[科普中國(guó)]-干涉成像光譜儀

干涉成像光譜儀是利用干涉原理獲得一系列隨光程差變化的干涉圖樣，通過反演可以得到目標(biāo)物體的二維空間圖像和一維光譜信息的儀器。干涉成像光譜儀有時(shí)間調(diào)制型和空間調(diào)制型兩種。

概述由于物質(zhì)的光譜與它的屬性密切相關(guān)，太陽(yáng)光照射到月表后被漫反射，不同的物質(zhì)將呈現(xiàn)不同的反射光譜，成像光譜儀就利用了這個(gè)原理，通過不同的反射光譜與已知的礦物典型多光譜序列圖像進(jìn)行比較，就可以得出探測(cè)目標(biāo)礦物類型和含量信息。

干涉成像光譜儀原理是將目標(biāo)的光分成兩束，通過控制兩束光的光程差，并使兩束光在感光元件處相遇發(fā)生干涉，從而獲得的是一系列不同光程差得到的干涉圖樣。干涉圖樣經(jīng)過一些列的處理、反演后才能夠得到物體的圖像——光譜三維信息，即目標(biāo)每一點(diǎn)的光譜曲線。

通過干涉成像光譜儀等探測(cè)設(shè)備對(duì)月球表面被觀測(cè)元素和礦物、巖石數(shù)據(jù)的處理，可了解它們?cè)谠虑虮砻嫦鄳?yīng)位置、類型、含量和分布，并利用探測(cè)的結(jié)果可以繪制各元素的全月球分布圖，發(fā)現(xiàn)月球表面資源富積區(qū)，為月球的開發(fā)利用提供有關(guān)資源分布的數(shù)據(jù)。1

發(fā)展干涉成像光譜技術(shù)的出現(xiàn)源于干涉光譜學(xué)的發(fā)展。1880年，邁克耳遜(iMhcelson)發(fā)明了以他的名字命名的干涉儀。后來瑞利首先認(rèn)識(shí)到干涉儀所產(chǎn)生的干涉圖(干涉條紋)，可以通過傅里葉變換而得出其光譜，即干涉圖與光譜之間存在著一種對(duì)應(yīng)的傅里葉變換的數(shù)學(xué)運(yùn)算關(guān)系，從而通過傅里葉積分變換的數(shù)學(xué)運(yùn)算把干涉圖(干涉條紋)與輻射光譜直接聯(lián)系了起來，這一原理直接導(dǎo)致了干涉光譜技術(shù)的產(chǎn)生及其發(fā)展。RubenS等人曾在20世紀(jì)初采用雙光束干涉儀首次實(shí)現(xiàn)了干涉圖的準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)測(cè)量，他們還根據(jù)假定的光譜分布計(jì)算了干涉圖并和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光譜圖進(jìn)行了比較。20世紀(jì)50年代之后，隨著傅里葉變換光譜學(xué)的飛速發(fā)展，英國(guó)的PeterFellgett于1949年第一次真正的從干涉圖進(jìn)行傅里葉積分變換數(shù)學(xué)計(jì)算獲得了光譜圖。

早期的干涉型成像光譜儀大多是基于邁克耳遜干涉儀為原形發(fā)展起來的，這類儀器中均有一套高精度的動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，故稱為時(shí)間調(diào)制干涉成像光譜儀(Temporarily Modulated Imaging Interferometer)。在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)間調(diào)制干涉成像光譜儀暴露出兩大缺點(diǎn)：一是動(dòng)鏡要求勻速，且對(duì)傾斜、晃動(dòng)要求嚴(yán)格；二是對(duì)干涉圖完成采樣需要?jiǎng)隅R運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，故不適合快速變化光譜測(cè)量。

90年代以來，隨著面陣探測(cè)器的發(fā)展，國(guó)際上出現(xiàn)了空間調(diào)制干涉成像光譜技術(shù)(Spatially ModulatedImaging Interferometery，即SMII)或數(shù)字陣列掃描干涉光譜技術(shù)(Digital Array Scanned Imaging Interfer-ometey，即DASI)，其具有代表性的方案有兩類：一類是基于變形的Sagnac干涉儀為分光元件；另一類是以雙折射晶體為分光元件。1

干涉成像光譜技術(shù)簡(jiǎn)介1880年，邁克耳遜(iMhcelson)發(fā)明了以他的名字命名的干涉儀。后來瑞利首先認(rèn)識(shí)到干涉儀所產(chǎn)生的干涉圖(干涉條紋)，可以通過傅里葉變換而得出其光譜，即干涉圖與光譜之間存在著一種對(duì)應(yīng)的傅里葉變換的數(shù)學(xué)運(yùn)算關(guān)系，從而通過傅里葉積分變換的數(shù)學(xué)運(yùn)算把干涉圖(干涉條紋)與輻射光譜直接聯(lián)系了起來，這一原理直接導(dǎo)致了干涉光譜技術(shù)的產(chǎn)生及其發(fā)展。RubenS等人曾在20世紀(jì)初采用雙光束干涉儀首次實(shí)現(xiàn)了干涉圖的準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)測(cè)量，他們還根據(jù)假定的光譜分布計(jì)算了干涉圖并和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光譜圖進(jìn)行了比較。20世紀(jì)50年代之后，隨著傅里葉變換光譜學(xué)的飛速發(fā)展，英國(guó)的PeterFellgett于1949年第一次真正的從干涉圖進(jìn)行傅里葉積分變換數(shù)學(xué)計(jì)算獲得了光譜圖。干涉成像光譜技術(shù)的另一個(gè)重大發(fā)展和決定性的突破發(fā)生在20世紀(jì)60年代中期，隨著Cooley發(fā)明的快速傅里葉變換FFT算法的采用，大大較少了常規(guī)傅里葉變換的運(yùn)算量，極大的提高了運(yùn)算效率，幾分鐘即可完成原來需要幾個(gè)小時(shí)才能完成的變換運(yùn)算。另外，近年來計(jì)算機(jī)的普及實(shí)用和高速計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為干涉成像光譜技術(shù)的研究與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)和開辟了廣闊的道路。2

分類成像光譜技術(shù)從原理上講分為色散型和干涉型兩大類：色散型成像光譜儀是利用色散元件(光柵或棱鏡等)將復(fù)色光色散分成序列譜線，然后再用探測(cè)器測(cè)量每一譜線元的強(qiáng)度。而干涉型成像光譜儀是同時(shí)測(cè)量所有譜線元的干涉強(qiáng)度，對(duì)干涉圖進(jìn)行逆傅里葉變換將得到目標(biāo)的光譜圖。

因色散型成像光譜儀中均含有人射狹縫，狹縫越窄，光譜分辨率越高，而進(jìn)入系統(tǒng)的光通量就越少，即光譜分辨率和光通量成為色散型成像光譜儀中相互制約的一對(duì)矛盾。在干涉型成像光譜儀中同時(shí)測(cè)量的是所有譜元均有貢獻(xiàn)的干涉強(qiáng)度，傳統(tǒng)的干涉成像光譜儀中雖然也有狹縫(90年代后期發(fā)展的光譜儀中已去掉狹縫)，但狹縫寬度不影響光譜分辨率，只決定于空間分辨率的要求。在滿足空間分辨率的前提下，狹縫可以較寬，從而使狹縫面積和視場(chǎng)角較大。理論分析表明，在具有相同分辨率的條件下，干涉型成像光譜儀的通量較色散型成像光譜儀高200倍左右，即光能利用率高1～ 2個(gè)數(shù)量級(jí)。

對(duì)具有M個(gè)光譜元的光譜圖，若其測(cè)量總時(shí)間為T，則對(duì)色散型光譜儀來說，每個(gè)譜元的測(cè)量時(shí)間必為T/ M；對(duì)干涉型光譜儀來說，M個(gè)光譜元(光譜通道)可同時(shí)測(cè)量，即測(cè)量每個(gè)光譜元的時(shí)間均為T。由于復(fù)原光譜信噪比與測(cè)量時(shí)間的平方根成正比，故干涉成像光譜儀的信噪比是色散型的倍。

綜上所述，干涉型成像光譜儀與色散型成像光譜儀比較，具有高通量、多通道和較大視場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)。2

應(yīng)用最初成像光譜儀的發(fā)展，主要是用于植被遙感和地質(zhì)礦物識(shí)別研究之用(Goetz等，1985)。但是隨著成像光譜技術(shù)的深入研究，它己被廣泛應(yīng)用在大氣科學(xué)、生態(tài)、地質(zhì)、水文和海洋等學(xué)科中(Vanes&Goetz，1993)。

它在軍事和民用領(lǐng)域，都有廣泛的應(yīng)用前景。在軍事上，與可見光照相偵察技術(shù)相比，成像光譜技術(shù)對(duì)偽裝、隱藏目標(biāo)具有更強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)能力，特別是近年來目標(biāo)防御技術(shù)的發(fā)展，常使可見光照相偵察技術(shù)失靈或失誤。因此，成像光譜技術(shù)就成為一種具有重大發(fā)展價(jià)值的偵察手段，它能偵察出隱藏在樹林中的火炮、坦克、車輛和井下發(fā)射架發(fā)射的火箭，除水面艦艇外，它還能發(fā)現(xiàn)水下航行的潛艇。這是因?yàn)槿魏挝淦飨到y(tǒng)總有熱源，在它們運(yùn)行時(shí)都會(huì)發(fā)出可見或不可見的光輻射(電磁輻射)，而且因?yàn)楦鞣N武器系統(tǒng)以及地面物質(zhì)都具有它們自己固有的發(fā)射和反射(散射)“特征光譜”，通過對(duì)特征光譜的分析，即可識(shí)別武器系統(tǒng)的類別或地面物質(zhì)成份。

在民用方面，它可用于天文物理研究；地球資源普查：包括礦物資源、國(guó)土資源、森林資源、植被資源(農(nóng)作物估產(chǎn)、病蟲害)、海洋魚類資源與海藻等；還可監(jiān)視全球污染與災(zāi)害：包括大氣污染與海洋污染、森林火災(zāi)、水澇災(zāi)害、土質(zhì)堿化、沙化等。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王偉 - 副教授 - 上海交通大學(xué)