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1、时间调制型干涉光谱成像仪文献调研最典型的时间调制型干涉光谱成像仪基于迈克尔逊干涉仪原理，其成像原理如图1所示。干涉仪主要由前置镜组（包括准直镜）、分束器、动镜及其驱动机构、定镜、成像镜和探测器等组成。其中，干涉仪的分束器镀有半透半反膜，用于透射和反射光线；而动镜关于分束器的像与定镜平行，且动镜是运动部件。图1 迈克尔逊干涉原理图目标辐射经前置镜组成像于干涉仪物面，再经准直后以平行光进入干涉仪内部到达分束器；分束器将入射光束分为透射部分和反射部分，其中透射光束到达干涉仪的动镜，而反射光束到达干涉仪的定镜。由于定镜和动镜均为平面反射镜，两路光束分别被原路返回，再次到达分束器，而被分别分为透射光束和
2、反射光束；来自定镜的透射光束和来自动镜的反射光束经会聚镜后成像于焦面处，并产生干涉信号，被探测器接收。动镜的匀速直线运动产生变化的光程差，在探测器上则接收到变化的干涉图（条纹）信号。时间调制型傅里叶变换光谱成像仪光通量高、信噪比高，特别是光谱分辨率可以依靠角镜（有时又称角反射体）的直线运动产生很大的光程差而做到很高，可远远超过目前任何其它种光谱探测技术。但是因为动镜运动中的速度和姿态控制对干涉仪的校准精度要求很高，因而光机稳定度较差，在动镜以直线型运动方式时还存在加速和减速的过程，因而时间分辨率不高，但是在某些摆动或转动方式运动下，光谱仪获取干涉图的时间分辨率则可能很高。按照动镜运动和产生光程
3、差的方式不同，时间调制型可主要分为直线运动式、摆动运动式、旋转运动式。动镜一般采用平面镜、角反射镜或猫眼镜。其中角反射镜包括直角棱镜、屋脊棱镜、空心二面直角反射镜等二面角反射镜，以及立方棱镜和空心立方反射镜等立方角反射镜。直线运动式时间调制傅里叶变换光谱成像仪，主要是指动镜以匀速直线运动方式产生光程差，其主要优点是动镜行程不受限制，因而光谱分辨率可以很高，而主要难点是研制高稳定性的动镜扫描系统。摆动运动式和旋转运动式主要是通过设计合适的分光光路，使动镜作一定角度的摆动或旋转，进而产生光程差。旋转运动式还包括透射式和反射式。由于将动镜的直线运动改变为摆动或转动，动镜的转速和旋转角度极易控制，使得
4、系统可靠性高，抗干扰能量强；但是，此时动镜产生的光程差为非线性的，而且摆动时角度幅度有限，因而干涉仪产生的光程差有限，从而光谱分辨率也受限；而旋转方式产生的光线是空间三维的，光程差越大所需光程越长，光学设计难以实现，因而光程差也受限。下文以动镜运动的不同方式做简单的介绍。1 直线运动方式基于传统迈克尔逊干涉仪原理开展遥感应用的傅里叶变换光谱成像仪典型代表有日本的IMG和美国GIFTS。Interferometric Monitor for Greenhouse Gases（IMG）IMG(Interferometric Monitor for Greenhouse Gases)是日本JAROS
5、研发的高光谱分辨率光谱仪，用于监测全球范围内CO2、CH4和O3等温室气体的空间分布。于1996年8月搭载在ADEOS卫星上成功发射。IMG采用先进的磁悬浮支承技术和激光反馈系统控制动镜的精确运行，它测量的红外光谱范围3.515um，光谱分辨率1cm-1。遗憾的是ADEOS于1997年6月停止了工作，仅收集了八个月的数据。然而这八个月的数据仍然提供了丰富的全球气象信息，第一张全球温室气体分布图就是由IMG提供的数据推演出的。IMG的光学原理图如图2所示。IMG焦平面上有三个探测器，对应三个光谱通道。两个InSb探测器对应两个较短的波长区域（3.34.3um，45um），HgGdTe探测器对应较
6、长的波长区域（514um）。探测器的瞬时视场（IFOV）0.6，对应的天底尺寸8km8km。图2 IMG的光学原理图及仪器参数Geosynchronous Imaging Fourier Transform Spectrometer（GIFTS）GIFTS ( Geosynchronous Imaging Fourier Transform Spectrometer)是美国预计搭载在Earth Observing-3(EO-3)卫星上发射的地球同步傅里叶变换光谱成像仪，主要用于从地球同步轨道获取高空间密度的温度、湿度以及痕量气体的垂直廓线等，光谱范围4.46.0um和8.814.6um，光谱分
7、辨率0.336 cm-1。它的一个主要特征是采用了128X128大面阵焦平面阵列(Focal Plane Arrays, FPAs)作为成像探测器1。GIFTS的光学原理图如图3所示。图3 GIFTS光学原理图传统迈克尔逊干涉仪中，动镜为平面镜，在其运动过程中容易发生倾斜，造成干涉图的相位误差和调制度的退化。为此，迈克尔逊干涉仪中的平面镜往往被其它抗倾斜的反射镜替代，如二面角反射镜、立方角反射镜、猫眼镜等。The Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding（MIPAS）2002年，欧空局发射了德国研制的被动式迈克尔逊干涉大
8、气探测仪(The Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding, MIPAS)，成为第一个用于临边观测模式的大气精细成分探测的傅里叶变换光谱仪。它工作在中波和热红外波段4.15um14.6um，光谱分辨率高达0.035 cm-1，采用临边探测方式对地球大气对流层上部到热层下部之间的光化学相关气体进行全球测量。MIPAS的系统光路及干涉仪光学结构如图4、图5所示。由于工作在红外波段，在常温条件下，光谱仪本体内部会是一个很大的热辐射噪声源，所以MIPAS的所有光学模块都工作在200K以下。遗憾的是，MIPAS由于干涉仪角镜装置出
9、现问题，在2004年3月关闭一段时间，之后一直以40%左右的光程差进行间断测量。图4 MIPAS系统光路图5 MIPAS干涉仪结构Tropospheric Emission Spectrometer（TES）通过巧妙设计分光光路，使得双角镜干涉仪的两个角反射镜背靠背一起运动，则干涉仪的角反射镜运动机构除了抗倾斜外，也具有了抗横移的能力。如果动镜运动时发生了横移，由于作为动镜的两个角反射镜固定在一起，所以它们会同时产生横移，从而使得来自分束器的两路光束都发生空间位置偏移，偏移后两束光仍然被分别反射而对称交汇于分束器，仍然经会聚后产生干涉。这种分光光路设计的典型代表是美国2004年发射的对流层放射
10、光谱仪(Tropospheric Emission Spectrometer, TES )。TES是一台高分辨率红外傅里叶变换光谱成像仪，主要目标是提供对流层中不同化学成分的区域及全球分布概况，确定低层地球大气的化学状态，主要针对重要污染气体源和温室气体如CO、O3、CH4及水汽等在033Km高度在全球范围内的垂直廓线2。TES采用两种天底观测和临边观测两种观测模式，光谱范围3.215.4um，在天底观测模式下光谱分辨率高达0.06 cm-1，在临边观测模式下为0.015 cm-1。TES在分光原理上采用了双光束干涉测量方式，动镜运动产生四倍光程差，光路图如图6所示。TES获得了非常好的效果。
11、图6TES光学系统原理图及具体参数SCUBA-2 IFTSSCUBA-2 IFTS是JCMT望远镜的一部分，也使用了两个背对背的角反射镜。JCMT天文望远镜是由英国、加拿大、新西兰等国家研制的，位于夏威夷莫纳亚克山上。是世界上最大的单口径望远镜，口径达15m，专门用于宇宙亚微米波辐射探测，探索银河系的形成和演变等天文学问题。SCUBA-2 IFTS作为JCMT的一部分于2007年交付JCMT使用。SCUBA-2 IFTS运用了折叠的Mach-Zehnder结构，在 450um波段和850um波段，光谱分辨率从0.1cm-1到0.005 cm-1。它的体积有2 m x 0.75 m x 1.2
12、m，质量大概500Kg。JCMT系统光路图及SCUBA-2 IFTS光路图分别如图7、8所示，动镜运动也会产生四倍光程差。3-5图7 JCMT望远镜光学系统图图8 SCUBA-2 IFTS光学系统图由于猫眼镜(Cats eye)也具有类似与立方角反射镜一样，使得入射光束与出射光束互相平行的性质，因而猫眼镜也被作为反射器而常用于高分辨率傅里叶变换光谱仪中。猫眼镜通常由一个凹面镜（如抛物面镜）和一个凸球面镜组成。猫眼镜干涉仪的原理如图9所示。美国喷气推进实验室JPL研制的大气轨迹分子光谱仪(Atmospheric Trace Molecule Spectroscopy ATMOS )，核心干涉仪采
13、用两个猫眼镜互相运动的方式产生光程差。图9 猫眼镜干涉仪原理2 摆动运动方式将直线运动变换为摆动运动的方式，是对采用动镜的动镜式干涉仪的有效改善措施之一。Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation（TANSO-FTS）日本于2009年1月23日发射的GOSAT ( Greenhouse gases Observing SATellite)卫星上的TANSO-FTS ( Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation)是一台专门用来探测温室气体的傅里叶变换光谱仪，采
14、用的就是摆动运动方式，光路图如图10所示，主要用来探测CO和CH4的柱密度和浓度，还可用来探测其它的微量气体。TANSO-FTS可对同一目标在短波红外至热红外的波段范围内成像，它有三个窄波段(0.75-0.78um，1.56-1.72um，1.92-2.08um)和一个宽波段(5.5-14.3um)，光谱分辨率达到0.2 cm-16。图10 TANSO-FTS光学系统图摆动的方式往往比直线运动易于控制，系统更加稳定，而且重复性好，可靠性高；不过，通过匀速摆动产生不同光程差的方式会造成光程差是非线性的，这也就意味着需要复杂的理论计算或利用激光辅助光路对光程差作非线性的精确校正；而且动镜摆动时角度
15、幅度有限，因而干涉仪产生的光程差有限，不可能像直线动镜式一样，因而它的最高光谱分辨率难以与直线运动式相媲美。ACE-FTS与直线型双角镜干涉仪类似，摆臂干涉仪的动镜顶点存在不可避免的互相偏移，会对干涉产生一定的影响。因此，在光路中插入平面反射镜使得光路沿原光路返回，从而消除横移带来的影响。在2003年8月NASA发射的CSAs Science Satellite(SCISAT)卫星上，由加拿大研制的大气化学实验(Atmospheric Chemistry Experiment, ACE)主载荷之一的傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform infrared Spectromet
16、er,FTS )，采用了插入平面反射镜的光学结构，如图11所示。ACE-FTS采用低轨卫星的太阳掩星观测方式测量对流层和同温层中的对臭氧分布起控制作用的化学反应和动态过程，并对大气中的痕量气体、薄云、气溶胶和温度进行综合测量。ACE-FTS工作在2.213 .3um波段，光谱分辨率0.02 cm-1；光路中插入的平面反射镜(End mirrors)还可以起到折叠光路并增大光程差的作用7。图11 ACE-FTS光学系统结构图3旋转运动方式旋转运动式进一步将动镜的运动方式多样化，它将动镜的直线运动或摆动变为连续的旋转转动，去掉了动镜运动中的启动加速和停止换向减速环节，使得动镜干涉仪的时间分辨率大大提高，具有高速的特征。这种运动方式的干涉光谱仪可分为透射转镜式干涉光谱仪和反射转镜式干涉光谱仪两种类型如图12
