Erforschung des Prinzips und der Anwendung eines interferometrischen Spektrometers vom Typ Zeit-Klima-Konditionierung

Unter den vielen Spektrometertypen zeichnen sich interferometrische Spektrometer durch ihre... aus.Hoher Lichtdurchsatz, hohe spektrale Auflösung, hohes Signal-Rausch-Verhältnis und breite BandabdeckungEs bietet erhebliche Vorteile. Im Gegensatz zu herkömmlichen dispersiven Spektrometern, die auf Prismen oder Gittern basieren, nutzt es das Prinzip der Interferenz, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu überlagern und so Interferenzstreifen zu erzeugen. Anschließend wird die Interferenzinformation mittels Fourier-Transformation in ein Spektrum dekodiert. Dadurch können extrem nahe beieinander liegende Wellenlängen unterschieden, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auch bei schwachem Licht oder im Infrarotbereich aufrechterhalten und Breitbandmessungen vom sichtbaren Licht bis zum mittleren und fernen Infrarotbereich durchgeführt werden. Es findet breite Anwendung in der Atmosphärenüberwachung, der Umweltfernerkundung und der Infrarot-Materialanalyse. Kern eines interferometrischen Spektrometers ist die Erzeugung und Aufzeichnung von Änderungen der optischen Weglängendifferenz (OPD), um vollständige Interferenzstreifen zu erhalten und die spektrale Verteilung zu rekonstruieren. Je nach Methode der OPD-Erfassung lassen sich zeitmodulierte, räumlich modulierte und zeitgesteuerte Typen unterscheiden. Dieser Artikel konzentriert sich auf den zeitgesteuerten Typ des interferometrischen Spektrometers und verwendet das klassische Large Aperture Static Interferometric Imaging Spectrometer (LASIS) als Beispiel.

Die LASIS-Struktur besteht im Wesentlichen aus einem optischen Frontteleskop, einem aus verkitteten halbpentagonalen Prismen gefertigten Scherinterferometer, einem Fourier-Bildgebungsobjektiv und einem Flächendetektor. Das Frontteleskop komprimiert die Apertur des Zielstrahls, um sie an das Interferometer anzupassen und so die Systemgröße effektiv zu reduzieren (siehe Abbildung 1). Im Betrieb teilt das Scherinterferometer die einfallende Zielstrahlung in zwei kohärente Strahlen mit optischer Weglängendifferenz auf, wodurch Interferenzstreifen auf der hinteren Brennebene des optischen Systems entstehen. Die Größe der optischen Weglängendifferenz bestimmt die spektrale Auflösung: Je größer die optische Weglängendifferenz, desto höher die Auflösung. Der Detektor erfasst anschließend das interferenzmodulierte „Interferenzbild“ (siehe Abbildung 2), das gleichzeitig zweidimensionale Ortsinformationen und eindimensionale Spektralinformationen des Ziels enthält.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des optischen Prinzips von LASIS

(Bildquelle: Hu Bingliang. Ein Überblick über die Entwicklung der interferometrischen spektroskopischen Bildgebungstechnologie (Eingeladener Beitrag))

Abbildung 2. Das vom Interferometer aus dem LASIS-Ausgang modulierte „Interferenzbild“.

(Bildquelle: Li Xiangbin. Forschung zur Bildkorrekturtechnologie für statische interferometrische Bildgebungsspektrometer mit großer Apertur)

Abbildung 3 veranschaulicht den Prozess der spektralen Informationserfassung eines bestimmten Bodenmerkmals durch LASIS. Abbildung 3(a) zeigt den Bildgebungsprozess, wobei verschiedene Symbole (■, ★, ●) die Positionen unterschiedlicher Bodenmerkmale darstellen. Im Verlauf des Pushbroom-Verfahrens erfasst der Detektor schrittweise Interferenzstreifen desselben Bodenmerkmals unter verschiedenen optischen Weglängendifferenzen und fügt diese anschließend in der Scanreihenfolge zu einem vollständigen Interferogramm zusammen (Abbildung 3(b)). Aus diesem Interferogramm wird die Streifenkurve eines einzelnen Pixels extrahiert (Abbildung 3(c)), und nach der Fourier-Transformation kann die Spektralkurve dieses Pixels dekodiert werden (Abbildung 3(d)). Der gesamte Prozess umfasst Datenverarbeitungsschritte wie das Zusammenfügen der Streifen, die Dunkelstromkorrektur und Rauschunterdrückung, die Fourier-Dekodierung und die spektrale Kalibrierung. Diese Schritte gewährleisten die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der spektralen Informationen jedes Pixels und bilden eine solide Grundlage für weitere Analysen und Anwendungen.