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Spatiotemporales gemeinsames Modulations-Fourier-Transformations-Interferometer-Spektroskop – Sagnac-Systemprinzip und Extraktion der Interferenzmatrix
Hintergrund Einführung
In der computergestützten optischen Bildgebung und hyperspektralen Fernerkundung hat sich die raumzeitliche gemeinsame Modulations-Fourier-Transformations-Interferometrie (STM-FTI) aufgrund ihres hohen Durchsatzes, des signifikanten Signal-Rausch-Verhältnisses und der Verwendung von Halbleiterhardware ohne bewegliche Teile zu einer unverzichtbaren Technologie für Nutzlasten in der Luft- und Raumfahrt sowie für präzise Labormessungen entwickelt. Als repräsentativste Architektur in diesem Bereich nutzt das Sagnac-Dreieck-Interferometer seine inhärente Vibrationsfestigkeit und kompakte Bauweise, um durch eine geschickte Kombination aus seitlicher Scherung und Schubbürstenbewegung eine effiziente Kopplung und hochpräzise Erfassung von 3D-Zielinformationen auf der Detektorbildebene zu erreichen. Dieser Artikel konzentriert sich auf die optische Physik von Schubbürstensystemen, analysiert den Entstehungsmechanismus und das raumzeitliche Abbildungsgesetz interferometrischer Felddaten und erörtert detailliert den Diskretisierungsprozess der interferometrischen Matrix. Ziel ist es, eine fundierte theoretische Grundlage und technische Unterstützung für die Verbesserung der spektralen Rekonstruktionsgenauigkeit in komplexen Fernerkundungsumgebungen zu liefern.
Um diese theoretischen Vorteile in die Praxis umzusetzen, wurde die statische interferometrische Bildgebungsspektroskopie mit großer Apertur (LASIS) entwickelt. Als bedeutender Fortschritt gegenüber der traditionellen räumlichen Modulationsinterferometrie besteht LASIS aus einem optischen Frontsystem, einem Sagnac-Interferometer, einem Abbildungsspiegel (Fourier-Transformationsspiegel), einem Detektor (FPA) und einem Datenerfassungssystem (siehe Abbildung 1). Das Grundprinzip beruht auf der Integration eines transversalen Scherstrahlteilers in das unendliche Abbildungssystem. Die zentrale Weiterentwicklung gegenüber herkömmlichen Interferometern liegt in der Rekonstruktion der Feldblende: Eine großflächige Fensterblende ersetzt die herkömmliche Schlitzfeldblende in der hinteren Brennebene des optischen Frontsystems. Diese Verbesserung reduziert nicht nur die Größe der nachfolgenden optischen Komponenten durch die Nutzung des Frontsystems, sondern ermöglicht es dem System auch, ein zweidimensionales Bild des Zielobjekts in der Bildebene (FPA) zu erzeugen. Dieser Schritt von der Linien- zur Flächendarstellung verbessert die Lichttransmission und Detektionseffizienz des Systems signifikant und legt gleichzeitig eine wichtige strukturelle Grundlage für die nachfolgende raumzeitliche Modulation.
Abbildung 1. Schematische Darstellung des optischen Pfades eines statischen interferometrischen Bildgebungsspektrometers mit großer Apertur(Bildquelle: Chen Tieqiao. Forschung zur hyperspektralen Rekonstruktionsmethode basierend auf dem interferometrischen Abbildungsmechanismus und Fehlercharakteristika)
In dieser Architektur entsteht die Interferenzinformation durch die Querscherung d, die vom Sagnac-Interferometer erzeugt wird. Jeder Lichtstrahl des Messobjekts wird beim Eintritt in das Interferometer in zwei parallele, kohärente Strahlen zerlegt, die über den Abbildungsspiegel auf dem Bildsensor (FPA) im selben Punkt zusammenlaufen und dort Interferenz erzeugen. In der Bildebene wird die optische Weglängendifferenz Δ der Interferenz durch die Scherung d, die Brennweite f des Abbildungsspiegels und den Abstand y vom Interferenzpunkt zum Punkt mit verschwindender optischer Weglängendifferenz bestimmt. Da der Wert von y dem Sichtfeld des Spektrometers in Scherrichtung entspricht, ist die an jedem Punkt der FPA-Oberfläche erzeugte optische Weglängendifferenz räumlich konstant. Dies führt zu einer einzigartigen Morphologie im Einzelbild, das von LASIS aufgenommen wird: Zweidimensionale räumliche Informationen überlagern sich mit eindimensionalen Interferenzstreifen. Genauer gesagt, zum Zeitpunkt der Abtastung, wie in Abbildung 2 dargestellt, entspricht die Pixelantwort des Detektors den räumlich modulierten Interferenzdaten, die dem Sichtfeld des Ziels entsprechen.
Abbildung 2. Schematische Darstellung von eindimensionalen Interferenzstreifen, die mit zweidimensionalen räumlichen Informationen aus einem Einzelbild überlagert sind.
Technische Prinzipien
Ein Einzelbild erfasst jedoch nur die momentane Reaktion des Ziels unter einer bestimmten optischen Weglängendifferenz. Um für jeden Zielpunkt am Boden ein vollständiges Interferogramm zu erhalten, das alle Abtastbänder abdeckt, ist eine kontinuierliche Bildaufnahme mittels Pushbroom-Verfahren entlang der spektralen Dimension (d. h. der Scherrichtung) erforderlich. Während der Bewegung des Trägers wird derselbe Zielpunkt am Boden von verschiedenen Pixeln des Detektors zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst. Diese Pixel entsprechen aufgrund ihrer unterschiedlichen räumlichen Positionen unterschiedlichen Modulationen der optischen Weglängendifferenz. Sobald der Pushbroom-Sensor den maximalen Abtastbereich der optischen Weglängendifferenz erreicht hat, entsteht eine Reihe von interferometrischen Abtastpunkten in zeitlicher Reihenfolge. Daher müssen die Rohdaten des LASIS-Bildes aufwendig neu angeordnet und extrahiert werden: In den Zeitreihenbildern des Pushbroom-Verfahrens werden für jedes Pixel in der räumlichen Dimension die entsprechenden interferometrischen Daten in jedem Einzelbild sequenziell entlang der spektralen Dimension extrahiert. Dieser Prozess des „Extrahierens“ des Punktinterferogramms aus der Zeitreihe ist die Kernlogik der Datenverarbeitung des raumzeitlichen gemeinsamen Modulationsspektrometers, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3. Neuanordnung und Extraktion der LASIS-Rohbilddaten
Ergebnisanalyse
Basierend auf diesem physikalischen Prozess rekonstruiert und extrahiert das System einen neuartigen dreidimensionalen Datenwürfel – LAMIS (Large-aperture Multispectral Interferometric Stack) – durch Scannen und Rekombinieren der Bildsequenz des gesamten Sichtfelds. Innerhalb des LAMIS-Datenwürfels ist die Datenstruktur fein entkoppelt: Seine räumliche Ebene ist ein bereinigtes Szenenbild nach numerischer Verarbeitung und Entfernung von Interferenzstreifen, das die geometrische Verteilung des Ziels realistisch widerspiegelt (siehe Abbildung 4). Die Interferenzdimension erfasst die Punktinterferenzkurven, die jeder Spalte von Bodenmerkmalen entsprechen (siehe Abbildung 5), welche ein zweidimensionales Diagramm der Interferenzkurven für eine Spalte von Bodenmerkmalen darstellt. Durch die Extraktion des LAMIS-Würfels aus dem ursprünglichen räumlich-zeitlich gekoppelten Bild wird die digitale Trennung von räumlichen und Interferenzinformationen erreicht.
Abbildung 4. Bild der sauberen Szene nach Entfernung der Interferenzstreifen.
Abbildung 5. Zweidimensionale schematische Darstellung der Interferenzkurve einer Reihe von Bodenmerkmalen.