CN113447124B - 一种低采样高分辨率的干涉光谱系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低采样高分辨率的干涉光谱系统，准直镜L1位于系统前端，携带有被测信息的光经过准直镜L1准直后成为平行光；干涉模块位于准直镜L1后端，经所述准直镜L1准直后的平行光进入所述干涉模块，由所述干涉模块处理后形成干涉光；光栅G1位于所述干涉模块后端，所述干涉模块形成的干涉光经所述光栅G1衍射分光后，形成不同波长的干涉光；不同波长的干涉光再经过所述成像镜L2，并随着光程差的变化在所述探测器D上得到目标按波长分布的干涉信息；根据所述探测器D上所得到的干涉信息，通过光谱复原处理，复原出高分辨率的光谱信息。该系统既能降低动镜式干涉光谱技术的采样点数，同时又能增大外差式干涉光谱技术的光谱范围。

Description

一种低采样高分辨率的干涉光谱系统

技术领域

本发明涉及干涉光谱技术领域，尤其涉及一种低采样高分辨率的干涉光谱系统。

背景技术

光谱技术经过三十多年的飞速发展，仪器体积越来越小，所获取的光谱信息越来越多，光谱分辨率越来越高，在航空航天遥感、环境灾害监测、大气探测、宇宙与天文观测、物质分析、工业、农业、生物、医学影像等方面己经得到了广泛的应用。现有的光谱技术根据分光原理不同主要可分为：色散型光谱仪、滤波片调制光谱仪和干涉光谱仪。其中干涉光谱技术(又称为傅里叶变换光谱技术)具有多通道、高通量、极高光谱分辨率等优点，已经广泛应用于大气痕量气体探测领域，目前用于大气探测领域的(高光谱分辨率)干涉光谱技术主要有两类：一类是以迈克尔逊干涉仪为代表的动镜式干涉光谱技术，另一类是以空间外差为代表的外差干涉光谱技术。

以迈克尔逊干涉仪为代表的动镜式干涉光谱技术是当前气体浓度检测最为理想的方法之一，它灵敏度高、波数准确、重复性好，且运用范围广。但该光谱仪为了实现准确的光谱反演，需要满足奈奎斯特采样定理，即干涉图的采样频率大于输入光谱最大频率的两倍，因此此类技术存在干涉图采样点数多、采样数据量大的缺点，导致对干涉仪运动部件的采样精度和稳定性要求极高，增加了实现难度；另一类以空间外差为代表的外差干涉光谱技术具有高光谱分辨率、高灵敏度、高通量的特点，但在系统探测器像素数有限的情况下其光谱分辨率和光谱范围之间是相互制约的关系，提高光谱分辨率的同时必然会牺牲探测光谱范围；反之，增加探测光谱范围的同时会造成光谱分辨率的降低。因此，此类技术存在无法同时满足宽光谱范围和高仪器分辨率探测需求的技术缺陷，导致仪器工作光谱范围比较窄，一般只有几十纳米，极大降低了该技术在大气探测等领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种低采样高分辨率的干涉光谱系统，该系统既能降低动镜式干涉光谱技术的采样点数，同时又能增大外差式干涉光谱技术的光谱范围，可以在比较宽的光谱范围内以比较少的采样点数获得高光谱分辨率的光谱数据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种低采样高分辨率的干涉光谱系统，所述系统包括准直镜L1、干涉模块、光栅G1、成像镜L2和探测器D，其中：

所述准直镜L1位于系统前端，携带有被测信息的光经过所述准直镜L1准直后成为平行光；

所述干涉模块位于所述准直镜L1后端，经所述准直镜L1准直后的平行光以45°角入射到所述干涉模块的分束器BS上，由所述干涉模块处理后形成干涉光；

所述光栅G1位于所述干涉模块后端，所述干涉模块形成的干涉光经所述光栅G1衍射分光后，形成不同波长的干涉光；

不同波长的干涉光再经过所述成像镜L2，并随着光程差的变化在所述探测器D上得到目标按波长分布的干涉信息；其中，不同波长的干涉光入射光线与衍射光线之间的夹角为φ(v)，φ(v)是与光栅常数、入射角、波数及衍射级次相关的变量；

根据所述探测器D上所得到的干涉信息，通过光谱复原处理，复原出高分辨率的光谱信息。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统既能降低动镜式干涉光谱技术的采样点数，同时又能增大外差式干涉光谱技术的光谱范围，可以在比较宽的光谱范围内以比较少的采样点数获得高光谱分辨率的光谱数据，极大提高了干涉光谱技术在大气探测等领域的广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的低采样高分辨率的干涉光谱系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例所述干涉模块的另一种实现示意图；

图3为本发明实施例所述干涉光谱系统的另一种实现示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图1所示为本发明实施例提供的低采样高分辨率的干涉光谱系统的整体结构示意图，所述系统主要包括准直镜L1、干涉模块、光栅G1、成像镜L2和探测器D，其中：

所述准直镜L1位于系统前端，携带有被测信息的光经过所述准直镜L1准直后成为平行光；

所述干涉模块位于所述准直镜L1后端，经所述准直镜L1准直后的平行光以45°角入射到所述干涉模块的分束器BS上，由所述干涉模块处理后形成干涉光；

所述光栅G1位于所述干涉模块后端，所述干涉模块形成的干涉光经所述光栅G1衍射分光后，形成不同波长的干涉光；

不同波长的干涉光再经过所述成像镜L2，并随着光程差的变化在所述探测器D上得到目标按波长分布的干涉信息；

其中，不同波长的干涉光入射光线与衍射光线之间的夹角为φ(v)，φ(v)是与光栅常数、入射角、波数及衍射级次相关的变量；

假设d是光栅常数，波数为v的光以入射角α入射到光栅上，产生的衍射角为β，根据光栅方程的公式得到：

对于不同波数的干涉光，φ(ν)＝α(ν)+β(ν)；

根据所述探测器D上所得到的干涉信息，通过光谱复原处理，复原出高分辨率的光谱信息。

如图1所示，所述干涉模块可以包括分束器BS和五个反射镜M1、M2、M3、M4、M5，其中：

分束器BS与反射镜M2位于同一直线，并水平放置；

反射镜M2的上下两个面均为反射面，且上下两面平行；

反射镜M1和反射镜M3均与反射镜M2平行，即三个反射镜M1、M2和M3的反射面互相平行，并且反射镜M1和M3关于反射镜M2对称设置；

三个反射镜M1、M2和M3固定在一起构成平行摆镜系统，如图1中虚线框内所示，并能绕垂直于纸面(Z方向)的转轴A摆动；通过控制平行摆镜系统的摆动来改变两束干涉光的光程差，从而得到不同光程差的干涉信息；

两个反射镜M4和M5与水平方向的倾斜量为45°；

基于所述干涉模块的结构，入射到分束器BS上的平行光被分为透射光和反射光两路；反射光经过反射镜M3和M2反射后入射到反射镜M4上，经反射镜M4垂直反射后，再经反射镜M2和M3原路反射，再次回到分束器BS；

透射光经过反射镜M1和M2反射后入射到反射镜M5上，经反射镜M5垂直反射后，再经反射镜M2和M1原路反射，也再次回到分束器BS；

两路光在分束器BS上汇合后形成干涉光。

基于图1中干涉光谱系统的结构，本发明中干涉模块和光栅分离，干涉模块出射光路的平行干涉光进入平面反射光栅，若要提高光谱分辨率，只需要旋转干涉模块中的平面反射镜；平行反射镜不动且处于零光程差位置时，则等效为光栅光谱仪，像面位置为零光程差干涉成像，干涉相长，强度为单路的两倍，干涉模块的1/2分光对光栅像面强度几乎没有影响，此时的光谱分辨率为该系统的最小值。

若是通过控制平行摆镜系统的摆动来改变两束干涉光的光程差，就可以得到不同光程差的干涉信息，具体来说：

假定平行摆镜系统在某一时刻的摆动角度为ω，平行摆镜间距为h，干涉模块出射的干涉光对应光程差均相同，为：

此时得到某一波长的光的干涉信息表示为如下形式：

I(ν)＝B(ν)[1+cos(2πνx)] (2)

假定该波长的干涉光被线阵传感器的第i个像元接收，由于传感器的像元有一定的尺寸，假定该像元尺寸下对应的波长范围为

对应的波数范围为

则该像元所接收的总干涉信号为：

当平行摆镜系统随时间往复摆动，可以采样得到不同光程差的干涉信息。

对于传统的宽谱段傅里叶变换光谱仪，根据奈奎斯特(Nyquist)采样定理，假设干涉图的采样间隔为Δx，采样频率为f，则有：

f≥2ν_max，

即

(a为大于等于1的任意正数)；

式中，ν_max＝1/λ_min，为入射光谱的最大波数。

在本发明实施例中，其干涉图不再是所有波长光谱叠加在一起的点干涉图，而是被光栅G1衍射为随波长排列的一条干涉线，当被矩形像元探测器D采样后，每个像元得到的干涉图不再是宽谱干涉图，而是被限定在一个有限的谱段范围内，此时的干涉图采样可以采用带通采样理论进行采样，而不必遵循奈奎斯特采样定理。而根据带通采样理论，带通信号的采样频率取决于信号带宽和最高频率，而不仅仅是奈奎斯特采样定理所要求的最高频率，对于带通信号，采样频率F_s通常在某一个特定的范围，如下式所示：

其中，f_H是信号中的最高频率；B是信号的带宽；k是等于或小于f_H/B的任何正整数。

本发明实施例所述系统通过光栅G1将干涉模块输出的干涉光谱衍射为连续分布的线干涉光谱，并最终在像面形成按波长分布的干涉图，经线阵传感器采样，得到随波长变化的离散干涉谱图，每一个像元的干涉图为窄波段的干涉图；基于式(4)所述的带通采样理论进行采样，假定某个像元对应的波段范围为ν_min～ν_max，则该像元所在的干涉图采样间隔Δx为：

其中，ν_min和ν_max分别是该像元对应的最小和最大波数；k为等于或小于ν_max/(ν_max-ν_min)的任何正整数；

通过式(5)可以计算得到一个满足带通采样理论的最大采样间隔(或最小采样频率)，该采样间隔远大于传统奈奎斯特采样定理所限定的最大采样间隔

因此当ν_max远大于ν_max-ν_min时，可大幅度增大采样间隔，从而极大降低干涉图采样点数。

另外，根据Hirschfeld提出的采样精度的经验公式

因为

(a为大于等于1的任意正数)，可得采样误差容限为：

由上式可知，采样误差容限和采样间隔成正比，采样间隔越大，采样误差容限越大，因此本发明实施例所述系统也可以降低对干涉仪运动部件的精度和稳定度要求。

如图2所示为本发明实施例所述干涉模块的另一种实现示意图，所述干涉模块包括分束器BS、固定反射镜M1和动镜M2，其中：

分束器BS与水平方向呈45度角放置；固定反射镜M1位于分束器BS上方，并水平放置；动镜M2位于分束器BS右侧，并垂直放置；通过控制动镜M2的直线运动来改变两束干涉光的光程差，从而得到不同光程差的干涉信息；

基于所述干涉模块的结构，入射到分束器BS上的平行光被分为透射光和反射光两路；反射光经过固定反射镜M1反射后原路回到分束器BS，透射光经过动镜M2反射后也原路返回分束器BS；

两路光在分束器BS上汇合后形成干涉光。

具体实现中，所述光栅G1的位置也能位于准直镜L1和干涉模块之间，如图3所示为本发明实施例所述干涉光谱系统的另一种实现示意图，获取干涉信号的过程如下：

携带被测信息的光经过准直镜L1准直后成为平行光首先进入光栅G1，沿垂直纸面方向色散为波长连续的单色光后，再分别进入干涉模块中；其中，不同波长的干涉光入射光线与衍射光线之间的夹角为φ(v)，φ(v)是与光栅常数、入射角、波数及衍射级次相关的变量；

所述干涉模块中的分束器BS将每一频率的单色光分为透射光和反射光两路；

透射光和反射光经所述干涉模块中的反射镜反射后在分束器BS上汇合，形成相应频率的干涉光；

不同频率的干涉光经成像镜L2，并随着光程差的变化在所述探测器D上得到目标按波长分布的干涉信息；

根据所述探测器D上所得到的干涉信息，通过光谱复原处理，复原出高分辨率的光谱信息。

如图3所示的结构，反射光经过固定反射镜M1反射后原路回到分束器BS，透射光经过动镜M2反射后也原路返回分束器BS，相同频率的两路光在分束器汇合后形成该频率的干涉光。

具体实现中，图1结构的干涉模块，光栅G1的位置也能位于准直镜L1和干涉模块之间。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。例如，平行镜之间的种类、间距等；分束器BS、光栅的种类等，这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。

综上所述，本发明实施例所述系统具有如下优点：

1)本发明方案经光栅衍射分光后，可以得到目标按波长排列的干涉信息，在干涉模块光程固定的情况下，该系统可以视为一个普通的光栅光谱仪，根据干涉相长的原理，在零光程差位置，光强并未发生改变，而且只需要一片光栅即可实现整个方案，降低了系统设计复杂度；

2)本发明通过光栅将干涉模块得到的干涉光谱分光衍射为按波长分布的干涉图，该干涉图不再是所有波长光谱叠加在一起的点干涉图，而是被光栅衍射为随波长排列的一条干涉线，当被矩形像元探测器采样后，每个像元得到的干涉图不再是宽谱干涉图，而是被限定在一个有限的谱段范围内，此时的干涉图采样可以采用带通采样理论进行采样，而不必遵循奈奎斯特采样定理，可大幅度增大采样间隔，极大降低对应的干涉图的采样点数；

3)因为采样误差容限和采样间隔成正比，采样间隔越大，采样误差容限越大，因此本发明所述系统能降低对干涉模块运动部件的精度和稳定度要求的优点，对不同的工作环境(如震动等)具有更好的适应性；

4)通过干涉模块运动部件的运动改变光程差，具有与传统迈克尔逊干涉仪同等的可探测光谱范围，可以有效解决外差干涉光谱技术的光谱范围有限的问题，实现了在宽光谱范围内以比较少的采样点数获得极高光谱分辨率的光谱数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种低采样高分辨率的干涉光谱系统，其特征在于，所述系统包括准直镜L1、干涉模块、光栅G1、成像镜L2和探测器D，其中：

所述准直镜L1位于系统前端，携带有被测信息的光经过所述准直镜L1准直后成为平行光；

所述干涉模块位于所述准直镜L1后端，经所述准直镜L1准直后的平行光以45°角入射到所述干涉模块的分束器BS上，由所述干涉模块处理后形成干涉光；

所述光栅G1位于所述干涉模块后端，所述干涉模块形成的干涉光经所述光栅G1衍射分光后，形成不同波长的干涉光；

不同波长的干涉光再经过所述成像镜L2，并随着光程差的变化在所述探测器D上得到目标按波长分布的干涉信息；其中，不同波长的干涉光入射光线与衍射光线之间的夹角为φ(v)，φ(v)是与光栅常数、入射角、波数及衍射级次相关的变量；

根据所述探测器D上所得到的干涉信息，通过光谱复原处理，复原出高分辨率的光谱信息；

其中，所述光栅G1的位置也能位于准直镜L1和干涉模块之间，获取干涉信号的过程如下：

携带被测信息的光经过准直镜L1准直后成为平行光首先进入光栅G1，沿垂直纸面方向色散为波长连续的单色光后，再分别进入干涉模块中；其中，不同波长的干涉光入射光线与衍射光线之间的夹角为φ(v)，φ(v)是与光栅常数、入射角、波数及衍射级次相关的变量；

所述干涉模块中的分束器BS将每一频率的单色光分为透射光和反射光两路；

透射光和反射光经所述干涉模块中的反射镜反射后在分束器BS上汇合，形成相应频率的干涉光；

不同频率的干涉光经成像镜L2，并随着光程差的变化在所述探测器D上得到目标按波长分布的干涉信息；

根据所述探测器D上所得到的干涉信息，通过光谱复原处理，复原出高分辨率的光谱信息。

2.根据权利要求1所述低采样高分辨率的干涉光谱系统，其特征在于，所述干涉模块包括分束器BS和第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5，其中：

分束器BS与第二反射镜M2位于同一直线，并水平放置；

第二反射镜M2的上下两个面均为反射面，且上下两面平行；

第一反射镜M1和第三反射镜M3均与第二反射镜M2平行，即第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3的反射面互相平行，并且第一反射镜M1和第三反射镜M3关于第二反射镜M2对称设置；

第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3固定在一起构成平行摆镜系统，并能绕垂直于纸面的转轴A摆动；通过控制平行摆镜系统的摆动来改变两束干涉光的光程差，从而得到不同光程差的干涉信息；

第四反射镜M4、第五反射镜M5与水平方向的倾斜量为45°；

基于所述干涉模块的结构，入射到分束器BS上的平行光被分为透射光和反射光两路；反射光经过第三反射镜M3和第二反射镜M2反射后入射到第四反射镜M4上，经第四反射镜M4垂直反射后，再经第二反射镜M2和第三反射镜M3原路反射，再次回到分束器BS；

透射光经过第一反射镜M1和第二反射镜M2反射后入射到第五反射镜M5上，经第五反射镜M5垂直反射后，再经第二反射镜M2和第一反射镜M1原路反射，也再次回到分束器BS；

两路光在分束器BS上汇合后形成干涉光。

3.根据权利要求1所述低采样高分辨率的干涉光谱系统，其特征在于，所述干涉模块包括分束器BS、固定反射镜和动镜，其中：

分束器BS与水平方向呈45度角放置；固定反射镜位于分束器BS上方，并水平放置；动镜位于分束器BS右侧，并垂直放置，通过控制动镜的直线运动来改变两束干涉光的光程差，从而得到不同光程差的干涉信息；

基于所述干涉模块的结构，入射到分束器BS上的平行光被分为透射光和反射光两路；反射光经过固定反射镜反射后原路回到分束器BS，透射光经过动镜反射后也原路返回分束器BS；

两路光在分束器BS上汇合后形成干涉光。

Images