高光譜成像技術(shù)的原理——干涉型
發(fā)布時(shí)間:2023-11-29
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高光譜成像數(shù)據(jù)包括2D空間信息和1D光譜信息根據(jù)。根據(jù)光譜分光方式的不同,光譜成像技術(shù)主要分為色散型、濾光型、干涉型等,成像原理也不一樣。本文主要介紹了干涉型高
高光譜成像數(shù)據(jù)包括2D空間信息和1D光譜信息根據(jù)。根據(jù)光譜分光方式的不同,光譜成像技術(shù)主要分為色散型、濾光型、干涉型等,成像原理也不一樣。本文主要介紹了干涉型高光譜成像技術(shù)的原理。
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傅里葉變換干涉型光譜成像技術(shù)是一種間接光譜成像技術(shù),通過具有光程差的相干光束形成穩(wěn)定干涉條紋,利用干涉條紋光波能量與復(fù)色光光譜存在的傅里葉變換關(guān)系,實(shí)現(xiàn)窄帶光譜的反演解算。
1.?干涉成像光譜原理
同一單色波長的光各自形成相干干涉,互不干擾,形成單色光的干涉強(qiáng)度分布
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式中:△為光程差;v為波數(shù),v=1/λ;An為振幅;An(v)為復(fù)色光強(qiáng);l,r分別為分束鏡的透過率和反射率。
不同波長的光不滿足干涉條件(光波頻率不同),為非相干疊加,總強(qiáng)度是單色波長干涉強(qiáng)度的和(積分)。
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式(8)第一項(xiàng)與光程差△無關(guān),代表復(fù)色光干涉總強(qiáng)度的直流成分;式(8)第二項(xiàng)與光程差有關(guān),代表復(fù)色光干涉總強(qiáng)度的交流成分。實(shí)際處理時(shí),總強(qiáng)度l(△)可以去除直流成分,單獨(dú)保留交流成分
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FFT型高光譜成像技術(shù)根據(jù)調(diào)制方式的不同可分為三類:一類是基于邁克爾遜干涉儀原理的時(shí)間調(diào)制型FFT光譜成像技術(shù);另一類是基于 Sagnac干涉儀原理的空間調(diào)制型FFT光譜成像技術(shù);第三類是時(shí)空混合調(diào)制型FFT光譜成像技術(shù)。
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2.?時(shí)間調(diào)制型
時(shí)間調(diào)制型干涉原理如圖所示,它以Michelson干涉儀為分光元件,人射光束經(jīng)分束鏡分成兩束:反射光束、透射光束;反射光束經(jīng)靜鏡反射、分束鏡透鏡到達(dá)聚焦鏡;透射光束經(jīng)動靜反射、分束鏡反射到達(dá)聚焦鏡;兩束光束徑聚焦透鏡干涉,成像在探測器上呈干涉條紋。
時(shí)間調(diào)制型FFT光譜成像儀的特征:一次只能獲得2D場景一個(gè)光程差的干涉圖,需要依靠動鏡M2的掃描運(yùn)動產(chǎn)生不同光程差的干涉圖,需要一定時(shí)間才能完成序列干涉圖的產(chǎn)生。
優(yōu)點(diǎn):
①從理論上講可以達(dá)到任意的光譜分辨率(只要人射光能量足夠強(qiáng))、測量的光譜范圍也非常寬;
②儀器只依賴于運(yùn)動掃描系統(tǒng),相對于利用色散掃描的光譜儀來說,其結(jié)構(gòu)要簡單得多。
缺點(diǎn):
①通過動鏡M2運(yùn)動改變透射光束光程,從而改變反射光束與透射光束的光程差,因此需要非常精確的位置掃描;
②當(dāng)需要較高光譜分辨率時(shí),動鏡移動量很大,體積比較龐大。
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3.?空間調(diào)制型
空間調(diào)制型FFT光譜成像儀原理如圖所示,它以分體式 sagnac干涉儀為分光元件,分束鏡45°放置,反射鏡M1、反射鏡M2首先相對于分束鏡BS布置。當(dāng)反射鏡M1與反射鏡M2對稱時(shí),透射光束與反射光束沒有光程差,不會引起干涉;當(dāng)兩個(gè)反射鏡不對稱時(shí),如圖中反射鏡M2平行偏移c,可實(shí)現(xiàn)橫向剪切量為d,透射光束與反射光束形成光程差,滿足干涉條件空間調(diào)制型FFT光譜成像儀的特征在于:不同光程差通過反射鏡的位置空間差的方式一次調(diào)制,一次即可以獲得1D光譜維和1D空間維,由垂直于狹縫方向的1D空間掃描獲得另一維的空間維信息。
優(yōu)點(diǎn):
①沒有運(yùn)動部件,穩(wěn)定性強(qiáng);
②可同時(shí)獲得1D狹縫內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的干涉圖,因此光譜可實(shí)時(shí)測量;
③狹縫寬度只決定1D空間分辨率的要求,在滿足空間分辨率的前提下,狹縫寬度可以盡可能的大,從而具有大視場和高通量的優(yōu)勢。
缺點(diǎn):
①空間調(diào)制型的光程差不可能很大,難以實(shí)現(xiàn)較高的光譜分辨率;
②存在狹縫,降低了人射輻射通量,降低了系統(tǒng)的信噪比。
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4.?時(shí)空混合調(diào)制型
時(shí)空混合調(diào)制型FFT光譜成像儀形式上與空間調(diào)制型FFT光譜成像儀類似,但光路上沒有人射狹縫,也沒有柱面鏡;空間調(diào)制型進(jìn)入橫向剪切分束鏡的光線是透過1D狹縫的光束,而時(shí)空混合調(diào)制型進(jìn)入分束鏡的是2D場景的平行光
?時(shí)空混合調(diào)制型FFT光譜成像儀原理時(shí)空混合調(diào)制型FFT光譜成像儀的特征在于:光程差由橫向剪切產(chǎn)生,故屬于空間調(diào)制;同一時(shí)刻不同視場角的光程差不同,特定物點(diǎn)的一系列光程差需要在不同時(shí)刻通過推掃產(chǎn)生,從而最終獲得一副完整的干涉圖,因而具有時(shí)間調(diào)制特點(diǎn)6]。
優(yōu)點(diǎn):
①原理簡單、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度降低;
②沒有運(yùn)動部件,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、抗震動性和抗沖擊性;
③允許很大的視場,大口徑,在滿足光通量的要求下,可以大大減小儀器的體積、重量。
缺點(diǎn)
具有時(shí)間調(diào)制特征,物點(diǎn)的不同光程差在不同時(shí)刻獲取,故不具有光譜測量實(shí)時(shí)性。
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