本實(shí)用新型涉及一種移相式干涉光譜成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

干涉光譜成像技術(shù)在對(duì)地遙感方面有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值，基于等傾干涉的大口徑橫向剪切干涉儀在應(yīng)用于干涉光譜成像時(shí)具有高探測(cè)靈敏度，且易于實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)成像的技術(shù)特點(diǎn)，其干涉圖的特點(diǎn)非常適合于近地軌道衛(wèi)星平臺(tái)的推掃工作模式，但當(dāng)這種工作模式在地球靜止軌道時(shí)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)推掃成像，需要增加大尺度高精度的前置掃描反射鏡，除對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)帶來(lái)擾動(dòng)影響外，還需占用大量的衛(wèi)星平臺(tái)資源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述應(yīng)用需求，本實(shí)用新型提出一種基于位相掃描的移相式干涉光譜成像系統(tǒng)，可在凝視狀態(tài)下工作，適用于靜止軌道衛(wèi)星的遙感探測(cè)。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：

移相式干涉光譜成像系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)、移相式橫向剪切干涉儀、傅里葉成像物鏡和光電探測(cè)器；所述移相式橫向剪切干涉儀位于前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)的輸出光路上，傅里葉成像物鏡位于移相式橫向剪切干涉儀的輸出光路上，光電探測(cè)器位于傅里葉成像物鏡的像面上；待測(cè)目標(biāo)波前經(jīng)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)直后進(jìn)入移相式橫向剪切干涉儀，產(chǎn)生一系列的干涉圖，傅里葉成像物鏡將所述干涉圖聚焦到光電探測(cè)器靶面上，由光電探測(cè)器記錄所述干涉圖。

上述移相式橫向剪切干涉儀包括第一直角反射鏡、第二直角反射鏡、分束器、移相器和補(bǔ)償器；所述移相器和第一直角反射鏡沿所述分束器的反射光路依次設(shè)置；所述補(bǔ)償器和第二直角反射鏡沿所述分束器的透射光路依次設(shè)置。

上述移相式橫向剪切干涉儀包括第一直角棱鏡、第二直角棱鏡、分束器、移相器和補(bǔ)償器；所述移相器和第一直角棱鏡沿所述分束器的反射光路依次設(shè)置；所述補(bǔ)償器和第二直角棱鏡沿所述分束器的透射光路依次設(shè)置。

上述移相器由一對(duì)楔角板組成，這兩個(gè)楔角板的斜邊相貼合，即兩個(gè)楔角板的反向相對(duì)放置。

上述分束器為棱鏡式分束器。

采用上述成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)波前進(jìn)行成像的方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)將目標(biāo)波前進(jìn)行收集和準(zhǔn)直；

2)準(zhǔn)直后的目標(biāo)波前入射至移相式橫向剪切干涉儀，產(chǎn)生相干的兩個(gè)橫向剪切波前；

3)利用傅里葉成像物鏡將所述干涉圖聚焦成像，形成帶干涉圖調(diào)制的景物圖像；

4)利用光電探測(cè)器采集步驟3)中所成的像；

5)調(diào)整移相式橫向剪切干涉儀使所述干涉圖在傅里葉成像物鏡的像面上移動(dòng)；

6)利用光電探測(cè)器記錄移相器的每一步相移所對(duì)應(yīng)的干涉圖，從而獲取目標(biāo)波前對(duì)應(yīng)的干涉圖序列；

7)通過(guò)數(shù)據(jù)處理與傅里葉逆變換得到目標(biāo)波前的光譜分布。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是：

本實(shí)用新型可在凝視狀態(tài)下工作，適用于靜止軌道衛(wèi)星的遙感探測(cè)，在地球靜止軌道時(shí)能實(shí)現(xiàn)凝視狀態(tài)下的寬視場(chǎng)高光譜成像，無(wú)需增加大尺度高精度的前置掃描反射鏡，不會(huì)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)帶來(lái)擾動(dòng)影響，不會(huì)占用衛(wèi)星平臺(tái)資源。本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)具有高通量和多通道的優(yōu)勢(shì)，探測(cè)靈敏度高，易于實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率的光譜探測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的動(dòng)態(tài)光譜觀測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a和圖2b是本實(shí)用新型移相器的工作原理示意圖；

圖3是移相器零位時(shí)干涉原理示意圖；

圖4是移相器移相后干涉原理示意圖；

圖中，1-前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)，2-移相式橫向剪切干涉儀，21-分束器，22-移相器，23-補(bǔ)償器，24-第一直角反射鏡，25-第二直角反射鏡，3-傅里葉成像物鏡，4-光電探測(cè)器。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型所提供的移相式干涉光譜成像系統(tǒng)由前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)1、移相式橫向剪切干涉儀2、傅里葉成像物鏡3和光電探測(cè)器4組成。

移相式橫向剪切干涉儀2是本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)光譜遙感探測(cè)的核心，它由第一直角反射鏡24、第二直角反射鏡25、分束器21、移相器22和補(bǔ)償器23組成，其中,移相器22和第一直角反射鏡24依次設(shè)置在分束器21的反射光路上；補(bǔ)償器23和第二直角反射鏡25依次設(shè)置在分束器21的透射光路上。這里兩個(gè)直角反射鏡可由直角棱鏡替代；分束器可以是兩塊平行平板，也可以是棱鏡式分束器。移相器22由兩塊楔角為α的楔板相向組成，當(dāng)其中一塊楔板沿斜面移動(dòng)時(shí)，移相器22的厚度會(huì)產(chǎn)生變化。

遠(yuǎn)距離目標(biāo)波前經(jīng)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)1收集準(zhǔn)直進(jìn)入移相式橫向剪切干涉儀2，入射的目標(biāo)波前經(jīng)移相式橫向剪切干涉儀2后進(jìn)入傅里葉成像物鏡，聚焦到光電探測(cè)器4靶面形成帶干涉調(diào)制的目標(biāo)景物圖像。

移相式橫向剪切干涉儀2在像面(即光電探測(cè)器4的靶面所在平面)上產(chǎn)生直線條紋的干涉圖，當(dāng)移相器22發(fā)生相移時(shí)，所述干涉圖在像面上產(chǎn)生移動(dòng)，光電探測(cè)器4記錄每一步相移所產(chǎn)生的干涉圖，從而獲取目標(biāo)波前對(duì)應(yīng)的干涉圖序列，最后經(jīng)過(guò)重新排列干涉圖和傅里葉逆變換即可得到目標(biāo)波前的光譜分布。

下面結(jié)合附圖1～附圖4對(duì)本實(shí)用新型的具體工作原理進(jìn)行詳述。

來(lái)自物點(diǎn)的入射波前W經(jīng)橫向剪切干涉儀2后形成兩路剪切開(kāi)的相干波前W1和W2，具體為：

入射波前W經(jīng)分束器21分成兩路：一路光經(jīng)過(guò)移相器22和第一反射鏡24后，再反射回到分束器21，從分束器21透射形成波前W1；另一路光經(jīng)過(guò)補(bǔ)償器23和第二反射鏡25后，反射回到分束器21，從分束器21透射形成波前W2。

波前W1和波前W2在像面處的光振動(dòng)E可以表示為：

上式中a₁、a₂分別為兩束光波的振幅，L₁、L₂分別為兩束光波到像點(diǎn)處的光程，ωt為時(shí)間位相因子，為空間位相因子。

波前W1和波前W2在像面處的光的合振動(dòng)E可以表示為

E＝E₁+E₂ (3)

光電探測(cè)器4接收的是干涉圖的強(qiáng)度信息，因此，兩光波在像點(diǎn)處的振動(dòng)強(qiáng)度I可表示為：

其中ΔL＝L₁-L₂

由公式(4)可以看出，像面上物點(diǎn)的干涉圖強(qiáng)度變化取決于位相差κ(ΔL，也即取決于兩光波的光程差這里s為圖1所示干涉儀剪切量,f_ftl為傅里葉成像物鏡的焦距，D_p為光電探測(cè)器像元間隔，i為探測(cè)器像元位置，N為探測(cè)器像元數(shù)。

移相器22的作用是產(chǎn)生兩個(gè)剪切波面的附加光程差ΔL′，為公式(4)引入一個(gè)附加相位以實(shí)現(xiàn)干涉圖的位相掃描。如圖2a和圖2b所示，當(dāng)移相器22的一塊楔板沿另一塊楔板的斜面移動(dòng)時(shí)，移相器的厚度會(huì)產(chǎn)生變化，從而使得移相器這一支光路的波前W1產(chǎn)生附加光程ΔL′；第j步相移對(duì)應(yīng)的附加光程差ΔL′可表示為

ΔL′＝2(j·δd)(n-1) (5)

公式(5)中n為移相器材料的折射率，d為移相器零位時(shí)的厚度(即初始狀態(tài)時(shí)的厚度)，δd為楔板每步相移器厚度變化量，且滿足：

對(duì)于移相式橫向剪切干涉儀2所能實(shí)現(xiàn)的最大剪切量S應(yīng)滿足Nyquist采樣定理：

式中υ_m為光譜成像系統(tǒng)所探測(cè)目標(biāo)的光譜的最高頻率。

橫向剪切干涉儀所能實(shí)現(xiàn)的最大光程差ΔL_m取決于探測(cè)器靶面的像元數(shù)：

公式(8)中N是光電探測(cè)器相機(jī)的像元數(shù)。因此移相器的最大工作范圍為±ΔL_m。

則相移式干涉干涉光譜成像干涉圖強(qiáng)度可以表示為：

圖3與圖4進(jìn)一步解釋了本實(shí)用新型移相干涉成像的技術(shù)原理。

在圖3中，當(dāng)移相器22在零位時(shí)，光軸上物點(diǎn)兩個(gè)波前W_O1和W_O2具有相等的光程，其光程差ΔL為零，此時(shí)光軸外物點(diǎn)P點(diǎn)的光程差的大小由公式確定，式中y為軸外物點(diǎn)P點(diǎn)的成像像高，S為橫向剪切干涉儀的最大剪切量。

在圖4中，當(dāng)移相器22產(chǎn)生相移后，光軸上物點(diǎn)的光程差ΔL即為移相器22產(chǎn)生的附加光程差ΔL′；對(duì)于光軸外物點(diǎn)P，當(dāng)移相器22產(chǎn)生的附加光程差ΔL′等于橫向剪切干涉儀在P點(diǎn)的光程差ΔL時(shí)，光軸外物點(diǎn)P發(fā)出的兩束光W_P1和W_P2的光程相等，光程差為零，表示零光程差的位置已從光軸上物點(diǎn)移動(dòng)至光軸外物點(diǎn)，在整個(gè)移相過(guò)程中，光電探測(cè)器4記錄采集一系列的移相干涉圖，以獲取目標(biāo)景物進(jìn)行光譜復(fù)原所需的干涉圖序列。

對(duì)于本實(shí)用新型，第一反射鏡或第二反射鏡也可以作為移相器使用，任意一塊反射鏡沿光軸移動(dòng)產(chǎn)生能夠附加光程差以實(shí)現(xiàn)干涉圖的位相掃描，其原理同上所述。