（光学工程专业论文）干涉成像光谱技术中干涉图处理的研究.pdf

硕士 论 文干 涉 成 像 光 谱 技 术 中 千 涉 图 处 理的 矫 究 ab s t r 8 c t i ni e r fe r e n c eim agin gsp e c tios c o p yis th e a d 、ianc e ds ubje c t amo n gthe v is ib le and in fr ar e drem o te s ens ing，an d ith as b e c o n lean im p o rt a n tte c l刀 11 q u eto ac 明ir e 吐 甘 e e 一 di m e n s io nin fo rmatio n . f ir s t， tlleb ack g r o und ， r e s e ar c hst atu sandapp lic at io no f f o ur i ertrans fo rm s p e c t ro s c o p y( f t s ) are re v i e wedands u 们 i n la l lz e dt h eth e o 以 b asic c o nfigur a tlo nandfe a t u r e s are 即al y z e dtem p o r如lymo dulate dlinagl n gin t e r fe r o m e te r 阴d s p atial ly m o dulat e d lin叱 ing l n te rfero m eter are gna l邓e dthe th e o 叮and fe at u re s o f 试an g lec o nun o n 一 p ath l n te r fe re ncef o 叭er tr 出 ” fo rm s p e c tr o s c o p y(i f t s ) i s m ai ul y d i s cus s e ds eco n d ， th e k 即 techoo lo g y o f spe c u 七 mre c o n s truct i on fr o minte r fe ro g r aj 旧suc h asillt e 到 贻 ro g r anl d ata p re ， ro c es s i昭， ap o d i2 a tionfi h e r an d p h a s e c orre cti o n are re s e ar c h e d apo d iz at ion an d户as ec o trec ti o nare e m p haticallyan al y z e d . s i xc o lnm o nki n d s o f ap o di za ti o n are u se d top ro ce ssthe si m ul ai e d i ni e rfero g r别 mand las erini e rfero g r a m . t h e exp erime ntalre s ul t s are ana ly z e d ， 即d the re s u lt s d e mo n s tr at e th ath a n n 1n g a pod izat io n is b e s tfo rl a s e rini e r fe r o gr an1an dth eh anunin g叩o d izatio nisb e st fo rs imu lated int e rfer o g r an ll nadd itio n ， fo ur m etho d so fphase c o rr e ctio nare d is cus s e dandth e tec h n l c a l s c h e mei so b t a i n e d . keyw o r d s : f our ie rtr ans fo rm s p e c tros c o py， s p at i a l lymo dul atedi m agin g trans form s p e ctro me t e 几 ap o di zat i o n ，ph a s e c o rr e c t i on 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 补 夕 年 7 月 ) 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内 容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 回 年 加夕 日 硕士论文 千诊成像光谱技术中千涉图处理的研究 1 绪论 1 . 1 引言 干涉光谱技术是利用干涉图与光源光谱图之间的对应关系， 通过一定的手段获得 离散干涉图并对干涉图 进行傅里叶积分变换计算， 反演得到光谱图， 进而获取光谱信 息11 . 干涉成像光 谱仪是 测量光谱的 方法之一， 和传统的 色散型成像光 谱仪相比， 从 原理上解决了能量利用率低的缺陷， 并且它具有波数精确度高、 杂散光影响小、 高分 辨率、 测量光谱范围宽、 数字化、 测量速度快、 结构紧凑等等优点， 是目 前国际成像 光谱技术领域的研究热点之一， 有着广泛的应用。 干涉成像光谱仪可用于天文、 地球 资源普查、 监视全球污染与灾害等方面， 还可以用来探测中层大气微量成分、 大气垂 直温度分布及风场， 为 大 气物理、 地球科学提供有用的 数据冈 . 迈克尔逊用干涉图的 可见度来 估算光谱虽然可以 说是 千涉光谱技术最早的理论基础13 ， 但是真正的发展是 从1957年国际光谱会议开始的， 特别是之后将傅里叶变换同 干涉图结合起来所需的 计算机技术的发展， 使干涉光谱技术取得了显著的发展。 在这一发展过程中， 亚基诺 口 朋 q ， in o t ) 、 费尔格( f e l l g ett) 、 孔雷夫妇( c o 哪s p. ， c olmesj.)、 斯特朗 研究小组( 5 加n g ，5 c 功 即) 、 贝尔 伍. e . e 七 u ) 、 默兹 ( m er ts ) 、 库利一图基( c o ul et-ti 止 e y ) 等人都做出了巨 大 的 贡 献 14，5 气 l z 干涉成像光谱技术发展背景 成像技术和光谱技术是光电技术中的两个重要领域， 它们各自的发展和应用已 经 相当成熟。 摄影光学仪器获取目 标的影像信息， 追求高清晰度并研究其空间特性; 光 谱仪则把景物的辐射分离成不同波长的谱辐射， 追求高光谱分辨率， 以做到图谱合一， 从而对景物进行测量和分析。 这两类光学仪器已 有数百年的发展史， 并且不断地融入 新的 科技成果， 所以 不论从设计还是制作方面都达到了很高的水平， 但是直到上世纪 五十年代前，它们基本上是属于独立发展的。 传统的 狭缝光谱仪创始于1 8 60年，经过一百多年的发展，仪器实现了光电 化、 自 动化和组合连用化， 广泛地应用于各个科学领域。 然而， 传统的狭缝光谱仪存在难 以克服的缺点， 例如: 光源弱、 光谱仪具有狭缝而不能充分利用能量等。由于有这些 缺点，促使光谱仪的发展向着既不降低分辨本领，又能提高仪器的聚光本领的方向， 经过不断的研究探索， 产生了新的分光原理一干涉调制分光术。1 8 80 年，迈克尔逊 发明了以 他的名字命名的千涉仪。 后来， 瑞利首先认识到干涉仪所产生的干涉图， 可 以 通过傅里叶变换而得出 其光谱， 即千涉图与光谱之间存在着一种对应的傅里叶变换 的数学运算关系， 这一原理导致了 干涉光谱技术的产生及其发展。 l 硕士论文干涉成像光谱技术中干涉圈处理的研究 成像仪可以获得目 标的三维空间信息。 最早的成像仪是单通道的照相机， 后来通 过加滤光片而得到通道照片，其主要缺点是对于运动目 标来说它们不是同时拍摄的。 成像仪器早期应用于卫星遥感上是以照相机对地拍摄目 标图像开始的， 这种以胶片为 接收器的遥感成像仪， 缺乏实时观测能力， 寿命受到胶卷容量的限制， 另一方面其波 段范围因胶片限制而局限于可见光和近红外谱区。随着光电探测器的研制成功，20 世纪60年代出现了光机扫描成像仪，它是以光电 探侧器为接收器的光机式多光谱扫 描成像仪， 具有实时观测能力， 并把波段范围扩大到了热红外区域， 使仪器具有全天 候的观测能力。但是上述的遥感成像仪， 其共同的缺点是光谱分辨率低， 表现在: 波 段数目 极其有限， 一般为几个，多者十几个， 且有些波段并不连续;波段固定， 没有 人为机动选择的可能:光谱分辨率低，波段宽度比较窄。 20 世纪前半叶， 航天技术得到了前所未有的高速发展，为空间探测和地表探测 创造了条件， 同时也为空间探测技术提出了更多的需求。 人们希望得到的不只是单纯 的目 标光谱或目 标形影信息， 而希望能够同时得到目 标的形影信息和光谱信息 这一 极大的社会需求导致了成像仪和光谱仪的结合以 及成像光谱技术的产生。上世纪 80 年代，成像光谱仪逐渐兴起，并成为遥感仪器最重要的发展之一。 成像光谱仪是一种可以同时获得影像信息与像元的光谱信息的光学传感器， 它是 在多光谱扫描型成像遥感器的基础上发展起来的新一代遥感器， 它能够在连续光谱段 上对同一地物同时成像， 同时又能从这一图像元获取物体的光谱特性， 通过对光谱特 征 的分析， 达到探测目 的。 成像光谱仪的像元对应的光谱信息包括数十个至上百个狭 窄波段的光谱信息， 对应可得到一条完整连续的光谱曲线。 它集中了光学、 光电子学、 电 子学、 信息处理、 计算机科学等领域的高端技术， 将成像技术与光谱仪技术结合在 一起， 利用成像光谱数据在空间配准和光谱配准两个方面对目 标进行分析和识别。 成 像光 谱仪的 概念是美国 喷气推进实 验室( 开l ) 于20世纪80年代初期提出的， 它被普 遍认为是遥感器技术发展史上的一次革命性飞跃， 将当代多光谱遥感技术带到了最前 沿。 并且它在众多定量研究中表现出了巨大的潜力， 例如找矿、 农业、 水体、 环境等 领域。目 前， 具有实 用功能的 成像光 谱仪及其应用主要集中 在航空遥感领域问 。 根据光谱分辨率的不同，遥感领域将成像光谱仪可分为三种类型:多光谱型 伽川 石 . 甲” 仕 目 ) 、高 光谱型伪 ” ” 卜 即 伙 t 间) 、 超光 谱型( u l tr a- s 侧 沁 如1 ) . 多光谱型( m ul ti . 5 ， 邹 七 al ) :覆盖光谱范围较宽，波段选择在最能够反映目 标辐射 特征处， 通常波段范围约为 1 0 20波段，适用于地带分类以及土地使用评估，如美 国陆地卫星t m和法国陆地卫星t m和法国spo t 卫星: 高 光谱型( h y p er-即 伐 血 司 ) : 光谱 覆盖范围 较窄， 波段范围 通常在1 00 2 00波段， 主要用于农业、森林、矿产、土地、 流域调查和海岸地区分析等领域; 超光谱型间仕 卜 甲双司) : 光谱范围 最窄，光谱分辨率极窄，一般在10 001 0000 2 硕士论文千涉成像光谱技术中干涉留处理的研究 波段， 可用于微粒几气体成分研究间 。 按照工作原理不同， 成像光谱仪可分为色散型、 千涉型、 滤光片型和计算层型等 几种类型。目前最常见的是色散棱镜和衍射光栅型， 其中以采用光栅的色散型成像光 谱仪最为突出， 这类成像光谱仪具有原理简单、 性能稳定等优点， 但是由于具有能量 利用率低的弱点， 所以严重制约着它的进一步发展， 同时过分依赖高灵敏度探测器以 及对光学系统的苛刻要求成为这类技术的瓶颈。而滤光片型( 劈式、声光调制、电 调 谐等) 、 干涉型和计算层型等是成像光谱仪的 研究热点. 劈式滤光片型原理简单， 但 是工艺复杂: 采用调谐滤光片成像光谱仪控制方便， 可任意选择波段， 但是很难同时 获得多波段的图象; 计算层型目前尚 在初步试验研究阶段; 干涉成像光谱仪， 就是傅 里叶 变换成 像光谱仪 毋丁 5 ) ， 有双光束千涉和多 光束千涉两 种。 这种仪器具有高通量、 多通道和高光谱分辨率等优点，具有很好的发展潜力和应用价值。 色散型成像光 谱仪按其结构和工作方式 可分 为两种类型门 : 一种用线阵 列探测器 摆扫方 式工作的 成像光谱仪( w l li s k b p d o m汕昭吨 spect ro m et ry初thl in ear arra y ) ， 如 a v 】 ris 、 m o d is一等即为此种类型成像光谱仪， 其工作原理为通过旋转平面镜沿垂 直飞行方向的来回摆动， 将地面不同目 标的辐射能量通过物镜传到色散装置， 经过色 散元件的 分色， 产生不同 波长的辐射能量， 该能量经过像镜汇聚， 由 线阵列探测器记 录， 形成高 光谱数据;另一种用面阵 探测器推扫方式工作的 成像光 谱仪( p u s h b rd om 俪耀 如 9 甲洲ro m e try幼th吟 翻 y ) ， 如ais 、 h r i s 、 his 等即为此类型成像光谱仪， 其工作原理为它一次扫描同时收集垂直方向的一行地面数据， 经过一系列光学部件再 由面阵列探测器记录， 其中一位是记录光谱数据， 一位用来记录与地面扫描线相对应 的线阵列数据。 色散型的成像光谱仪是最早进入工程应用的， 它可以被看作是以光栅、 棱镜为 色散元件的空间 域多通道的 光谱仪， 是由 色散型光谱仪发展而来的， 因此它也 带着色散型光谱仪的遗传基因， 必须要有一个狭缝， 狭缝宽度受限于光谱分辨率， 从 而大大地限制了进入探测器的能量。 早在一个世纪以前，迈克尔逊已经认识到从千涉图可获得某些光谱信息。不久， 瑞利提出 对干涉图进行傅里叶变换可得到光谱。 但是在当时， 这样的计算是无法实现 的。 直到1 948 年j 以 闷 u inot 等发现 干涉仪具有高 通量优点，1 9 51年fel】 g e tt 提出 干涉 仪具有比 常规光谱仪信噪比高的多路性优点， 才引 起各国 科学家的极大重视， 并进行 了 大童开拓性工作， . 莫定了干涉光谱学的理论和实验基础. 60 年代中 期， c o o l ey . 毛 止 叮发 现快速傅里叶变换算法， 大大 缩短了 计算时间。 与 此同时， h e 口 n e 激光 器、 小型计算机和热释电探测器的发展，最终导致中分辨率快扫描干涉红外光谱仪的问 世， 有力 地推动了 千涉光谱学的 迅速发展15 月 . 干涉型光谱 仪的原型是采用迈克尔逊 千涉仪的 双光束光谱仪， 在原理上完全不同 于色散型光谱仪。 干涉型光谱仪不需要狭 缝， 并且它在测量过程中， 所有的 波段都是同时进行的， 所以 具有高通量与多通道两 】 硕士论文干涉成像光谱技术中干涉田处理的研究 大优点，解决了色散型光谱仪对微弱信号与瞬态现象光谱探测的困难。从上世纪 90 年代开始， 千涉型光谱仪也发展成具有空间分辨率的干涉型成像光谱仪. 这种成像光 谱仪也携带了其前身的遗传因子， 同时具有高通童与多通道的优点， 因而受到学术界 极大的关注，并获得了飞速的发展。 干涉型成像光谱仪分为两种， 时间调制型和空间调制型。 时间调制型干涉成像光 谱仪具有携带高通量和多通道的优点， 但同时， 它也有缺点， 它必须要有一套超精密 的动镜驱动机构， 从而大大限制了它的应用领域， 特别是在航天航空对地侦察中， 使 它的可靠性大大降低。 空间调制型干涉成像光谱仪是公个 世纪末， 科学家针对上述问 题提出的一种不需要超精密动镜驱动机构的干涉成像光谱仪。 干涉成像光谱仪由于可 以同时获得两维空间信息与一维光谱信息，已 成为空间对地侦察的重要光学遥感器， 在灾害监视、 生态环境长期监测、 作物长势与估产、 资源探测方面都是有重大的应用 价值. 本论文中重点 研究空间调制型千涉成像光谱仪。 空间调制型干涉成像光谱仪是在 同一时刻、 在探测器阵列的不同位置上获得目 标辐射的各个光谱的干涉图样的线性盛 加， 这种干涉系统被称为静态的成像光谱仪， 如静态迈克尔逊千涉仪、改进型马赫一 泽德干涉仪、 三角共路型和双折射偏振成像光谱仪等。 具体原理在以下章节有详细介 绍。 1 3 国内 外干涉成像光谱仪研究现状及应用 千涉成像光谱技术是当今可见光和红外遥感器探测技术的前沿科学， 是当今成像 技术与光谱技术的 有机结合，目 前它已 成为人们研究和获取目 标三维信息( 二维空间 信息和一维光谱信息 ) 的 重要手段和前沿学科。 随 着航天技术、 大规模集成的列阵式 探测器制作技术以 及空间光学、 精密机械、 计算机图 像处理以 及数据传输技术的发展， 使成像光谱技术在空间遥感、 信息获取等方面越来越显示出其重要的地位和作用， 也 更加显示出它在科学研究、国民经济发展及国家安全方面更加广阔的应用前景。 70 年代末，美国加州理工学院喷气推进实验室的研究人员首先提出成像光谱仪 的研究计划，并在 1 9 83年研制成第一台成像光谱仪。在此之后，美国、加拿大、芬 兰、 德国、 日 本等国 家纷纷研制出不同空间和光谱分辨率的 成像光谱仪。 比 较有影响 的有11 叹 1988 年，美国 加利福尼亚技术研究所喷气动力实验室为了提高哈勃望远镜在波 长 1 000 2 5 00顺 的光谱范围内的背景受限和衍射受限成像能力，完成了一个称为 “ 哈勃 成像 迈克尔 逊光 谱仪 ” 的 指标设计， 其光谱分辨本 领刀从为1 1 000 0. 法国太空空间与战略系统分布研究所， 为了开展低轨平台遥感观侧地球， 也致力 于研制迈克尔逊干涉成像光谱仪，并于 1 9 91年研制出具有两个输入和输出通道的样 4 硕士论文干沙成像光谱技术中千涉图处理的研究 机。 这 种样 机结 构紧 凑， 光学 设 计简 单， 光 谱分 辨率能力刀 从为1 00 5 00。 1 991 年日 本大阪大学设计研制了平面动镜扫描干涉成像光谱仪，采用 64x 64 象 素探测器，获得较好的实验效果。 1 993 年美国l i v e n n o 邝国家实验室为开展红外宽波段遥感探测， 完成了基于迈克 尔逊干涉仪时间调制的空间成像干涉仪的方案，并于95年研制出样机。 1 994年加幸大国防研究所发明了测量发射光谱的红外干涉成像光谱仪，光谱范 围为2. 2 5. 5 声 侧，光谱分辨率为6 n m， 视场角为4x4 从 r 心，空间分辨率较低. 00年代后人们开始致力于研制无动镜型空间调制千涉仪。 1 993 年美国国家宇航局艾梅研究中 心和华盛顿大学共同 研制出一种称为“ 数字列 阵 扫 描干涉仪 ( d a s d ， 的 千涉成像光谱仪样机， 光谱范围为0. 4 2 2 娜 ， 光谱分辨率 为3 00c m 一 ， ，视场角为50， 帧速率为0. s hz 。 1 993年美国夏威夷大学和佛罗里达工学院合作研制出一台三角共路型干涉成像 光 谱 仪 实 验样 机， 其 光 谱范围 为1 00 。 5 0 00nm， 光 谱分辨本 领刀 完 为1 001 o 00. 1 9 94 年美国佛罗里达工学院和菲利普实验室共同研制出 地面用可见波段(4 00 8 00， 。 ) 三角 共路型千涉成像光 谱仪样机.目 前该样机主要用来观测空间 运载系统助 推器发射时的火焰和获取低轨卫星的光谱特征来识别卫星。 1 995年美国茶集公司和佛罗里达工学院 共同设计出一台在单引擎轻型飞机上用 的可见波段的三角共路型干涉成像光谱仪，光谱分辨率在波长为4 5 o n m时为5 枷 ， 光谱通 道为2 56个， 视场角为15 。 ， 空间 分 辨率为0. 8 二 m d ， 帧速率为35帧/s. 法国国家空间研究中心于1 9 97年提出 一种无动镜干涉光谱成像系统1 邵 5 ，光谱 范围 为0 .4 5 1 .0 娜 . 近期， 美国n a s a l 助 gl ey研究中 心研制了 基于地球静止轨道卫星的 法布里一 拍罗 干涉仪，用于对高空臭氧进行观察。 在国内， 中国科学院、 航天科技集团公司和北京空间机电研究所等单位也开展了 千涉成像光谱仪的 研究工作，并研制了 样机。西安光机所科技人员从1 9 93年起就开 展干涉光谱技术的研究.80年代末到90年代初主要从事基础理论方面的研究工作， 从上世纪九十年代起，转入干涉成像光谱技术的研究，特别是从 1995年起几乎与国 际同 步开展了空间调制型干涉成像光谱技术的 研究与装置的研制， 该所科技人员提出 了基于视场调制光程差的大孔径静态千涉成像光谱仪创新性方案， 并在极短的时间内 研制出实验室装置。 模拟卫星自 推扫试验获得了清晰的目标像与复原光谱， 其进展与 水平和代表国际领先地位的美国不相上下。自1997 年首先开始研究一种基于迈克尔 逊原理的样机。 上海技术物理研究所有两个研究室在研究光谱仪. 主要研究( 光栅) 推 扫式 成像光谱仪( 也曾 经研制过空间 调制形 式的傅里叶变换光谱仪， 采用5 叫 岁 ia c 结构 来实 现光路的 空间调 制) 和傅里叶 变换光 谱仪， 采用时间调制形式， 利用直线电 机带 ， 硕士论文干 沙 成 像 光 谱 技 呆 中 干 涉 圈 处 理 的 研 究 动角镜作一维直线运动。长春光机所于 1 998 年开始研制千涉光谱仪并研制出三角共 路干涉成像光谱仪原理样机， 该样机主要是用来测量紫外真空的光谱。 浙江大学光电 系在2 0 世纪00年代初研制过弹黄片扫描结构的傅里叶变换光谱仪。 高新技术首先是从军事目 的发展起来的。 在军事上， 与可见光照相侦察技术相比， 成像光谱技术对伪装、 隐蔽目 标具有更强的发现能力， 特别是近年来目 标防御技术的 发展， 常使可见光照相侦察技术失灵或失误。 因此成像光谱技术就成为一种具有重大 发展价值的侦察手段， 它能侦察出隐藏在树林中的火炮、 坦克、 车辆、 井下发射架发 射的火箭， 除水面舰艇外， 它还能发现水下航行的潜艇。 这是因为任何武器系统总有 热源， 在它们运行时都会发出可见或不可见的光辐射， 而且因为各种武器系统以及地 面物质都具有它们自 己固有的发射和反射特征光谱， 通过对特征光谱的分析， 即可识 别武器的类别或地面物质成份。 在民用方面， 成像光谱技术有着广泛的应用前景。 它可用于天文物理研究; 地球 资源普查: 包括矿物资源、 国土资源、 森林资源、 植皮资源、 海洋鱼类资源与海藻等; 还 可 监 视 全 球 污 染 与 灾 害 111-均 : 包 括 大 气 污 染 与 海 洋 污 染 、 森 林 火 灾 、 水 捞 灾 害 、 土 质碱化、 沙化等; 该项技术还可用于中层大气微量成分的探测、 大气垂直温度与风场、 压力场的探测11 6-1 刃 ， 为大气物理、 地球物理、 航天器的发射与运行， 为中 长期天气预 报提供大量的资料、图 像和数据，为宇宙大爆炸理论提供可能的 依据i20). 1 .4 本论文的主要研究内容 干涉成像光谱仪是一种新型的光学遥感仪器，它具有极高的空间和光谱分辨率， 具有多通道和高通量的优点。干涉成像光谱技术是多种技术的综合应用，包括光学、 精密机械、 面阵列探测器件、自 动控制以 及大容量数据传输和计算机处理。 本文的主 要研究方向为干涉成像光谱技术中 干涉图的处理， 并以干涉图处理中的切趾函数的选 择和相位校正的方法为研究重点， 为后面研究工作的深入打下基础， 主要研究工作概 括如下: (1 )分析国内外相关资料，研究干涉成像光谱学的发展背景、 基本原理和相关应 用: (2) 重点 研究 三角 共路(s 叱 ， 解 ) 型 千涉成像光谱仪的原理， 了 解国内 外干涉成像光 谱仪的研究进展和趋势: (3 ) 研究 干涉图 数据处理方法中 的四 个步骤， 这四个步骤分别为数据预处理、 切 趾、相位校正以 及傅里叶变换，阐述了 数据处理方法中切趾和相位校正这两 个步骤的必要性; () 研究各种切趾函 数的 表达式以 及各种切趾函 数的性质特点。 编制了 相应的 算 法程序对模拟干涉图以 及实际 采集的激光干涉图 进行处理并分析处理结果; 6 硕士论文 干涉成像光谱技术中干涉圈处理的研究 (5) 研究两种经典的 相位校正方 法 任 。 加助法 和m 改 仪法) 、 三点 法以 及一种改进 的相位校正方法的原理，得出实施方案。 硕， 七 论文千 涉 成 像 光 谱 技 术 中 干 藩 图 处 理 的 研 究 2 干涉成像光谱技术 2. 1 干涉仪和干涉图 干涉光谱仪的基本原理是通过双光束干涉仪同步地记录下中央条纹的光强变化 曲线即干涉图， 并对此干涉图进行傅里叶变换数值计算， 进而来测定光谱图。 下面通 过最简单和最基本的迈克尔逊干涉仪产生的干涉图来定量分析阐明干涉光谱学的基 本理论。 虽然到目前为止， 各国已经研制并发展了各种各样的干涉仪器， 但其基本原 理是一样的。 平面镜 1 图2 1 迈克尔逊干涉仪示意图 如图2 . 1 所示为迈克尔逊干涉仪示意图， 图中把两块玻璃板示意成一条直线: 光 源为 振幅为a 、 波数为口 的理想准直 单 色光束， 投射到 理想分束片( 无损耗) 上， 分束 片振幅反射比、透射比分别为r 、t ，这样入射光线就被分成反射光讲和透射光at。 两束光经过平面镜 1 、平面镜2 后又回到分束片，并经过分束片后形成两束相干光， 被探测器接收，接收到信号振幅为 a = rta(l + e 一 ， )(2 j ) 探测器接收的信号强度为 几 (x，司= aa = z r 巩( 。 )(l+ co s 内(2.2) 其中 r 、 t 就 是 反 射比 和 透 射比 ， bo ( 的是 输 入 光 束 强 度， 为aa ， 式 (2.2) 中 的沪 为 相 干光束的 相 位差， 沪=2 游x， x 为 光 程 差. 式(2.2) 为 理想准直的 单色辐 射通过干涉 仪形成的干涉图光强分布表达式。 一般情况下， 输入 辐射具 有任 意光 谱分布， 故可以 设想式(2.2) 所表达的 单色辐 射 为一具有无限窄线宽而 的谱元， 那么式 (2.2) 可改写为 dl。 ( x ， 口 ) =z r tb 。 ( 口 ) 1 + cos ( 2 游x ) l d 口 (2. 戈 硕士论文干涉成像光谱技术中干涉图处理的研究 再对所有波数积分，则得一般情况下的干涉图光强表达式 几 ( x ) 二 j dl 。 ( x ， 。 ) -j z r tb 。 ( 。 ) + 叫2 行加 (2.4 ) 当x 为0 或趋于无穷大时，可得 ( 叼 一 介 r 巩回“ (0)一 介 r 巩位 ， 妙 (2.5 ) (2. 句 可 知几 ( co)为 1 。 ( 0) 12， 千 涉 主 极 大 接 近 于 几 ( 哟的 2 倍. 几 ( ao)代 表 了 干 涉图 的 平 均 值或直流成分， 干涉图就是一盛加在直流信号上的 波动信号， 直流成份在计算复原光 谱时需要剔除，因而当令c为常量因子时，则千涉图的基本表达式可以 表示为 ( x ) = c 丁 r tb 。 ( 。 ) co 成 2 朴丫 口 (2. 乃 z j 千涉光谱学的基本方程 傅里叶变换对可用如下一对等式来定义 f ( u ) 二 j 了 ( x ) e 一 ， “ (28 ) f ( x ) = ) e 2 .血(2.9 ) u 了.、 f 帕.1 利 用 傅里叶 变换 对， 可以 从 干涉图 变 换 得到 光 谱图bo( 的。 假定光 谱图 光强 表 达 式 是 一 个 偶 函 数， 即 满 足bo位) = bo卜 口 ) ， 这 样 光 谱 就 从 实 际 的 正 波 数 范围 扩展 到 负 波数范围， 同时在理想情况下， 光谱图光强表达式是一个实函数， 干涉图光强表达式 是一个两边无限延伸的 佘弦函 数，这样干涉图 光强表达式就可以改写成 ，o ( x ) 二 介 tb 。 ( 。 ) e ， d (2. 1 0) 对比傅里叶变换对可得知 几(x) =介 巩位 砂 场 一 刃 ( 左 t bo位 (2. 1 1 ) 再利用傅里叶逆变换得到光谱图 表达式 b 位 ) 一 r tbo( 。 ) = 拓(xx“ 二 刀 ， ( 几 (x) (2. 1 2 ) 这样就得到复原光谱， 它与给定的 真实辐射光谱bo( 的相差一个因 子一天 t，它在求 相对光谱时 将消掉， 式 (2 . 1 2) 就是 干涉图 光强表 达式的 傅里叶 变换式.由欧拉公式 9 硕士论文干 诊 成 像 光 谱 技 术 中 干 涉 图 处 理 的 研 究 =加5 2 屁 +1 日 inz 月 才 =c o s z 瓜 一i s inz 瓜 (2. 1 3 ) 及上述分析可知: 因为千涉图光强表达式是一个实偶函数，b位) 正弦虚部在积分中 为零， 所以 在多数情况下，b位) 可以 写成下面形式 b ( 。 ) 一f l 。 ( x ) co 城 2 二冲= 2 1 ( x ) co 成 2 二冲。 ， 4 ) 式 (21 4) 即 是干涉光谱学的基本 光谱方程， 给定波数。，由 千涉光谱 仪得到 探测 器 接收 到的 信号 强 度与 光 程差的 干 涉图 函 数几( x)， 通过 上面傅 里叶 变换 式或者 余弦 变换式就可以 得到 对应的 光谱强度b(司， 这样对于波段内的 每一个波数利用上式进 行重复运算就可。 上述原理表明傅里叶变换光谱仪不是使不同波长的光谱组元在空间 分解开来、 在不同的空间位置获得不同波长的光谱信息， 而是利用频率调制方法， 使 不同 波长的光受到不同频率调制， 然后通过傅里叶积分变换进行解调而获取不同波长 的光谱信息。 2 3 干涉光谱仪的主要优点 与带狭缝的色散型 光谱仪相比， 傅里叶 变换 光谱仪主要有以 下优点 121 润. . 多通道优点任 ell朗 tt 声 刁 v anta gt e ) 设t 为实验的总时间，材为光谱中独立的信息元总数目，5 为信号，n为噪声。 采用传统的色散型光谱仪器时，只能让光谱元一个接一个地依次通过狭缝进行测定; 在任何一个时间点只能测定一个光谱元， 来自 光源的其他光谱元的能量全被阻截在狭 缝 之外。 测定 每一 个 光 谱元的时间 为 t = 刀材。 然 而， 在傅 里叶 变 换光 谱 仪中， 所 有光谱元的能量是同时通过仪器并同时被接收而形成干涉图的; 每一个光谱元都受到 全部时间的测定，测定时间比 传统的狭缝色散型仪器长n倍。这就是形成傅里叶变 换光谱仪的多通道优点的物理机理。 如果 探测 器输出 信号中的噪声是随 机性的， 而且与信号本身强弱无关， 则接收系 统的信噪比是与每个光谱元的测定时间的平方根成正比的。 因此， 在传统光谱仪器中， 信 噪 比 正 比 于 河丽: 而 在 傅 里 叶 变 换 光 谱 仪 中 ， 信 噪 比 正 比 于 万 这 样 ， 如 在 相 同的时间t 内 测定一个光谱区间， 傅里叶变换光谱仪的信噪比就可比传统光谱仪器高 俪 . 需要指出的是，只有在噪声是随机的并且与信号无关，即探测器噪声限情况下， 才有多通道的 优点。 如果在可见光波段， 在室温下周围环境辐射场弱到常可忽略， 落 在探测器上的 光子绝大多数来自 信号本身， 光子噪声起主导作用， 它正比 于光源强度 的平方根。 此时， . 干涉变换光谱仪就不再有多重传输的 优点。 l 0 孩士 论文 干涉成位光谱技术中干涉图处理的研究 . 高 通量优点 (j 创 闷 u in o t a dvan 伽 彝) 干涉( 傅里叶变换) 光谱仪和光栅光谱仪的光通量分别为 五 用“ a q 二 = 2 叫 r eo二 a o g = 卿( 夕) (2. 1 5 ) (2. 1 6 ) . 石 南为 干 涉 光谱 仪的 通 量， 凡为 光 栅 光 谱 仪的 通 量，a 为 准 直 镜面 积，q 。为 干 涉 光谱 仪光 束聚 焦在探 测器 上的 立 体角，0 。 为光 栅光谱仪出 射狭缝 所张 立体角，1 为 光栅光 谱仪狭缝的 长度，厂 为 光栅光 谱仪准直镜焦 距. 即 使是最好的 光栅 光谱仪， l/f 也不会超过1 /3 。 ， 因此在准直镜面积和分辨本领 相等条件下， 干涉光谱仪的光通量比 光栅光谱仪的光通量高约2 00倍。 这是干涉光谱 仪高通量优点的物理机理。 傅里叶变换光谱仪没有狭缝的限制， 辐射通量只与干涉仪平面镜大小有关， 因此 在同 样分辨率的情况下， 其辐射通量比 色散型仪器大得多， 从而使接收器接收到的信 号与信噪比增大，因此有很高的灵敏度，有利于弱通量光谱的测量工作。 . 精确度优点 当傅里叶变换光谱仪是由迈克尔逊千涉仪构成时， 两个光束是来源于同一初始光 束， 只要能精确地测出 两个光束之间的光程差x ， 经过傅里叶变换， 在光谱图中就能 得到精确的波数值。 法国 物理学家c o dne s 首先将激光干涉仪引入了迈克尔逊干涉仪， 用激光干涉条纹准确测定光程差， 从而使傅里叶变换光谱仪比常规分光计测定的 波数 更为精 确。 波数示数精度可达到0. ol cm一 ， . . 数字化优点 对于傅里叶变换来说， 必须进行采样，才能进行数据处理。 . 杂散光低 由于动镜以速度v 移动，使波数为口的光谱被口二 助淤/ 的频率所调制，同频率 调制波来自 其它来源的 可能性很小。 所以， 某一波数的光的强度通过杂散光的方式叠 加到另一波数光的强度上的 可能 性很小。 一般情况下， 杂散光都几乎影响不到光谱的 分析。 1 4 干涉成像光谱仪 随着航天航空事业的飞速发展， 对于成像光谱仪的技术指标如光谱分辨率、 空间 分辨本领和对弱信号的探测能力等要求越来越高。色散型成像光谱仪的光谱分辨率、 空间分辨率本领受狭缝宽度的制约， 限 制了进入系统的能量。 近年来出 现了 干涉成像 光谱仪的新概念。 至今， 干涉成像光谱仪分为两类， 即依靠动镜扫描的时间调制干涉 成像光 谱仪( 及 口 加耐珍m odul 助 目玩昭 加 glnte rf 肠 ro m e t e r ) 和依靠探测器阵 列扫描的 空 间 调 制 千 涉 成 像 光 谱 仪 (s p 浦 目 ly m od ul 的 比l m ag 加 9 妙旅ro m 由r) ， 后 者 在 九 十 年 l l 硕士论文干 涉 成 像 光 谱 技 术 中 干 涉 圈 处 理 幽 究 代以后引起了人们的高度重视，具有十分重要的研究和应用价值。 2. 4. 1 时间调制型干涉成像光谱仪 在干涉成像光谱仪中， 使用迈克尔逊干涉方法， 通过动镜的移动， 产生物面光谱 像元的时间序列千涉图。该装置的光学系统如图2. 2 所示。 前置望远系 统石 将待测物e 成像在透镜几的 前焦面5 处。由 像面5 上任一像元 向 前 传播的 光 谱辐射， 经透镜l : 后变成 平行光束。 入射在分束板bs 上的 光线被分成 两 束， 一 束经 分 束板 反 射后 照射 在静 镜斌上， 另 一束 透过 分束 板照 射在 动镜域上。 从 静 镜 和动 镜反 射回 来的 二 平行光 束， 经分 束 板 和 透镜几会 聚后成像 在 探 测器d 上， 形成干涉。 通过动镜的移动， 产生物面的时序干涉图。 对探测器d上每一像元得到的 时序干涉图进行傅里叶变换， 便可得到相应物面e 光谱像元的光谱图。 它们之间的数 学关系如式(2 . 1 刀 及式(2 . 18 ) 所示，式中b 位) 为入射光谱强度分布 1 (x)= b( 的 co : 2 b( 。 ) 一 f l ( x) co s z (2. 1 乃 (2. 1 8 ) 图2. 2时间调制千涉成像光谱仪光学系统图 时间调制型干涉成像光谱仪有一个精密的动镜系统， 其动镜和静镜的 类型主要分 为平面镜及角反射体两种。 表 1 . 1 列出了部分国外遥感用时间调制型干涉成像光谱仪 的性能参数。 平面反射镜的优点是对于镜子二维方向的横移无严格要求， 但对镜子的 倾斜度要求严格。 角反射体对镜子的倾斜无严格要求，但对横移非常敏感。由上述分 硕1: 被 文干涉成像光资技术中干涉图处理的研究 析可以看出时间调制型千涉成像光谱仪有两个缺点: 一个是它需要一套高精度的动镜 移 动 系 统 ， 在 运 动 过 程中 要 保 持 匀 速 性 ， 并 且 对 晃 动 或 倾 斜都 有 严 格 的 要 求， 加 工 及 装调困难;另一个是实时性差，对快速变化的光谱进行测量困难。 表1 1 部分国 外遥感用时间 调制型干 涉成像光谱仪的 性能参数网 公司 护l s h o n e yw e 】 1 os f c厂 fex a 名 i n 切， m色 n ts uv /s b r c 瓜 0 价 口 e n 护l 砰 /ho n e 洲 e l l msx 名称 时间 飞行 平台 光谱 范围 了 c m 一 1 光谱 分辨 率 儿 m . . 瞬时 视场 角 干涉型 ( 动镜类型 为角反射 体) 1 6 t 1 9 6 2 发现号卫 星 干涉型 ( 动镜类型 为平面镜) 】 r】 s b 1 9 6 9 ni mbus 卫星 干涉型 沟 镜类型 为平面锄 i ts 干涉型 ( 动镜类型 为猫眼镜) 人 t mos 1 9 8 5 航天飞机 jr 0 s 七 / 1 o s h i b a 干涉型 ( 动镜类 型为平面 j p l几 爪叨勺 明 吧 l 】 千涉型 ( 动镜类 型为平面 镜) 1 1 5 干涉型 ( 动镜类 型为平面 镜) s p i ri tl l 1 9 9 5 卫星航天飞机 1 9 6 5 卫星 肠0 5 0 (x)4 0 0 2 00 062 0 27 2062 5 5 以幻 6 9 0 3 0 3 0 7 70 1 2 5 0 3 5 7 月 仪刃 0.62 5 0 . 0 1 4 0 一 0 1 01 20 一 z l x o . 2 1 r 2 .4. 2 空间调制型干涉成像光谱仪 为了 解决时间调制型干涉成像光谱仪的缺点， 90年代以来，随着面阵探测器的飞 速发 展， 国际上出现了 “ 空间调制” 或“ 数字阵列扫描” 的新概念。 在大大降 低研制成本 的同 时， 保留了 动镜扫描干涉成像光谱仪的主要优点， 并且使用的波段更宽、 抗振动 能力更强、 体积小及性能稳定可靠。目 前国际上具有代表性的空间调制型成像光谱仪 主要 有: 美国 佛罗里达工学院 和夏 威夷大学的 基 于5 鲜 刃 留干涉仪的空间 调制干涉成 像光谱仪; 美国华盛顿大学的基于双折射元件研制的数字阵列扫描干涉仪; 苏格兰圣 安德斯大学的基于wb l l as t o n 棱镜的空间调制成像光谱仪。在本课题中采用的是三角 共 路 (s a gn a c ) 型 千 涉 成 像 光 谱 仪 123 一 刀 . 下 面 重 点 研 究 此 种 类 型 的 干 涉 成 像 光 谱 仪 . 双折射型干涉成像光谱仪主要利用晶体的双折射效应， 将来自 物体的光分成两束 偏振光使其干涉并记录干涉图。其结构示意图如图2. 3 所示。它主要由前置望远光学 系统、 入 射狭缝、 准直透镜、 双折射偏振干涉仪、 再成像光学系统和探测 器等几部分 硕士论文干涉成像光谱技术中干涉图处理的研究 3 干涉成像光谱图像数据处理方法 光谱复原技术是数据处理的核心问题， 它决定了干涉成像光谱仪的使用范围， 标 志着干涉成像光谱仪性能的优劣和干涉成像光谱技术的高低。 数据处理系统主要包括 微机和相关软件， 该软件主要包括数据预处理、 切趾、 相位校正、 傅里叶变换这几个 部分。数据的采集与处理采用异步方式进行。 3. 1 干涉成像光谱图 数据构成 成像技术和光谱技术是光电技术的两个重要技术领域， 成像器获取目 标的影像信 息， 可以直观的获取目 标的外观信息， 即空间三维信息， 追求高清晰度和空间特性可 研究性; 而光谱技术则把景物的辐射分离成不同波长的谱辐射度， 追求高的光谱分辨 率以 及光谱图 像一致性， 便于进行测量和分析。 作为“ 图 谱合一” 的光学遥感仪器， 成 像光谱仪集成像仪和光谱仪的优点于一身， 是二者功能的有机结合， 成像光谱仪的实 质是既得到目 标图像， 又能得到每个像元对应的目 标元的光谱曲线， 即同时获得目 标 干涉图和目 标图像的双重功能。 成像光谱仪采集得到的图像数据是传统图像与光谱维 信息的融合， 成像光谱图像