譜分辨率，系統(tǒng)分束單元采用硒化鋅晶體，光學(xué)示意如圖6 所示，當(dāng)經(jīng)過分束的入射光和透射光分別經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鏡時，由于兩束光入射到轉(zhuǎn)鏡上的角度不同，進(jìn)而使兩束光之間形成了連續(xù)變化的光程差，隨著轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)產(chǎn)生的光程差也在發(fā)生連續(xù)變化。RTFTS 中唯一的運(yùn)動部件就是由高速轉(zhuǎn)動的驅(qū)動軸帶動的轉(zhuǎn)鏡，轉(zhuǎn)鏡在每個周期中有四個零光程差點，即系統(tǒng)在一個轉(zhuǎn)動周期可以實施四次采樣。該儀器的探測速度快、實時性好、穩(wěn)定性高，但是由于轉(zhuǎn)鏡材料會對不同波長的光引起不同的光程差，對轉(zhuǎn)鏡材料的選擇提出了更高的要求，而且轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角越大，非線性也越大，需要在后期數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行補(bǔ)償。

圖6 轉(zhuǎn)鏡式干涉光譜儀光學(xué)原理示意圖Fig.6 Optical principle of rotating mirror interference spectrometer

國內(nèi)很多科研工作者對透射式和反射式的轉(zhuǎn)鏡干涉系統(tǒng)都做過詳細(xì)的研究。2004 年，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所楊曉許等基于WADSWORTH W 的研究模型，對轉(zhuǎn)鏡式干涉光譜儀的光程差非線性問題進(jìn)行了詳細(xì)研究［44］，提出對轉(zhuǎn)鏡式干涉光譜儀進(jìn)行非線性補(bǔ)償，可以在一定程度上拓展所需轉(zhuǎn)鏡材料的折射率、工作入射角等關(guān)鍵參量的選擇余地，在干涉儀研制過程中具有重要的參考意義。1999 年，GRIFFITHS P 提出了一種高速轉(zhuǎn)鏡式時間調(diào)制干涉成像光譜儀［45］，該方案采用了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，其光學(xué)結(jié)構(gòu)原理如圖7 所示，但是該方案適合于點目標(biāo)光譜測量，如果成像就必須進(jìn)行推掃，掃描效率較低。張文喜等在2006 年基于Griffiths 干涉儀原理提出了一種高速轉(zhuǎn)鏡干涉光譜成像儀設(shè)計方案［46］，其原理如圖8 所示，利用角錐棱鏡代替平面反射鏡，利用高速電機(jī)帶動一個梯形平面反射鏡高速轉(zhuǎn)動，使雙光束產(chǎn)生穩(wěn)定周期性的光程差，而且該方案的視場角較大，能夠同時獲得一個面的干涉圖，從而大大提高了光譜儀的掃描效率，適用于機(jī)載和星載成像光譜儀。

圖7 超速掃描干涉儀二維示意圖Fig.7 Schematic diagram of overspeed scanning interferometer

圖8 高速轉(zhuǎn)鏡干涉光譜成像儀光學(xué)原理Fig.8 Ultra-rapid-scanning imaging interferometer

2011 年，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所魏儒義基于馬呂斯定律的光線追跡法以及鏡面成像原理的像點法，詳細(xì)研究了反射式轉(zhuǎn)鏡干涉光譜儀的光程差，并給出了任意測量時刻雙光束的光程差表達(dá)式，也指出了影響系統(tǒng)光程差的外部條件［47］。2014 年，魏儒義又利用一臺自研的反射轉(zhuǎn)鏡式紅外干涉光譜儀對一定時段內(nèi)地表大氣中CO2的含量進(jìn)行了觀測和濃度反演，該反射轉(zhuǎn)鏡式干涉光譜儀在3.17～4.76 μm 的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)2 cm-1光譜分辨率，探測頻率為0.5～4 s-1，測量結(jié)果表明測量大氣成分的精度可以達(dá)到10-6級［48］。2018 年，中國電子科技集團(tuán)41 所胡德信等，報道一種基于轉(zhuǎn)鏡的Michelson 干涉光譜儀，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9 所示，通過旋轉(zhuǎn)透射式轉(zhuǎn)鏡使系統(tǒng)光程差發(fā)生變化，并提出光程差的非線性數(shù)學(xué)計算模型，建立了轉(zhuǎn)鏡光程差方程［49］。

圖9 基于轉(zhuǎn)鏡的Michelson 干涉儀光學(xué)原理示意圖Fig.9 Optical principle of Michelson interferometer based on rotating mirror

以上分析也可以看出，無論是直線式、擺動式還是旋轉(zhuǎn)形式的時間調(diào)制型干涉光譜儀，都有其明顯的優(yōu)點，但也有不可避免的劣勢。首先，時間調(diào)制型干涉光譜儀需要一套機(jī)械結(jié)構(gòu)精度相當(dāng)高的動鏡控制驅(qū)動系統(tǒng)。經(jīng)分束器的反射光和透射光在探測器上發(fā)生干涉時，非常容易受到系統(tǒng)機(jī)械振動和環(huán)境溫度起伏引起的影響，導(dǎo)致干涉圖不穩(wěn)定，進(jìn)而調(diào)制度下降。所以，該類型的干涉技術(shù)對系統(tǒng)的機(jī)械性能要求非常嚴(yán)格，進(jìn)而為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)裝調(diào)帶來很大的難度。其次，時間調(diào)制型干涉光譜儀想要得到一幅完整的干涉圖，就需要探測器記錄掃描動鏡在每一個時間序列的干涉圖樣，所以不能滿足實時光譜測量的要求。另外，直線式和擺動式干涉光譜儀的掃描動鏡在往復(fù)掃描過程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)在掃描結(jié)束時必須減速轉(zhuǎn)向，待速度穩(wěn)定后再采集數(shù)據(jù)，一般情況下系統(tǒng)中都要需要引入?yún)⒖技す馓峁┫喔刹蓸訄D譜，如果動鏡的掃描頻率很高，那么動鏡往返轉(zhuǎn)折占用的時間會急劇增加。最后，從技術(shù)原理上來看，改進(jìn)型的擺動或旋轉(zhuǎn)式干涉光譜儀，其主要思路還是通過改變動鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動方式，使掃描動鏡通過往復(fù)擺動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直線運(yùn)動，這種改進(jìn)類型干涉儀的動鏡轉(zhuǎn)動速度和旋轉(zhuǎn)角度容易得到控制，進(jìn)而可以得到高穩(wěn)定性的干涉光譜，因而干涉系統(tǒng)也具有相對較強(qiáng)的抗干擾能力，在采集數(shù)據(jù)時系統(tǒng)也比較穩(wěn)定。但是，一般來說，擺動式干涉儀的動鏡產(chǎn)生的光程差為與波長相關(guān)的非線性函數(shù)，而且動鏡擺動幅度很有限，所以系統(tǒng)的光譜分辨率也受限；旋轉(zhuǎn)式干涉儀雙光束產(chǎn)生空間三維的光線，光程差越大所需光程越長，光學(xué)設(shè)計難以實現(xiàn)，因而雙光束產(chǎn)生的光程差也不會很大。

目前，時間調(diào)制型干涉光譜儀已經(jīng)越來越成熟，市場上商業(yè)化應(yīng)用的廠家也很多，而且隨著精密機(jī)械、氣浮導(dǎo)軌、音圈電機(jī)、壓電陶瓷堆等技術(shù)的發(fā)展，掃描反射動鏡可以實現(xiàn)高精度長距離移動，進(jìn)而使這種類型儀器有著很高的光譜分辨率。一般來說，大氣組分的精細(xì)結(jié)構(gòu)探測要求儀器的光譜分辨率不小于0.05 cm-1，時間調(diào)制型干涉光譜技術(shù)可以滿足該要求，所以該類型儀器至今在天氣預(yù)報、大氣組分監(jiān)測等高光譜分辨率領(lǐng)域中占有極為重要的地位。目前，美國、加拿大、法國、德國、日本、中國等國家都發(fā)射過多顆該類型的大氣探測儀，例如美國的Atmospheric Trace Molecule Spectroscopy（ATMOS）、Tropospheric Emission Spectrometer（TES）、Geosynchronous Imaging Fourier Transform Spectrometer（GIFTS），日本的Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation（TANSO-FTS），加拿大的Atmospheric Chemistry Experiment Fourier Transform Spectrometer（ACE-FTS）等。

2 空間調(diào)制型干涉光譜成像儀

為了回避時間調(diào)制型干涉光譜成像儀中精密動鏡系統(tǒng)不穩(wěn)定性引入的技術(shù)難題，隨著大面陣探測器技術(shù)高速發(fā)展，20 世紀(jì)80 年代研究者提出了空間調(diào)制干涉光譜成像技術(shù)［50］，這種類型的干涉光譜成像儀通過一次曝光就可以在探測器陣列的不同位置上得到目標(biāo)輻射各個光譜干涉圖樣的線性疊加，視場內(nèi)不同被測目標(biāo)引起的光程差干涉信息記錄在探測器靶面上不同的像元位置上，面陣探測器獲得被測目標(biāo)的一維空間信息和一維光譜信息，再利用時間掃描獲得另一維的空間信息。三維數(shù)據(jù)立方體的每一幀圖像都包含有被測目標(biāo)的二維空間信息和一行光譜信息，將三維數(shù)據(jù)立方體內(nèi)相同干涉級次的干涉圖像進(jìn)行拼接得到目標(biāo)物體的全景圖像。這種空間信息獲取方式大幅提升了系統(tǒng)探測目標(biāo)的實時性，也被稱為靜態(tài)干涉光譜成像系統(tǒng)。到20 世紀(jì)90 年代初，空間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)得到了高速發(fā)展，最初主要形成了兩類具有代表性的技術(shù)方案：

一類是以變形的Sagnac 原理半五角棱鏡橫向剪切分束器為分光元件［51］，其原理是在一個寬譜段光學(xué)系統(tǒng)中插入橫向剪切干涉儀，具有成像和干涉雙重功能，系統(tǒng)主要由前置物鏡、插入的橫向剪切干涉儀、后置的傅里葉變換物鏡、柱面鏡以及面陣探測器組成。被測目標(biāo)的輻射光經(jīng)過前置光學(xué)系統(tǒng)被聚焦，焦面上置狹縫，目標(biāo)輻射經(jīng)過焦面狹縫后進(jìn)入橫向剪切干涉儀，在垂直于光軸的方向上，狹縫被橫向剪切成兩個虛像，從干涉儀出射帶有橫向剪切量的兩束光被后置成像鏡組準(zhǔn)直后進(jìn)入探測器。成像鏡組中傅立葉成像鏡不僅要滿足空間分辨率，在光譜方向上還要滿足正弦條件，因此，傅立葉成像鏡必須要對兩對物像的共軛位置進(jìn)行像差控制。為了獲取目標(biāo)在空間方向的信息，目標(biāo)輻射經(jīng)過傅立葉成像鏡準(zhǔn)直后，還需要經(jīng)過柱面鏡聚焦。柱面鏡是一個非回轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)系統(tǒng)，在裝調(diào)過程中，柱面鏡繞光軸的轉(zhuǎn)動誤差會最終降低探測器上的干涉圖調(diào)制度，所以柱面鏡對系統(tǒng)的空間分辨率和干涉圖調(diào)制度有重要的制約作用，其光學(xué)原理如圖10 所示。系統(tǒng)在一次像面處設(shè)置狹縫，但是該狹縫的寬度只與系統(tǒng)的一維空間分辨率有關(guān)，因此降低了設(shè)計難度。如果狹縫中每一物點發(fā)出的光都沿著相同方向入射到橫向剪切分束器上，那么出射光之間的光程差為零，光束的干涉位置在探測器的同一位置上，這種情況下，狹縫的寬度和形狀不會影響干涉圖的調(diào)制度發(fā)生變化。然而，假設(shè)狹縫中每一物點發(fā)出的光束都以不同角度入射到橫向剪切分束器上，那么被橫向剪切的兩光束出射光之間存在一定的光程差，最終帶有光程差的干涉圖形成在探測器的不同位置上。與時間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)的原理類似，以變形Sagnac 原理為分光元件的空間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)也具有多通道、高通量和高信噪比的優(yōu)點，而且這種共光路、無精密掃描動鏡型干涉光譜成像儀的穩(wěn)定性、抗干擾能力更強(qiáng)，且具有實時性，可以測量動目標(biāo)物體的光譜。然而，系統(tǒng)中存在的狹縫在很大程度上限制了光通量，且光譜分辨率與空間分辨率之間存在制約關(guān)系。

圖10 基于Sagnac 橫向剪切分束器的空間調(diào)制干涉光譜成像儀光學(xué)原理示意圖Fig.10 Spatial modulation interference spectral imager based on Sagnac transverse shear beam splitter

另一類空間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)是以雙折射晶體Wollaston 棱鏡為分束元件，即雙折射偏振干涉光譜成像技術(shù)，SMITH W 等在1996 年提出的數(shù)字陣列掃描干涉光譜成像儀（Digital Array Scanned Interferometer，DASI），就是典型的基于Wollaston 偏振棱鏡空間調(diào)制型干涉光譜成像儀［52］，其光學(xué)原理如圖11 所示，被測目標(biāo)輻射經(jīng)過前置光學(xué)系統(tǒng)后成像于狹縫處，然后依次經(jīng)過準(zhǔn)直鏡、起偏器后入射到Wollaston 偏振棱鏡上，從Wollaston 偏振棱鏡出射的尋常光（Ordinary ray）和非尋常光（Extraordinary ray）具有相同的光強(qiáng)度，接著這兩束光經(jīng)過檢偏器后調(diào)制為偏振方向相同、相位差固定的相干光束，依次通過成像物鏡和柱面鏡，最后在陣列探測器上得到帶有目標(biāo)干涉信息光譜圖，再經(jīng)過傅里葉變換得到干涉圖。

圖11 DASI 光學(xué)原理示意圖Fig.11 Optical principle of the DASI

1993 年，美國夏威夷大學(xué)與佛羅里達(dá)工學(xué)院聯(lián)合報道了一款基于Sagnac 橫向剪切原理的傅里葉變換干涉光譜成像儀，系統(tǒng)沒有移動部件、擁有較大的視場角，在1～5 μm 的光譜范圍內(nèi)擁有100～1 000 cm-1的光譜分辨率［53］。1995 年Kestrel 公司與佛羅里達(dá)工學(xué)院有聯(lián)合研制了一款機(jī)載空間調(diào)制的干涉光譜成像儀，采用Sagnac 分光原理，在440～1150 nm 的光譜范圍內(nèi)具有256 個光譜通道，在450 nm 處擁有5 nm 的光譜分辨率，視場角為15°，幀頻30 fps，該系統(tǒng)被搭載在賽納斯206 小型飛機(jī)上應(yīng)用于環(huán)境測繪、應(yīng)急響應(yīng)以及軍事行動中。美國于2000 年7 月發(fā)射了一顆強(qiáng)力小衛(wèi)星（Mightysat-II），搭載了一臺基于Sagnac 橫向剪切原理的空間調(diào)制干涉成像光譜儀，屬于技術(shù)試驗衛(wèi)星，壽命為1 年［54］。我國緊跟國外研究步伐，開展了一系列空間調(diào)制型干涉光譜成像方面的研究工作。中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所是國內(nèi)最早對空間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)進(jìn)行研究的單位之一，在此領(lǐng)域作了許多開創(chuàng)性的工作，一些研究成果已達(dá)到國際先進(jìn)水平。我國首顆月球探測衛(wèi)星“嫦娥一號”搭載的干涉光譜成像儀是一個Sagnac 型橫向剪切共光路實體干涉儀，這是國際上首次利用干涉光譜成像技術(shù)對月球進(jìn)行可見光/近紅外連續(xù)寬譜段光譜探測［55］。干涉儀為二次成像光學(xué)系統(tǒng)，狹縫位于一次像面上，同時也位于傅里葉變換成像物鏡的前焦面上，前置物鏡為像方遠(yuǎn)心，傅里葉變換成像物鏡為物方遠(yuǎn)心，柱面鏡將平行光壓縮與面陣探測器的一列對應(yīng)，光學(xué)原理與圖10 類似。獲得的中高緯度清晰多光譜圖像表明，“嫦娥一號”搭載的干涉光譜成像儀具有很強(qiáng)的力學(xué)與溫度環(huán)境適應(yīng)能力，在國際上第一次獲取到0.48～0.96 μm 范圍內(nèi)32 個譜段的連續(xù)光譜圖像，為研究月表物質(zhì)成份提供了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原生信息源，打破了光譜數(shù)據(jù)源被國外控制的局面。“嫦娥一號”搭載的干涉光譜成像儀結(jié)構(gòu)實物以及獲取的月面區(qū)域光譜圖像分別如圖12、圖13 所示。

圖12 “嫦娥一號”搭載的干涉光譜成像儀結(jié)構(gòu)實物Fig.12 Structure diagram of interference spectral imager carried on Chang'e-1

圖13 “嫦娥一號”搭載的干涉光譜成像儀獲取的月面區(qū)域光譜圖像Fig.13 Spectral image of an area on the lunar surface obtained by interference spectral imager carried on Chang'e-1

2008 年9 月6 日，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心通過一箭雙星方式將首顆環(huán)境減災(zāi)A、B 星送入太空，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的空間調(diào)制干涉光譜成像儀（Environment & Disaster Monitoring Imaging Spectrometer，EDMIS）搭載其上［56-58］，EDMIS 是國內(nèi)首次采用了靜態(tài)干光譜成像技術(shù)原理的衛(wèi)星，也是繼美國強(qiáng)力小衛(wèi)星之后，國際上第二臺該技術(shù)原理的相機(jī)，系統(tǒng)采用了實體Sagnac 橫向剪切干涉技術(shù)，具有穩(wěn)定高的優(yōu)點。在干涉儀中使用了傅里葉變換成像物鏡和柱面鏡的組合，經(jīng)過傅里葉變換成像物鏡準(zhǔn)直的光束再經(jīng)過柱面鏡聚焦后，光路轉(zhuǎn)折90°，最后探測器獲得被測目標(biāo)的空間干涉信息。EDMIS 在軌的主要技術(shù)指標(biāo)見表1，EDMIS 的結(jié)構(gòu)實物以及獲取的不同波段下地物目標(biāo)三維數(shù)據(jù)立方體如圖14、15 所示。

圖14 EDMIS 的結(jié)構(gòu)實物圖Fig.14 Structure diagram of EDMIS

表1 EDMIS 的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical specification of interferometer

干涉光譜成像技術(shù)的干涉圖采樣點應(yīng)滿足采樣定理，如果要得到很高的光譜分辨率，就需要大量的干涉圖采樣點，進(jìn)而導(dǎo)致探測器陣列尺寸和系統(tǒng)體積增大。為了改進(jìn)這種技術(shù)，20 世紀(jì)70 年代，一種新型的干涉技術(shù)——空間外差光譜技術(shù)應(yīng)用而生?？臻g外差光譜儀基于閃耀光柵在Littrow 波數(shù)產(chǎn)生零頻干涉，在相同的探測器采樣數(shù)目下，具有更高的分辨率。該技術(shù)因其高通量、無運(yùn)動部件、高光譜分辨率、無譜段限制等優(yōu)點，主要被應(yīng)用于高光譜分辨率的微弱輻射探測，在大氣、空間、天文領(lǐng)域有廣闊前景?？臻g外差光譜技術(shù)的基本光學(xué)原理如圖16 所示。1971 年，大阪大學(xué)率先提出了空間外差光譜技術(shù)概念［59］，隨著光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械、計算機(jī)信息技術(shù)的大力發(fā)展，不同結(jié)構(gòu)類型的空間外差光譜儀相繼問世，并于20 世紀(jì)90 年代得到高速發(fā)展，國外研究空間外差光譜技術(shù)的單位主要有美國的威斯康星大學(xué)［60］、NASA 和海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory，NRL）［61-64］、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室［65-66］、加拿大航天局［67-68］以及日本等國的一些研究單位。目前，該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于化學(xué)氣體監(jiān)測、星際物質(zhì)輻射遙感探測、中層大氣自由基探測、微波臨邊探測、高空水汽監(jiān)測以及地球熱層風(fēng)場監(jiān)測等領(lǐng)域中。國內(nèi)，蘇州大學(xué)沈為民于2000 年進(jìn)行了空間外差光譜技術(shù)理論研究［69］。中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所葉松等在2006 年研制完成了空間外差光譜技術(shù)原理實驗裝置［70-71］，2008 年研制完成一體化空間外差干涉儀，并于2012 年進(jìn)行樣機(jī)試飛，取得了理想實驗結(jié)果［72-74］。中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所馮玉濤團(tuán)隊多年來一直從事空間外差光譜儀相關(guān)研究工作，近年來，在寬譜段空間外差光譜技術(shù)和多普勒非對稱空間外差光譜技術(shù)領(lǐng)域取得了諸多研究成果，如靜態(tài)譜段拓展、基于數(shù)值歸納的視場展寬設(shè)計、多普勒差分干涉相位準(zhǔn)確表達(dá)以及反演相位不確定度與干涉圖數(shù)據(jù)質(zhì)量相關(guān)性等理論成果［75-81］，并突破了實體差分干涉儀設(shè)計及研制工藝，研制了可見光、近紅外、長波紅外等多臺空間外差光譜儀，研制的實體差分干涉儀及不同波段的多普勒差分光譜儀如圖17 所示。

圖16 空間外差光譜成像技術(shù)基本光學(xué)原理示意圖Fig.16 Schematic diagram of basic optical principle of spatial heterodyne spectral imaging technology

圖17 實體差分干涉儀以及不同波段的多普勒差分光譜儀Fig.17 Differential interferometer and Doppler differential interferometer with different spectral bands

圖15 EDIS 獲取的地物目標(biāo)三維數(shù)據(jù)立方體Fig.15 Three dimensional data cube of ground object obtained by EDIS

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所梁靜秋課題組近年來針對環(huán)境、醫(yī)療、空間、氣象及安全等領(lǐng)域?qū)Ω缮婀庾V儀微小型化、輕量化及固態(tài)化的迫切應(yīng)用需求，研制了多種類型的多級階梯微反射鏡空間調(diào)制型傅里葉變換光譜成像儀原理樣機(jī)，其光學(xué)原理如圖18 所示，該技術(shù)基于Michelson 干涉儀，利用一個低階梯多級微反射鏡和一個高階梯多級微反射鏡正交放置，分別代替Michelson 干涉系統(tǒng)中的定鏡和掃描動鏡，通過空間調(diào)制的方式獲得矩陣分布的光程差陣列，空間上不同位置得到不同級次的干涉光信息，并按照一定的規(guī)律排列，空間上的干涉光實現(xiàn)不同級次的分割，從而在二維空降獲得干涉圖樣的采樣陣列。多級微反射鏡的臺階數(shù)決定光束在空間上的分布，臺階的高度調(diào)節(jié)光束的相位，實現(xiàn)系統(tǒng)光程差的控制。系統(tǒng)光譜分辨率由多級微反射鏡的臺階數(shù)決定，該類系統(tǒng)可以實現(xiàn)較大的光程差，因而具有較高的光譜分辨率，且具備結(jié)構(gòu)緊湊小型化、穩(wěn)定性好、分析精度高、實時性高等優(yōu)點［82-84］。

圖18 基于多級階梯微反射鏡的干涉光譜儀原理示意圖Fig.18 Sketch map of working principle of multistage micro-step mirror interference spectrometer

3 時空聯(lián)合調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)

時空聯(lián)合調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)始于20 世紀(jì)90 年代后期，該技術(shù)具有高光通量、高探測靈敏度和高穩(wěn)定性的優(yōu)點。其光譜分光原理雖然也是基于橫向剪切干涉儀，通過推掃完成干涉序列采集得到目標(biāo)的完整干涉信息，但是時空聯(lián)合調(diào)制型干涉光譜成像儀前置光學(xué)系統(tǒng)中沒有狹縫，所以才具有高通量優(yōu)點，也因此自誕生之時就受到科研工作者的廣泛關(guān)注。1991 年，德國錫根大學(xué)LINKEMANN J 等將Michelson 干涉儀的動鏡傾斜放置，形成等厚干涉，在空間上形成光程差的調(diào)制，這是國際上首次基于時空聯(lián)合調(diào)制干涉光譜成像技術(shù)獲得的靜態(tài)干涉圖，由于其探測器靶面尺寸受限，所以光譜分辨率極其有限，隨后，新澤西理工學(xué)院M?LLER K D 利用階梯多級反射鏡代替平面鏡，有效解決了該問題［85-86］。2004 年意大利BARDUCCI A 等基于Sagnac 原理成功研制出一臺對地觀測靜態(tài)成像干涉光譜儀（Aerospace Leap-frog Imaging Static interferometer for Earth Observation，ALISEO），探測器像元個數(shù)為1 024×1 024，像元尺寸為14 μm×14 μm，最大幀頻為60 幀/s，視場角為4°，系統(tǒng)在430～1 000 nm 的光譜范圍內(nèi)擁有175 cm-1的光譜分辨率［87］，其結(jié)構(gòu)如圖19 所示。

圖19 ALISEO 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.19 The structure diagram of ALISEO

巴黎大學(xué)查爾斯·法布里（Charles Fabry）實驗室MATALLAH N 等研制了一款靜態(tài)干涉光譜成像儀，在3～5 μm 的光譜范圍內(nèi)取得了25 cm-1的光譜分辨率，并利用聚乙烯薄膜檢驗了該儀器的性能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖20 所示［88］。

圖20 靜態(tài)干涉光譜成像儀結(jié)構(gòu)Fig.20 Structure diagram of static interference imager

夏威夷地球物理和星行學(xué)研究所LUCEY P G 等基于Sagnac 原理研制了一臺工作于長波區(qū)域的時空聯(lián)合調(diào)制型高光譜成像儀（Long Wave Infrared Hyperspectral Imager，LWIR HSI），如圖21，在7.5～11 μm 的光譜測量范圍內(nèi)擁有20 cm-1的光譜分辨率，在1 500 英尺（457.2 m）高度的地元空間分辨率為27 cm、幅寬為80 m，使用像元數(shù)為256×320 的制冷碲鎘汞探測器進(jìn)行了對地觀測，并取得了滿意的測量結(jié)果［89］。

圖21 LWIR HSI 結(jié)構(gòu)Fig.21 Structure diagram of LWIR HSI

國內(nèi)具有代表性的是1995 年中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所相里斌研究員提出一種大孔徑靜態(tài)干涉光譜成像技術(shù)（Large Aperture Static Imaging Spectrometry，LASIS）［90］，LASIS 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與空間調(diào)制型干涉光譜成像儀類似，但是，其光學(xué)原理有著本質(zhì)上的區(qū)別。LASIS 既有時間調(diào)制型干涉光譜成像儀高靈敏度的優(yōu)點，又有空間調(diào)制型干涉光譜成像儀穩(wěn)定性優(yōu)點，最重要的是該系統(tǒng)沒有狹縫和柱面鏡，采用面陣探測依靠系統(tǒng)或在軌自身運(yùn)動獲取兩維空間信息和另一維的光譜信息，面陣探測器靶面上得到的不僅有目標(biāo)圖像，還疊加了飛行方向上目標(biāo)單元不同光程差的干涉條紋。LASIS 的能量利用率可以比擬普通照相系統(tǒng)，最大光譜分辨率主要與探測器像元數(shù)有關(guān)。2008 年以后，LASIS 原理進(jìn)入了發(fā)展和提升階段，歐美相繼出現(xiàn)相關(guān)報道，西安光機(jī)所成功研制了我國第一臺高分辨率對地光譜成像儀，也是世界上首次采用LASIS 原理的星載高光譜成像儀，并于2012 成功發(fā)射并投入使用。2020 年9 月27 日環(huán)境減災(zāi)二號A、B 衛(wèi)星成功發(fā)射，用于接替已經(jīng)在軌運(yùn)行12 年之久的環(huán)境減災(zāi)一號A、B 星，其上搭載了中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的可見/近紅外、短波紅外兩臺高光譜成像儀，采用了時空聯(lián)合調(diào)制干涉光譜成像技術(shù)，由前置望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)、半五角棱鏡膠合的橫向剪切干涉儀、傅里葉成像物鏡及面陣探測器四大部分組成，其中前置望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的主要作用是壓縮來自目標(biāo)光束的孔徑尺寸匹配橫向剪切干涉儀，進(jìn)而可以縮小干涉儀的體積，其光學(xué)原理如圖22 所示。可見/近紅外、短波紅外兩臺高光譜成像儀的視場中心側(cè)擺范圍為±30°，空間分辨率分別為48 m、96 m，在可見/近紅外區(qū)域（0.45～0.92 μm）具有100 個光譜通道，短波紅外區(qū)域（0.9～2.5 μm）具有115 個光譜通道。環(huán)境減災(zāi)二號A、B 星相比于環(huán)境減災(zāi)一號A、B 星的技術(shù)性能有大幅提升，像元空間分辨率提高1～2 倍，高光譜視場、光譜通道數(shù)都增加了1 倍。環(huán)境減災(zāi)二號A、B 星目前已經(jīng)組網(wǎng)運(yùn)行，這種基于Sagnac 實體橫向剪切干涉儀的時空聯(lián)合調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)具有穩(wěn)定性好、體積小、光譜范圍寬以及光譜線性度高等特點，同時也驗證了該技術(shù)可被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域執(zhí)行日常監(jiān)測或者應(yīng)急監(jiān)測等任務(wù)。環(huán)境減災(zāi)二號A、B 星結(jié)構(gòu)示意如圖23 所示，可見/近紅外、短波紅外對某地推掃的偽彩色三維數(shù)據(jù)立方體分別如圖24、25 所示。

圖22 基于時空聯(lián)合調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)的LASIS光學(xué)原理示意圖Fig.22 Schematic diagram of LASIS based on spatiotemporal joint modulation interferometric spectral imaging technology

圖23 環(huán)境減災(zāi)二號A、B 星可見-近紅外、短波紅外高光譜成像儀結(jié)構(gòu)Fig.23 Structure diagram of visible near infrared and shortwave infrared hyperspectral imager of the HJ-2A/B satellites

圖24 環(huán)境減災(zāi)二號可見/近紅外地面推掃偽彩色三維數(shù)據(jù)立方體Fig.24 Pseudo color three dimensional data cube obtained by HJ-2A/B within visible to near infrared spectral range

圖25 環(huán)境減災(zāi)二號短波紅外地面推掃偽彩色三維數(shù)據(jù)立方體Fig.25 Pseudo color three dimensional data cube obtained by HJ-2A/B within the short wave infrared spectral range

基于雙折射晶體的干涉光譜成像儀也是一種具有代表性的時空聯(lián)合調(diào)制干涉光譜成像儀。近年來西安交通大學(xué)張淳民教授團(tuán)隊研制了一系列靜態(tài)偏振光譜成像儀［91-93］，包括國際上首臺以Savart 棱鏡為分光元件的偏振型干涉光譜成像裝置（Static Polarization Interference Imaging Spectrometer，SPIIS），裝置具有高通量、無狹縫、高穩(wěn)態(tài)、無運(yùn)動部件、小體積以及低功耗等優(yōu)點；然后基于SPIIS 原理，采用Savart 偏振棱鏡完成了超小型穩(wěn)態(tài)偏振干涉成像光譜儀（Ultra-compact Static Polarization Interference Imaging Spectrometer，USPIIS），在實驗室進(jìn)行了在軌衛(wèi)星推掃模擬實驗，得到了干涉圖；隨后為了擴(kuò)大視場，又提出了穩(wěn)態(tài)大視場偏振干涉光譜成像儀（Static Larger field of view Polarization Interference Imaging Spectrometer，SLPIIS）研制方案，取得了一系列研究成果。靜態(tài)偏振光譜成像儀SPIIS、USPIIS 以及SLPIIS 的光學(xué)原理如圖26～28所示。

圖26 SPIIS 光學(xué)原理示意圖Fig.26 Schematic diagram of optical principle of SPIIS

圖27 USPIIS 光學(xué)原理示意圖Fig.27 Schematic diagram of optical principle of USPIIS

圖28 SLPIIS 光學(xué)原理示意圖Fig.28 Schematic diagram of optical principle of SLPIIS

將干涉光譜成像技術(shù)與偏振探測技術(shù)相結(jié)合得到干涉光譜偏振成像技術(shù)，其主要技術(shù)思路是在光路中加入偏振成像組件。南京理工大學(xué)多年來一直致力于該方面的相關(guān)研究［94-98］，研究了基于緊湊型雙折射干涉的干涉光譜成像儀。基于Sagnac 干涉模型，利用微偏振陣列對四個通道上的線偏振光進(jìn)行調(diào)制得到了四維干涉偏振光場，探測器靶面上相鄰的四個像元采集不同線偏振態(tài)的干涉圖像，同時得到干涉信息和偏振信息；基于Wollaston 偏振棱鏡，采用鐵電液晶和波片，實現(xiàn)了斯托克斯參數(shù)快速獲取。這種類型的偏振探測干涉技術(shù)也存在一定程度上的技術(shù)壁壘，例如時域調(diào)制的探測效率較低、頻域調(diào)制光譜分辨率較低通道之間容易產(chǎn)生混疊、空域調(diào)制圖像分辨率低。如何實現(xiàn)大視場、高通量、快速探測是該類型技術(shù)的重要研究方向。

4 總結(jié)與展望

干涉光譜成像技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的經(jīng)驗積累與技術(shù)發(fā)展，隨著技術(shù)革命不斷更新，應(yīng)用需求相互促進(jìn)、相互推動，其在光譜分辨率、空間分辨率、定標(biāo)的可靠性和一致性等方面已能夠滿足部分實際環(huán)境的應(yīng)用需求。目前，在深空天文系外星探索、大氣污染及水體環(huán)境監(jiān)測、地表地礦勘查、農(nóng)業(yè)草地森林植被普查、化學(xué)結(jié)晶聚合及相位變化觀測、連續(xù)流量分析、衰變研究、物質(zhì)燃燒、分子間取向及作用力觀測、轉(zhuǎn)動光譜、碰撞誘導(dǎo)光譜、微量采樣、痕跡量分析以及在偵察評估等領(lǐng)域都具有廣泛且成熟的應(yīng)用。

基于光程獲取方式類型，文章對干涉光譜成像技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并對幾種重要類型進(jìn)行了原理介紹。時間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)在探測器上采集到的干涉圖可以被看作是一個時間序列，干涉圖隨著時間變化被采集，這種類型干涉技術(shù)具有很高的光譜分辨率和探靈敏度，但是，在干涉系統(tǒng)中需要有連續(xù)運(yùn)動的精密動鏡控制部件，制作高精密動鏡掃描部件是時間調(diào)制型干涉光譜成像儀的主要技術(shù)難點。空間調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)中探測器記錄的干涉圖是經(jīng)過一次曝光而得到的，被測目標(biāo)的干涉信息因光程差的不同被記錄在探測器的不同像元位置處，通過一次曝光就可獲得被測目標(biāo)的完整干涉圖，提高了光譜信息獲取的實時性，該技術(shù)從根本上避免了時間調(diào)制型光譜成像技術(shù)中制作精密動鏡控制系統(tǒng)的難題。但是，探測器像元個數(shù)決定了空間調(diào)制型干涉光譜成像儀的干涉圖截斷程度，相對來說，每條譜線被展寬的程度要大于時間調(diào)制型干涉光譜成像儀，而且其光譜分辨率也沒有時間調(diào)制型干涉光譜成像儀高。時空聯(lián)合調(diào)制型干涉光譜成像技術(shù)的本質(zhì)是在攝像系統(tǒng)中插入一個橫向剪切干涉儀，由于其前置光學(xué)系統(tǒng)沒有狹縫，所以時空聯(lián)合調(diào)制型干涉光譜成像儀不僅擁有高探測靈敏度、高穩(wěn)定性和高信噪比的特點，還具有高光通量的優(yōu)點?？梢钥闯鰜?，不同的調(diào)制方式采用不同的光路結(jié)構(gòu)，每種分光原理在使用時各有利弊，進(jìn)而適合不同的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，基于空間調(diào)制型和時空聯(lián)合調(diào)制型干涉光譜儀的光程差受探測器靶面尺寸制約不可能很大，光譜分辨率也有限，所以只能應(yīng)用于中低分辨率環(huán)境，而且焦平面陣列的功耗相對較高，低溫制冷技術(shù)也將是一個極大挑戰(zhàn)。所以，對于大氣遙感探測或者需要高光譜分辨率的情況下，時間調(diào)制型干涉光譜儀是必然的選擇。干涉光譜成像技術(shù)的研究一直備受關(guān)注，相關(guān)新技術(shù)的出現(xiàn)往往非常引人矚目。近二十年來，干涉光譜成像光譜技術(shù)在對地遙感、大氣監(jiān)測等領(lǐng)域中都得到高速發(fā)展，正逐步成為高分辨探測的有效工具，隨著探測器焦平面陣列、精密機(jī)械、精密光學(xué)、高速數(shù)據(jù)傳輸存儲壓縮、數(shù)據(jù)定量化以及計算機(jī)圖像處理等技術(shù)的快速發(fā)展，未來的光譜成像儀必將具有大視場、寬覆蓋、高靈敏度、高光譜分辨率、高空間分辨率等性能，并趨向于新技術(shù)原理、集成化、自動化、無線化、智能化、簡單化和小型化等方向發(fā)展。