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1、毕业论文空间调制成像光谱仪调制度分析学生姓名： 学 号： 学院： 专业： 指导教师： 2010年6月l空间调制成像光谱仪调制度分析摘要本文系统的阐述了干涉成像光谱仪的发展背景、国内外研究现状以及重要应用。以时间调制型Michelson干涉成像光谱仪为例详细介绍了干涉成像光谱学的基础理论以及调制度的概念；文中对干涉成像光谱仪的两种经典类型(即时间调制干涉成像光谱仪和空间调制干涉成像光谱仪)的工作原理、结构及其特点进行了总结。在此基础上，着重对三种典型的空间调制干涉成像光谱仪(即静态Michelson干涉成像光谱仪、基于Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪以及大横向剪切量空间调制干涉成像光谱
2、仪)的工作原理、结构特点、横向剪切或角剪切原理、光程差计算以及调制度的推导进行了研究分析。讨论了探测器单元尺寸、平面反射镜倾斜角以及Wollaston棱镜楔角等因素对干涉条纹调制度的影响，并建立了相应的数学模型。根据调制度的临界条件，对影响调制度的各参数的取值做了进一步的讨论分析。本文的研究可以为空间调制干涉成像光谱仪的设计、研制和调试提供了理论依据。关键词：空间调制干涉成像光谱技术，傅里叶变换光谱仪，调制度lAnalysis of the modulation depth of spatially modulated Fourier-transform spectrometerABSTRAC
3、TIn the paper, the development, the research and applying situation of Fourier-transform spectrometer (FTS) are proposed systematically. The basic principles of Fourier-transform imaging spectroscopy are discussed by the example of the temporarily modulated Michelson Fourier-transform imaging spectr
4、ometer. The concept of Modulation Depth is also introduced. The essential principles, basic configuration and advantages of the two classic Fourier-transform spectrometers are analyzed here, which are temporarily modulated and spatially modulated Fourier-transform imaging spectrometer. The working p
5、rinciples, configurations, principles of the lateral shearing or angel shearing beam splitter, calculations of optical path difference and the derivation of modulation depth of the three spatially modulated Fourier-transform imaging spectrometers that are the static Michelson FTS, the polarization F
6、TS based on Wollaston prism and the class of Signac spatially modulated FTS are especially proposed and analyzed. Then the effects on the degree of the modulation by the dimension of the CCD array, the tilt angle of the mirror, the wedge angle of Wollaston prism are discussed in the paper. And the c
7、orresponding mathematical model to the modulations of the three spatially FTS are introduced. According to the criterions of the modulation depth, the values of these effects are obtained. This study provides a theoretical guidance for the study, the design and modulation of the spatially modulated
8、Fourier-transform imaging spectrometer.Key words: spatially modulated Fourier-transform spectroscopy, Fourier-transform imaging spectrometer, modulation depthl目 录中文摘要英文摘要1 绪论11.1 干涉成像光谱仪发展背景11.2 干涉成像光谱仪研究现状与重要应用21.3 本论文的主要研究内容32 干涉成像光谱技术42.1 干涉成像光谱学理论基础42.1.1干涉仪和干涉图42.1.2干涉光谱学基本方程52.1.3仪器线性函数与光谱分辨率6
9、2.1.4干涉图采样理论72.1.5干涉图成像光谱仪的调制度82.2 干涉成像光谱仪的类型及其特点92.2.1时间调制干涉成像光谱仪92.2.2空间调制干涉成像光谱仪102.2.2.1Sagnac型干涉成像光谱仪102.2.2.2基于Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪122.3 本章小结163 三种典型干涉成像光谱仪的调制度分析173.1 静态Michelson干涉成像光谱仪调制度分析173.2 基于Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪调制度分析223.3 大横向剪切量空间调制成像光谱仪调制度分析273.4 本章小结314 全文总结32参考文献34致谢37l第一章 绪论成像光谱技
10、术是融成像技术与光谱技术于一体的一种光学遥感探测技术1，它能够在连续光谱段上对同一目标成像，同时获取目标的形影信息和光谱信息，反映出被观测目标的几何特征和光谱特征，实现对观测目标的识别与分类。采用这种技术研制成的成像仪器称为成像光谱仪，按原理成像光谱仪可分为色散型、干涉型、滤光片型和计算层析型等几种类型。由于干涉成像光谱仪具有高通量2和多通道的优点3等优点，使得这类仪器在遥感探测、军事目标探测、环境监测以及食品监测等领域具有潜在的应用优势。本章将对干涉成像光谱仪的发展背景、研究现状及其应用做了简单的总结。1.1 干涉成像光谱仪发展背景现如今的各种成像光谱仪都是在传统的狭缝光谱仪的基础上发展而来
11、的。传统的狭缝光谱仪创始于1860年左右，经过一百多年的改良以及同其他技术的结合，它的各项性能指标显著提高，现已广泛应用于各个领域。而遥感探测则是这类仪器最重要的应用领域之一。从上世纪六十年代起随着相关技术的日益成熟，相继出现了红外遥感、微波遥感、紫外遥感、多光谱段的遥感等4。上世纪七十年代末八十年代初，研究人员在研究归纳各种地物光谱特征的基础上，逐步形成了成像光谱的概念。1983年美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)率先研制出世界上第一台航空成像光谱仪(AIS1)5。随后JPL又陆续研制了一系列改进型号，例如AIS2和AVIRIS。进入九十年代，干涉成像光
12、谱学逐渐取代多光谱遥感技术成为研究的热点，这种新技术是在紫外、可见光、近红外和中红外等多个谱段区域，获取波长几乎连续的高光谱分辨率的目标信息。干涉成像光谱技术采用CCD面阵探测器作为图像传感器，它可以同时获取二维空间信息和一维光谱信息，获得的这些信息常称为数据立方体。二维面阵探测器能够提供横向空间信息和干涉强度信息，而另一维空间信息则主要是通过推扫来获得，将获得的一维干涉强度信息进行傅里叶变换后，即可获得光谱信息。干涉成像光谱技术继承了成像光谱技术的基本原理，即利用入射的相干光束干涉所形成的干涉图与入射光的光谱之间存在的傅立叶变换关系，通过测量干涉图的幅值及空间频率并对其实施傅立叶数学逆变换来
13、反演出被测光的光谱。但与非干涉成像光谱技术不同的是，它需要在干涉仪中加上远方成像光学系统，它能同时得到景物经过干涉仪后所成像和像中每一像元的干涉图，进而可通过对各像元的干涉图实施傅立叶逆变换获得每一像元的光谱。由于要对每个像元的干涉图进行傅立叶逆变换运算，所以其中的数据量和计算量都是相当大的，这就对数据处理和计算机技术提出了更高的要求。按获取光程差方式的不同，干涉成像光谱仪可分为时间调制干涉成像光谱仪6和空间调制干涉成像光谱仪7-10。时间调制干涉成像光谱仪存在对内部推扫镜的运动精度要求高,机械加工、调装困难和不能测量迅速变化的光谱等缺点。空间调制干涉成像光谱仪就是在这样的背景下提出来的，最初
14、的空间调制成像光谱仪主要是基于无动镜的Michelson干涉仪原理而设计的，这种静态成像光谱仪在保持动镜静止的条件下，使某一反射镜倾斜一个很小的角度来产生空间连续的光程差，从而将时间调制型里面的随时间变化的光程差转化为空间调制型的随空间变化的光程差，从一次性接收到不同光程差上的数据来得到关于光源自相关函数的曲线，最后由自相关函数和光谱函数之间的傅里叶变换关系，得到光源的光谱图。空间调制成像光谱仪中最具代表的结构有Sagnac型、偏振干涉型、LASIS11-12型以及HEIFTS13-14型等。随着计算机技术、数据压缩、光学成像以及信号处理等技术的发展，干涉光谱技术现已逐渐成为一种公认的优越的光
15、谱成像技术。1.2 干涉成像光谱仪研究现状与重要应用随着面阵探测器研制技术、空间光学、机械加工、图像处理和传输技术的进步，干涉成像光谱技术逐渐成为科学家研究和获取目标三维信息的重要技术手段。现如今这一技术已经应用到我们生活中的方方面面，比如，环境监测、食品加工、航空航天、军事和农业生产等众多领域。现在主要介绍最近十年来，国内外科研机构在干涉成像光谱技术方向的研究工作。1992年，日本大阪大学的科学家率先研制出基于Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪，这是一类极具代表性的干涉成像光谱仪，有关它的原理在下面的章节中将具体介绍。1993年，华盛顿大学的科学家们研制了数字阵列扫描干涉成像光谱仪，并成功的进行了机载飞行实验15。1996年，SAIC提出了高通量干涉成像光谱仪的概念，并率先研制出样机16。2000年，美国菲利普斯实验室发射了一颗搭载有Sagnac型干涉成像光谱仪17。这也是首台此类仪器被搭载上星进行实验。尽管我国开展干涉成像技术的研究较晚，但现已取得了一系列骄人的成绩。最近十年中，中科院陆续研制了机载成像光谱仪、航空成像光谱仪和星载高光成像光谱仪，这一系列成绩也标志着我国在成像光谱技术方面的研究已逐渐达到国际先进水平。值得一提的是，在2007年，我国自主研制的“嫦娥一号”绕月探测卫星搭载的中科院西安光机所研制的Sagnac型干涉成像
