航天高光谱成像仪简述(特邀)

航天高光谱载荷相比于传统的多光谱载荷,在光谱分辨率上有着巨大的提升,随着定量化遥感的发展,天基探测不仅可以对地面目标的几何信息进行采集,更可以利用高光谱数据实现大气、陆地资源、战场环境、海洋物质成份的探测,随着航天高光谱技术的不断发展,高时间分辨率的对全球气候、自然资源、水纹情形的光谱成像已成为可能。高光谱探测依据成像原理的不同,主要可以分为干涉型光谱仪、衍射型光谱仪、滤光片型光谱仪。文中针对其中应用较为广泛的光栅衍射型光谱仪、时间傅里叶变换光谱仪、空间傅里叶变换光谱仪、声光调制滤光片（AOTF）光谱仪、液晶可调谐滤光片（LCTF）光谱仪、高光谱滤光片光谱仪进行了介绍,并针对每种光谱仪的优势及存在的局限性进行了分析。     

在轨超高分辨率傅里叶光谱仪仪器线型函数更新方法研究

仪器线型函数是傅里叶光谱仪重要的物理表征参数之一,影响仪器测量光谱的精度.随着空间测量和大气探测等遥感应用在高精度上的需求,如何实时在轨测量并更新星载光谱仪的仪器线型函数,成为当前提高在轨超高分辨率光谱仪测量精度的重要手段.以傅里叶型光谱仪为例,根据仪器线型函数的原理,利用在轨超高分辨率光谱仪实测太阳光谱定标数据不受大气气溶胶影响且具有独立太阳弗朗和费线的特征,来对在轨超高分辨率光谱仪的仪器线型函数进行监督和更新.实验以Kurucz太阳光谱模型作为参考光谱,在对应波段范围内分别选取多条实测太阳定标光谱和参考光谱的特征峰,通过调整光谱仪的狭缝模型,对特征峰残差进行迭代对比,演算出仪器ILS参数变化.最后,用更新的仪器线型函数与临边理论光谱卷积,与实测临边定标光谱比较验证,误差范围在-6%~8%.结果表明,该方法可为在轨超高分辨率光谱仪仪器线型函数的监督更新提供参考依据.     

共光路空间外差干涉仪理论与性能分析

介绍一种利用一块光栅兼作分束器和色散器的Ｓａｇｎａｃ型空间外差干涉仪的基本结构和原理,利用光波传播角谱理论详细分析给出此干涉仪形成的干涉图样和条纹定域位置。作为无动镜傅里叶光谱仪的干涉分光系统,阐明分光原理,给出理论仪器函数、无谱分辨极限和分辨本领、工作光谱范围、及光通量和视场等性能。指出它兼有传统傅里叶变换光谱仪和光学多通道分析仪（ＯＭＡ）的优点。     

成像光谱技术XI(SPIE Vol．6302)

一、傅里叶变换光谱仪1.用于烟缕探测的移动式遥感傅里叶变换红外光谱仪(Winthrop Wadsworth等) 2.用于远距离被动探测的8×8元镶嵌成像傅里叶变换光谱仪(Winthrop Wadsworth) 3.一种傅里叶变换光谱仪通用扫描机构控制器:可改善仪器在各种应用中的效用和灵活性(Luc Ro- chette等) 4.采用斐索干涉仪的喇曼光谱技术(J.Mudge等)     

成像光谱仪“混光”特性分析

成像光谱仪是新型多光谱遥感器，它具有获得地面的更丰富光谱信息的特点。无论采用滤光片分光还是色散元件分光，都不同程度地存在光空间的混杂。文中分析成像光谱仪“混光”特性，提出保障系统光谱特征和空间特性的判据。     

旋转光栅调制傅里叶变换频谱仪

提出了一种基于圆盘旋转光栅调制的傅里叶变换光谱仪 (FTS) ,光栅同时实现了分束和外差调制的功能。分析了三种实现分光的方案 ,通过对三个波长分别为 670nm ,63 3nm和 5 3 2nm的激光进行了频谱测量实验 ,结果表明该光谱仪具有良好的稳定性和抗干扰能力 ,经调制后测量灵敏度倍增 2 0倍 ,尤其适用于微弱信号测量和近红外领域。     

一种高线色散率测温激光雷达双光栅光谱仪

与目前广泛应用的532nm波段的发射波长相比,采用355nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高,分光光谱仪的线色散率要达到0.1nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪,通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计,模拟分析结果显示:间隔0.1nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1mm,满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比,验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。     

空间外差光谱仪成像光学系统设计

为满足高光谱傅里叶变换光谱仪对高光谱分辨率、小畸变、像面光谱辐照度均匀、高信噪比以及仪器轻量化小型化的要求,设计了空间外差光谱仪成像光学系统。基于傅里叶变换的空间外差光谱仪空间干涉的特点和对成像系统缩放比、畸变等要求,依据干涉图调制度分析了最恶劣面形改变条件下对干涉仪元件面形误差的要求,并采用前后镜组匹配实现了双远心成像系统的设计。设计结果表明:该光学结构可避免调焦产生的成像系统缩放比改变,有效视场内畸变量约0.1%,传递函数在38.5 lp/mm处物面所有点全视场范围逸0.60。依据仪器视场角对滤光片安装位置和精度提出要求,并对成像系统进行杂散光和照度均匀性分析提出有效抑制杂散光的措施和方法。系统设计满足了空间外差光谱仪对成像的要求,实现了照度均匀、低畸变、离焦情况下缩放比保持不变等。     

光栅拼接旋转误差检测系统

拼接光栅技术是提高高功率激光器输出能量的一条可能途径,为保障高功率激光器光束时空光束质量,拼接光栅角度误差必须小于0.4μrad,位移偏差小于20 nm。为了满足光栅拼接调整系统的高精度高稳定性要求,设计了光栅拼接旋转角度偏差检测方案用于测量两块相邻光栅之间的相对空间姿态。测量系统测量光束与压缩器主光束同轴,利用相移式干涉仪测量待测光,得到若干干涉图样,通过快速傅里叶变换还原波前得到相邻两块光栅相对空间角度偏差。通过实验验证了检测系统的理论可行性,目前在小口径光束下精度达到0.45μrad。测量方案结合拼接光栅只需要测量波面倾斜误差的要求,简化了干涉测量光路及图像分析流程,有利于光栅拼接技术的工程化应用。     

傅里叶变换光谱仪可监视更多的东西

美国加利福尼亚-戴维斯大学的研究人员利用一种新的各向异性微切削技术研制成了一种微型傅里叶变换光谱仪.这种微型傅里叶变换光谱仪将可以大大降低用于测量大气化学成分的系统的成本.据有关研究人员说,美国宇航局已打算将其用在一些空间探测仪上.     

基于矩阵的Sagnac干涉仪光谱复原理论研究

传统的干涉光谱仪光谱复原算法是利用傅里叶变换复原光谱,该方法为了消除有限光程差造成的旁瓣对光谱复原精度的影响,进行了干涉图切趾处理,但这会降低复原光谱的光谱分辨率.为了保证光谱分辨率和提高光谱复原精度,文章提出一种光谱复原方法——基于仪器特征矩阵的Sagnac干涉光谱仪光谱复原方法.该方法旨在通过实验室定标及理论推导为每个Sagnac干涉光谱仪系统构建一个仪器特征矩阵,对仪器特征矩阵利用最小二乘法复原光谱.利用多种物质的光谱进行仿真实验,测试两种光谱复原方法的光谱复原精度,结果显示仪器矩阵方法的复原误差稳定在1％～3％,而傅里叶变换法的复原误差在3％～7％的范围内.因此,和傅里叶变换光谱复原方法相比,基于仪器特征矩阵的光谱复原方法的光谱复原精度更高.     

新型红外空间遥感用傅里叶变换光谱仪

为了研制红外空间遥感用傅里叶变换光谱仪,将其作为风云三号、四号气象卫星的有效载荷,在比较国外各种航天工程项目中傅里叶变换光谱仪机械扫描方案的基础上,提出了一种新的机械扫描方案。它利用光通过平行平面镜组时光程随入射角度的改变而变化这一特性,同时把两支光路的光程改变量关联起来。该方案只使用平面反射镜,对于运动部件的精度要求比较低,对倾斜、磨损等不敏感。就国内的具体技术条件而言,这种方案是切实可行的。     

紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪

提出了一种结构简单的紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪,它是基于由两块半五角形棱镜构成的环行共光路干涉分光装置和电荷耦合器件（CCD）,具有无机械扫描、全谱同时测量、通光能力强、结构性能稳定和制造成本低等优点。给出了这种光谱仪的分光原理,系统结构及实验结果,并验证了这种结构的可行性。     

地球同步扫描成像吸收光谱仪的要求、设计原理和性能

大气科学所面临的重大问题之一是如何估计和了解自然的和人为的污染对局部、地区和大陆范围内生物质量的影响并对这种影响进行量化。要想了解地区污染在大陆范围内的影响，必须把每天的时间量程与季节和年时间量程联系起来，同时也必须把局部空间与地区和大陆空间范围联系起来。这就要求人们每时每刻都以适当的横向分辨率和垂直方向分辨率对这种污染进行监测。用像TOMS和GOME那样的仪器从低地球轨道平台上对对流层进行观测，这已经证明了探测与空气质量有关的大气成分的可能性。但是，这些仪器在每天的重访时间和对局部云层的统计方面受到了限制。从地球同步轨道上进行测量，这是以适当的横向分辨率从空间观测每日变化的一种实用方法。因此，有人提出了地球同步对流层污染探测仪（GeoTROPE）任务。这种探测仪由两台仪器构成，基中一台是覆盖热红外波段的地球同步傅里叶成像光谱仪（GeoFIS），另一台是覆盖紫外、可见光和短波红外（UV—VIS—SWIR）谱区的地球同步扫描成像吸收光谱仪（GeoSCIA）。本文简述通过用紫外一可见光一短波红外成像光谱仪测量背散射太阳辐射从地球同步轨道进行对流层遥感的可能性和可行性。GeoSCIA是一台采用二维CCD列阵进行光谱成像和空间成像的中分辨率成像光栅光谱仪。本文对该仪器的要求、设计原理和性能作了介绍，并估计了对流层成分的提取精度。阳光背散射测量结果与GeoFIS的热红外测量结果的综合分析表明，把这些谱区中的观测结果结合起来可以更高的精度测量低至边界层或者云顶高度处的有关成分的浓度。     

Fourier变换轮廓术中参数的选择和优化研究

利用光栅投影法原理进行三维物体轮廓测量的关键是要选取合适的参数,以确保系统测量精度和测量范围,并确保证傅里叶频谱的完全分离.重点讨论利用等效波长的概念,对傅里叶变换轮廓术(FTP)中的参数进行选择和优化.实验结果表明,压缩夹角,提高投影光栅的空间频率,可在频域中避免各次频谱的混叠,并保证系统的测量精度.     

基于马赫-曾德干涉仪的傅里叶变换光谱仪

傅里叶变换光谱仪现已广泛应用于红外光谱学领域,它也是较为适合对大气温度、湿度、风场以及大气成分进行天基垂直探测的一种遥感仪器。提出了一种基于马赫-曾德干涉仪的傅里叶变换光谱仪。马赫-曾德干涉仪的一组反射镜作匀速直线运动,线性改变两个光学臂之间的光程差,然后平衡探测器对两路干涉信号进行差分检测。通过对光程差线性变化的电信号进行傅里叶变换,可以获得输入光的光谱分布曲线。与迈克尔逊干涉仪相比,马赫-曾德干涉仪在同样光通量输入条件下得到的干涉信号更强,且由非相干强度带来的噪声更小。该结果对于卫星遥感来说十分有利。     

短中波红外长线阵拼接集成滤光片技术研究

空间光谱成像技术的发展使得探测器阵列与分光元件的集成成为一种趋势,长线阵拼接集成滤光片是空间多光谱成像仪实现焦平面集成分光的关键器件,在我国空间多光谱成像光学系统中需求明显。设计了4通道短中波红外长线阵拼接集成滤光片,采用离子束辅助轰击的电子枪蒸发方法制备了各通道窄带滤光片,利用专门研制的工装探索了拼接工艺,研制出了短中波红外长线阵拼接集成滤光片。测试结果表明:集成滤光片各通道平均透射率达到90%,最小带宽为230 nm （中心波长为4.95 μm）,光谱性能与设计结果吻合,满足性能指标要求。最小拼缝宽度仅为10 μm,拼缝不平行误差为1 μm,集成滤光片设计结构和拼接强度能够耐受抗振性试验。该集成滤光片已经在空间光学遥感仪器上成功应用。     

高分辨率成像光谱的偏振监视装置

德国柏林空间遥感仪器技术研究所和德国空间局卫星系统光学仪器部等部门合作研制成像光谱仪用的偏振监视装置。由于对地面和环境观测的光学遥感系统要求集中于辐射探测精度,特别是对高分辨率成像光谱仪对辐射精度要求越来越高。对遥感仪器精确和认真地进行地面和飞行标定是满足高精度要求的基本条件之一。根据     

一种新型傅里叶变换红外成像分光辐射度计

ABBBemen正扩大他的红外遥感产品的生产线,并且增添一种新型成像分光辐射度计。这种超光谱仪器基于已经证实的MR－FTIR分光辐射度计,称为MR—i仪器,是一种快速成像傅里叶变换分光辐射计。它产生的光谱数据立方在中红外到远红外之间,并且被设计得足够快以获得瞬间事件的光谱信号。该设计为模块化,仪器的两个输出端口能够与不同的探测器兼容,无论是成像还是非成像的。测量宽光谱范围时,一个输出端口安装了远红外相机,而另一个端口安装的是中红外相机。由于没有二向色滤光片来分割光谱带,因此增强了灵敏度。两个端口都可以装备测量相同光谱范围的相机,但是必须设置在不同的灵敏度级别,用来增加动态范围避免场景光亮部分的饱和,同时获得场景灰暗部分较好的测量结果。对于输入端口,可以选择不同的望远镜。本文对其当前的发展状况进行了概述。     

关于分光技术的新设想

本文在对经典迈克尔逊傅里叶干涉光谱仪和静态无动镜双光源傅里叶干涉光谱仪分析讨论的基础上,提出了一种包含上述两种分光技术优点的我技术;静止时间调制傅里叶分光技术。