时空调制型干涉光谱仪的原理与应用探析

在众多光谱仪类型中，干涉型光谱仪因其高光通量、高光谱分辨率、高信噪比以及宽波段覆盖而具有显著优势。与传统依赖棱镜或光栅的色散型光谱仪不同，它通过干涉原理将不同波长光叠加形成条纹，再利用傅里叶变换将干涉信息解码为光谱，既能区分极为接近的波长，又能在弱光或红外条件下保持高信噪比，并实现从可见光到中远红外的宽波段测量，广泛应用于大气监测、环境遥感及红外材料分析等领域。干涉型光谱仪的核心在于产生并记录光程差（OPD）变化，以获取完整干涉条纹并恢复光谱分布。根据OPD的获取方式，它可分为时间调制型、空间调制型以及时空调制型，本文将以经典的大孔径静态干涉成像光谱仪（LASIS）为例，重点介绍时空调制型干涉光谱仪。

LASIS的结构主要由前置望远镜光学系统、由半五角棱镜胶合而成的横向剪切干涉仪、傅里叶成像物镜以及面阵探测器组成。其中，前置望远镜用于压缩目标光束的孔径，使其与干涉仪相匹配，从而有效减小系统体积（如图1）。在工作过程中，横向剪切干涉仪将进入的目标辐射光分成两束具有光程差的相干光，并在光学系统后焦面上形成干涉条纹。光程差的大小决定了光谱分辨率：光程差越大，分辨率越高。此时探测器记录下经干涉调制的“干涉图像”（如图2），即同时包含目标的二维空间信息和一维光谱信息。

图1 LASIS光学原理示意图

（图像来源：胡炳樑. 干涉光谱成像技术发展的回顾（特邀）

图2 LASIS输出经干涉仪调制的“干涉图像”

(图像来源：李湘滨. 大孔径静态干涉成像光谱仪图像校正技术研究)

LASIS获取某一地物点光谱信息的过程如图3所示。图3(a)展示了成像过程，不同符号（■、★、●）表示不同地物点的位置；随着推扫进行，探测器在不同光程差下逐步采集同一地物的干涉条纹，并按扫描顺序拼接，得到完整的干涉图（图3(b)）。从中抽取单个像元的条纹曲线（图3(c)），经过傅里叶变换，即可解码得到该像元的光谱曲线（图3(d)）。整个过程中，包括条纹拼接、暗电流校正与噪声处理、傅里叶解码以及光谱定标等数据处理步骤，这些步骤保证了每个像素的光谱信息准确可靠，为进一步分析和应用提供坚实基础。