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Generador de imágenes espectroscópicas interferométricas de transformada de Fourier con modulación conjunta espaciotemporal: principio del sistema Sagnac y extracción de la matriz de interferencia.
Introducción a los antecedentes
En los campos de la imagen óptica computacional y la teledetección hiperespectral, la tecnología de imagen espectral interferométrica de transformada de Fourier con modulación conjunta espaciotemporal, gracias a sus ventajas de alto rendimiento, significativa ganancia de relación señal-ruido y hardware totalmente de estado sólido sin partes móviles, se ha convertido en una vía técnica indispensable para cargas útiles aeroespaciales y detección de precisión en laboratorios. Como la arquitectura más representativa en este campo, el interferómetro triangular de trayectoria común de Sagnac utiliza su resistencia inherente a las vibraciones y su estructura física compacta para lograr un acoplamiento eficiente y una adquisición de alta fidelidad de la información 3D del objetivo en el plano de imagen del detector mediante una ingeniosa combinación de mecanismo de cizallamiento lateral y movimiento de barrido del portador. Este artículo se centrará en la física óptica de los sistemas de barrido, analizará en profundidad el mecanismo de generación y la ley de mapeo espaciotemporal de los datos de campo interferométricos, y discutirá en detalle el proceso de extracción de discretización de la matriz interferométrica, con el objetivo de proporcionar una base teórica rigurosa y soporte técnico para mejorar la precisión de la reconstrucción espectral en entornos complejos de teledetección.
Para traducir estas ventajas teóricas a la práctica de la ingeniería, se desarrolló la espectroscopia de imagen interferométrica estática de gran apertura (LASIS). Como un avance significativo respecto a la imagen interferométrica de modulación espacial tradicional, LASIS consta de un sistema óptico frontal, un interferómetro de Sagnac, un espejo de imagen (espejo de transformada de Fourier), un detector (FPA) y un sistema de adquisición de datos, como se ilustra en la Figura 1. Su principio básico es la introducción de un divisor de haz de corte transversal en el sistema de imagen al infinito. Su principal evolución, en comparación con los interferómetros tradicionales, reside en la reconstrucción del diafragma de campo: una apertura de gran apertura tipo ventana reemplaza al diafragma de campo de rendija tradicional en el plano focal posterior del sistema óptico frontal. Esta mejora no solo reduce el tamaño de los componentes ópticos subsiguientes al utilizar el sistema frontal, sino que también permite al sistema formar una imagen bidimensional del objetivo en el plano de imagen (FPA). Este salto de "línea" a "plano" mejora significativamente la transmisión de luz del sistema y la eficiencia de detección, al tiempo que sienta una base estructural crucial para la modulación conjunta espaciotemporal posterior.
Figura 1. Diagrama esquemático de la trayectoria óptica de un espectrómetro de imágenes interferométricas estáticas de gran apertura.(Fuente de la imagen: Chen Tieqiao. Investigación sobre el método de reconstrucción hiperespectral basado en el mecanismo de imágenes interferométricas y las características de error)
En esta arquitectura, la información de interferencia se origina a partir del cizallamiento transversal d generado por el interferómetro de Sagnac. Cada haz de luz del objetivo, al entrar en el interferómetro, se divide en dos haces coherentes paralelos que convergen en el mismo punto del sensor de imagen (FPA) a través del espejo de imagen, provocando interferencia. En el plano de imagen, la diferencia de trayectoria óptica Δ de la interferencia está determinada por el cizallamiento d, la distancia focal f del espejo de imagen y la distancia y desde el punto de interferencia hasta el punto de diferencia de trayectoria óptica cero. Dado que el valor de y corresponde al campo de visión del espectrómetro en la dirección del cizallamiento, la diferencia de trayectoria óptica generada en cada punto de la superficie del FPA es espacialmente constante. Esto da como resultado una morfología única en la imagen de un solo fotograma adquirida por LASIS, donde la información espacial bidimensional se superpone a las franjas de interferencia unidimensionales. Específicamente, en el instante del muestreo, como se muestra en la Figura 2, la respuesta del píxel del detector es en realidad la información de interferencia modulada espacialmente que corresponde al campo de visión del objetivo.
Figura 2. Diagrama esquemático de franjas de interferencia unidimensionales superpuestas con información espacial bidimensional de una sola imagen.
Principios técnicos
Sin embargo, una sola imagen de fotograma solo registra la respuesta instantánea del objetivo bajo una diferencia de trayectoria óptica específica. Para obtener un interferograma completo que cubra todas las bandas de muestreo para cada punto del objetivo en tierra, es necesario obtener imágenes continuas de barrido lineal a lo largo de la dimensión espectral (es decir, la dirección de cizallamiento). Durante el movimiento del portador, el mismo punto del objetivo en tierra es capturado por diferentes píxeles del detector en diferentes momentos, y estos píxeles, debido a sus diferentes posiciones espaciales, corresponden a diferentes modulaciones de la diferencia de trayectoria óptica. Cuando el barrido lineal alcanza el rango máximo de muestreo de la diferencia de trayectoria óptica, se forma un conjunto de puntos de muestreo interferométricos dispuestos en una serie temporal. Por lo tanto, los datos de imagen LASIS sin procesar deben someterse a una reorganización y extracción rigurosas: en las imágenes de la serie temporal del barrido lineal, para cada píxel en la dimensión espacial, sus datos interferométricos correspondientes en cada fotograma se extraen secuencialmente a lo largo de la dimensión espectral. Este proceso de "extracción" del interferograma puntual de la serie temporal es la lógica central de procesamiento de datos del espectrómetro de modulación conjunta espaciotemporal, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3. Reorganización y extracción de datos de imagen sin procesar de LASIS
Análisis de resultados
Basándose en este proceso físico, el sistema reconstruye y extrae un novedoso cubo de datos tridimensional —LAMIS (Large-aperture Multispectral Interferometric Stack)— mediante el escaneo y la recombinación de la secuencia de imágenes de barrido lineal de campo completo. Dentro del cubo de datos LAMIS, la estructura de datos se desacopla con precisión: su capa espacial es una imagen de escena limpia tras el procesamiento numérico y la eliminación de franjas de interferencia, que refleja de forma realista la distribución geométrica del objetivo, como se muestra en la Figura 4; mientras que la dimensión de interferencia registra las curvas de interferencia puntuales correspondientes a cada columna de características del terreno, como se muestra en la Figura 5, que ilustra un diagrama bidimensional de las curvas de interferencia para una columna de características del terreno. Este proceso de "extracción" del cubo LAMIS a partir de la imagen original acoplada espaciotemporalmente logra la separación digital de la información espacial y de interferencia.
Figura 4. Imagen de la escena limpia después de eliminar las franjas de interferencia.
Figura 5. Diagrama esquemático bidimensional de la curva de interferencia de una serie de características del terreno.