CN107894283B - 宽光谱范围f-p可调谐滤波器多级透射峰的抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱范围F‑P可调谐滤波器多级透射峰的抑制方法。该方法具体是指根据高光谱遥感覆盖的波段，通过合理划分Fabry‑Perot可调谐滤波器的工作光谱范围，并确定Fabry‑Perot腔的腔长变化区间，来消除Fabry‑Perot腔多级透射峰的影响，使Fabry‑Perot可调谐滤波器在[λmin,λmax]内只存在单一透射峰，确保Fabry‑Perot可调谐滤波器的波长扫描模式满足高光谱成像应用要求。本发明可以有效扩展基于空间遥感应用的Fabry‑Perot可调谐滤波器的工作光谱范围，加速高光谱、超光谱成像设备的小型化和轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及基于高光谱遥感应用的光谱调控技术，特别涉及一种F-P可调谐滤波器在宽光谱工作范围内多级透射峰的抑制方法。
背景技术
高光谱遥感是成像技术和光谱技术有机结合，能在获取观测对象二维空间几何信息的同时，以高光谱分辨率获取目标的光谱信息，具有强大的信息获取和特征识别能力[1]。近年来，随着无人机和深空探测技术的飞速发展，高光谱遥感技术应用对成像光谱仪的小型化和轻量化提出了更高的要求。
分光技术是高光谱遥感技术中的核心关键技术之一，目前高光谱成像仪普遍采用棱镜或光栅分光[2-5]，分光系统占据空间较大，导致整机的重量较重，因此简化分光系统可以大大加速成像光谱仪的小型化和轻量化进程。
法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)是利用多光束干涉原理进行光谱选择的分光器件，是超精细光谱结构分析的有效工具，广泛应用于光谱分析和激光技术等领域[6]。Fabry-Perot(F-P)可调谐滤波器(Tunable Fabry-Perot Filters，TFPF)利用FPI的通带波长可随F-P腔的腔长变化的特点，采用时间调制方法进行光谱调控，实现不同光谱通道的选择。TFPF主要由平行放置的内表面镀有高反射率膜层的两块透明平板组成，平板之间的空气间隙利用微小的压电陶瓷块调节。TFPF构型扁平，结构紧凑简单，体积小，重量轻，在光谱成像系统中使用时可以放置在平行光路里，也可直接置于探测器前。采用TFPF分光可大大简化高光谱成像仪的分光系统，大幅降低高光谱成像仪的体积、重量和功耗。
众所周知，F-P腔存在固有的多级透射峰问题，即对应于每个腔长都存在多个透射峰。然而，在高光谱遥感成像的实际应用中要求TFPF在某一特定较宽的工作光谱范围(≥500nm)内每个腔长只对应一个通带波长。如何在需要的工作光谱范围内消除F-P腔多级透射峰的影响，是TFPF能否在高光谱遥感中顺利获得应用的关键。
参考文献
[1]F.A.Kruse.Use of airborne imaging spectrometer data to mapminerals associated with hydro thermally altered rocks in the northernGrapevine mountains,Nevada and Californica[J].Remote Sensing of Environment,1988,24(1):31-51
[2]王欣，杨波，丁学专.空间遥感短波红外成像光谱仪的光学系统设计[J].红外技术，2009，31(12)：687-690
[3]袁立银，何志平，舒嵘.短波红外棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪光学系统设计[J].光子学报，2011，40(6)：831-834
[4]薛庆生，林冠宇，宋克非.星载大视场短波红外成像光谱仪光学设计[J].光子学报，2011，40(5)：673-678
[5]何志平，刘强，徐卫明.短波红外成像光谱仪性能检测与定标装置[J].红外与激光工程，2008，37：531-535
[6]郑植仁.光学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006：124
发明内容
本发明针对TFPF在高光谱成像系统中应用时，必须满足在较宽的工作光谱范围内只能存在单一透射峰的要求，提出了一种TFPF在宽光谱范围内多级透射峰的抑制方法，通过合理划分TFPF的工作光谱范围，并确定F-P腔的腔长变化区间，解决TFPF在高光谱成像仪工作波段内的多级透射峰问题。
本发明所述的TFPF在宽光谱工作范围内多级透射峰的抑制方法如图1所示：
根据高光谱遥感具体应用的光谱覆盖波段，合理划分TFPF工作光谱范围，具体是指：
判定高光谱遥感具体应用的光谱覆盖波段[λmin,λmax]是否满足
λmin＞λmax/2 (1)
若满足，则将此范围设定为TFPF的工作光谱范围；
TFPF可选用的透射级数范围确定具体是指：
根据下述(2)式计算透射级数的取值范围
k＜λmin/(λmax-λmin) (2)
式中，k为TFPF的透射级数，取正整数；
确定TFPF腔长d调节范围具体是指：
相应于透射级数k的每一个取值，F-P腔的腔长d的调节区间为
kλmin/2≤d≤kλmax/2 (3)
若高光谱遥感具体应用的光谱覆盖波段[λmin，λmax]不满足(1)式，则需要将λmin～λmax之间的波长区域再次划分，使得每个子区域的波长下限大于该区域波长上限的一半，并为每一个子区域分别设置TFPF。
对于每一个子区域，TFPF透射级数k的取值和每个k值对应的腔长d的变化范围的计算方法分别与(2)、(3)式相同。
本发明可以有效扩展基于空间遥感应用的TFPF的工作光谱范围，加速高光谱、超光谱成像设备的小型化和轻量化。
附图说明
图1为宽光谱工作范围内TFPF多级透射峰的抑制方法流程图。
图2为F-P腔的腔长d＝0.85μm、1.0μm和1.2μm时TFPF的透射谱曲线。
图3为F-P腔的腔长d＝1.7μm、2.0μm和2.4μm时TFPF的透射谱曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
若高光谱成像仪工作在短波红外波段1.7～2.4μm，根据如图1所示的TFPF在宽光谱工作范围内多级透射峰的抑制方法，可得该波段的波长上、下限满足发明内容中的公式(1)。
利用公式(2)可得TFPF的透射级数可取值为k＝1，2。
根据发明内容中的公式(3)，可得F-P腔的腔长变化区间在k＝1时为0.85～1.2μm，在k＝2时为1.7～2.4μm。
控制F-P腔的腔长在0.85～1.2μm或1.7～2.4μm内变化，即可使TFPF在1.7～2.4μm内只有一个透射峰。
为验证上述方法的正确性，以高品质超光滑石英平板构筑F-P腔，石英平板的腔内表面镀有介质反射膜，选择硅和二氧化硅为介质反射膜的高、低折射率材料。腔内介质反射膜的参考波长λ0为2100nm，石英平板上的反射膜的膜系结构如下：
S/H L H L H (4)
其中，S为石英衬底，折射率为1.45，H和L分别代表光学厚度为四分之一参考波长的高、低折射率材料，折射率分别为3.4和1.445。
以TFPF平板间为空气介质且光线为正入射的情况为例，TFPF膜系结构为
Sm/H L H L H xC H L H L H/Sm (5)
其中，m表示衬底厚度以mm为单位，C代表平板之间厚度为四分之一参考波长的空气间隔层，x为空气间隔层的厚度系数。x的表达式为
x＝4d/λ0 (6)
式中d为石英平板之间空气间隔层的厚度，也就是F-P腔的腔长。
图2所示为F-P腔的腔长d＝0.85μm(x＝1.619)、1.0μm(x＝1.905)和1.2μm(x＝2.286)时TFPF的透射谱曲线。可见，当F-P腔的腔长在0.85～1.2μm内变化时，TFPF在1.7～2.4μm范围内只有一个透射峰。
图3为F-P腔的腔长d＝1.7μm(x＝3.238)、2.0μm(x＝3.81)和2.4μm(x＝4.571)时TFPF的透射谱曲线。可见，当F-P腔的腔长在1.7～2.4μm内变化时，TFPF在1.7～2.4μm范围内只有一个透射峰。
Claims (1)
1.一种宽光谱范围F-P可调谐滤波器多级透射峰的抑制方法，根据高光谱遥感覆盖波段划分F-P可调谐滤波器的工作光谱范围，并确定Fabry-Perot腔的腔长变化区间，其特征在于方法如下：
所述的划分F-P可调谐滤波器的工作光谱范围是指：高光谱遥感具体应用的光谱覆盖波段[λmin,λmax]是否满足
λmin>λmax/2 (1)
其中λmin和λmax和分别是F-P可调谐滤波器工作光谱范围的波长下限和波长上限；若满足，则将此范围设定为TFPF的工作光谱范围；若高光谱遥感具体应用的光谱覆盖波段[λmin，λmax]不满足(1)式，则需要将λmin～λmax之间的波长区域再次划分，使得每个子区域的波长下限大于该区域波长上限的一半，并为每一个子区域分别设置TFPF；
所述的确定F-P腔的腔长变化区间是指F-P可调谐滤波器的F-P腔的腔长变化区间为[kλmin/2，kλmax/2]，其中k是F-P可调谐滤波器的透射级数，k<λmin/(λmax-λmin)，k取正整数。
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