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Imageur spectroscopique interférométrique à transformée de Fourier par modulation conjointe spatio-temporelle – Principe du système de Sagnac et extraction de la matrice d'interférence
Introduction générale
Dans les domaines de l'imagerie optique computationnelle et de la télédétection hyperspectrale, l'imagerie spectrale interférométrique par transformée de Fourier à modulation conjointe spatio-temporelle (SFTI-M), grâce à son débit élevé, son gain significatif en rapport signal/bruit et sa conception entièrement à semi-conducteurs sans pièces mobiles, est devenue une voie technique incontournable pour les charges utiles aérospatiales et la détection de précision en laboratoire. L'interféromètre de Sagnac à chemin optique commun, architecture la plus représentative dans ce domaine, exploite sa résistance intrinsèque aux vibrations et sa structure physique compacte pour réaliser un couplage efficace et une acquisition haute fidélité des informations 3D de la cible sur le plan image du détecteur, grâce à une combinaison ingénieuse d'un mécanisme de cisaillement latéral et d'un mouvement de balayage linéaire. Cet article se concentre sur la physique optique des systèmes à balayage linéaire, analyse en profondeur le mécanisme de génération et la loi de cartographie spatio-temporelle des données de champ interférométriques, et décrit en détail le processus d'extraction par discrétisation de la matrice interférométrique. L'objectif est de fournir une base théorique rigoureuse et un support technique pour améliorer la précision de la reconstruction spectrale dans des environnements de télédétection complexes.
Pour traduire ces avantages théoriques en pratique, la spectroscopie d'imagerie interférométrique statique à grande ouverture (LASIS) a été développée. Représentant une avancée majeure par rapport à l'imagerie interférométrique à modulation spatiale traditionnelle, LASIS se compose d'un système optique frontal, d'un interféromètre de Sagnac, d'un miroir imageur (miroir à transformée de Fourier), d'un détecteur (FPA) et d'un système d'acquisition de données, comme illustré sur la figure 1. Son principe de base repose sur l'introduction d'un séparateur de faisceau à cisaillement transversal dans le système d'imagerie à l'infini. Son principal progrès par rapport aux interféromètres traditionnels réside dans la reconstruction du diaphragme de champ : une ouverture de type fenêtre à grande dimension remplace le diaphragme de champ à fente traditionnel au niveau du plan focal arrière du système optique frontal. Cette amélioration permet non seulement de réduire la taille des composants optiques suivants grâce à l'utilisation du système frontal, mais aussi de former une image bidimensionnelle de la cible sur le plan image (FPA). Ce passage d'une représentation « ligne » à une représentation « plan » améliore considérablement la transmission de la lumière et l'efficacité de détection du système, tout en posant les bases structurelles essentielles à la modulation conjointe spatio-temporelle ultérieure.
Figure 1. Schéma du trajet optique d'un spectromètre imageur interférométrique statique à grande ouverture(Source de l'image : Chen Tieqiao. Recherche sur une méthode de reconstruction hyperspectrale basée sur le mécanisme d'imagerie interférométrique et les caractéristiques d'erreur)
Dans cette architecture, l'information d'interférence provient du cisaillement transversal d généré par l'interféromètre de Sagnac. Chaque faisceau lumineux issu de la cible, à son entrée dans l'interféromètre, est divisé en deux faisceaux cohérents parallèles qui convergent en un même point sur le capteur d'image (FPA) via le miroir imageur, provoquant ainsi des interférences. Sur le plan image, la différence de marche optique Δ de l'interférence est déterminée par le cisaillement d, la distance focale f du miroir imageur et la distance y entre le point d'interférence et le point de différence de marche optique nulle. La valeur de y correspondant au champ de vision du spectromètre dans la direction du cisaillement, la différence de marche optique générée en chaque point de la surface du FPA est spatialement constante. Il en résulte une morphologie unique dans l'image unique acquise par LASIS, où des informations spatiales bidimensionnelles se superposent à des franges d'interférence unidimensionnelles. Plus précisément, à l'instant d'échantillonnage, comme illustré sur la figure 2, la réponse des pixels du détecteur correspond aux données d'interférence modulées spatialement, en fonction du champ de vision de la cible.
Figure 2. Schéma des franges d'interférence unidimensionnelles superposées à des informations spatiales bidimensionnelles provenant d'une seule image.
Principes techniques
Cependant, une image unique n'enregistre que la réponse instantanée de la cible pour une différence de chemin optique spécifique. Afin d'obtenir un interférogramme complet couvrant toutes les bandes d'échantillonnage pour chaque point de la cible au sol, une imagerie pushbroom continue le long de la dimension spectrale (c'est-à-dire la direction de cisaillement) est nécessaire. Lors du déplacement du porte-objet, un même point de la cible au sol est capturé par différents pixels du détecteur à différents instants, et ces pixels, du fait de leurs positions spatiales différentes, correspondent à différentes modulations de différence de chemin optique. Lorsque le pushbroom atteint la plage d'échantillonnage maximale de différence de chemin optique, un ensemble de points d'échantillonnage interférométriques, organisés sous forme de série temporelle, est formé. Par conséquent, les données brutes de l'image LASIS doivent subir un réarrangement et une extraction rigoureux : dans les images de la série temporelle du pushbroom, pour chaque pixel de la dimension spatiale, ses données interférométriques correspondantes sont extraites séquentiellement le long de la dimension spectrale. Ce processus d'« extraction » de l'interférogramme ponctuel de la série temporelle constitue le cœur du traitement des données du spectromètre à modulation conjointe spatio-temporelle, comme illustré sur la figure 3.
Figure 3. Réorganisation et extraction des données brutes d'images LASIS
Analyse des résultats
À partir de ce processus physique, le système reconstruit et extrait un nouveau cube de données tridimensionnel – LAMIS (Large-aperture Multispectral Interferometric Stack) – en scannant et en recombinant la séquence d'images pushbroom couvrant tout le champ de vision. Au sein du cube de données LAMIS, la structure des données est finement découplée : sa couche spatiale est une image de la scène nette après traitement numérique et suppression des franges d'interférence, reflétant fidèlement la distribution géométrique de la cible, comme illustré sur la figure 4 ; tandis que la dimension d'interférence enregistre les courbes d'interférence ponctuelles correspondant à chaque colonne d'éléments du sol, comme illustré sur la figure 5, qui représente un diagramme bidimensionnel des courbes d'interférence pour une colonne d'éléments du sol. Ce processus d'« extraction » du cube LAMIS à partir de l'image spatio-temporelle originale permet la séparation numérique des informations spatiales et d'interférence.
Figure 4. Image de la scène nette après suppression des franges d'interférence.
Figure 5. Diagramme schématique bidimensionnel de la courbe d'interférence d'une série de caractéristiques du sol.