高光谱成像技术的原理——干涉型

高光谱成像数据包括2D空间信息和1D光谱信息根据。根据光谱分光方式的不同，光谱成像技术主要分为色散型、滤光型、干涉型等，成像原理也不一样。本文主要介绍了干涉型高光谱成像技术的原理。

傅里叶变换干涉型光谱成像技术是一种间接光谱成像技术，通过具有光程差的相干光束形成稳定干涉条纹，利用干涉条纹光波能量与复色光光谱存在的傅里叶变换关系，实现窄带光谱的反演解算。

1. 干涉成像光谱原理

同一单色波长的光各自形成相干干涉，互不干扰，形成单色光的干涉强度分布

式中：△为光程差；v为波数，v=1/λ；An为振幅；An（v）为复色光强；l，r分别为分束镜的透过率和反射率。

不同波长的光不满足干涉条件（光波频率不同），为非相干叠加，总强度是单色波长干涉强度的和（积分）。

式（8）第一项与光程差△无关，代表复色光干涉总强度的直流成分；式（8）第二项与光程差有关，代表复色光干涉总强度的交流成分。实际处理时，总强度l（△）可以去除直流成分，单独保留交流成分

FFT型高光谱成像技术根据调制方式的不同可分为三类：一类是基于迈克尔逊干涉仪原理的时间调制型FFT光谱成像技术；另一类是基于 Sagnac干涉仪原理的空间调制型FFT光谱成像技术；第三类是时空混合调制型FFT光谱成像技术。

2. 时间调制型

时间调制型干涉原理如图所示，它以Michelson干涉仪为分光元件，人射光束经分束镜分成两束：反射光束、透射光束；反射光束经静镜反射、分束镜透镜到达聚焦镜；透射光束经动静反射、分束镜反射到达聚焦镜；两束光束径聚焦透镜干涉，成像在探测器上呈干涉条纹。

时间调制型FFT光谱成像仪的特征：一次只能获得2D场景一个光程差的干涉图，需要依靠动镜M2的扫描运动产生不同光程差的干涉图，需要一定时间才能完成序列干涉图的产生。

优点：

①从理论上讲可以达到任意的光谱分辨率（只要人射光能量足够强）、测量的光谱范围也非常宽；

②仪器只依赖于运动扫描系统，相对于利用色散扫描的光谱仪来说，其结构要简单得多。

缺点：

①通过动镜M2运动改变透射光束光程，从而改变反射光束与透射光束的光程差，因此需要非常精确的位置扫描；

②当需要较高光谱分辨率时，动镜移动量很大，体积比较庞大。

3. 空间调制型

空间调制型FFT光谱成像仪原理如图所示，它以分体式 sagnac干涉仪为分光元件，分束镜45°放置，反射镜M1、反射镜M2首先相对于分束镜BS布置。当反射镜M1与反射镜M2对称时，透射光束与反射光束没有光程差，不会引起干涉；当两个反射镜不对称时，如图中反射镜M2平行偏移c，可实现横向剪切量为d，透射光束与反射光束形成光程差，满足干涉条件空间调制型FFT光谱成像仪的特征在于：不同光程差通过反射镜的位置空间差的方式一次调制，一次即可以获得1D光谱维和1D空间维，由垂直于狭缝方向的1D空间扫描获得另一维的空间维信息。

优点：

①没有运动部件，稳定性强；

②可同时获得1D狭缝内每个点的干涉图，因此光谱可实时测量；

③狭缝宽度只决定1D空间分辨率的要求，在满足空间分辨率的前提下，狭缝宽度可以尽可能的大，从而具有大视场和高通量的优势。

缺点：

①空间调制型的光程差不可能很大，难以实现较高的光谱分辨率；

②存在狭缝，降低了人射辐射通量，降低了系统的信噪比。

4. 时空混合调制型

时空混合调制型FFT光谱成像仪形式上与空间调制型FFT光谱成像仪类似，但光路上没有人射狭缝，也没有柱面镜；空间调制型进入横向剪切分束镜的光线是透过1D狭缝的光束，而时空混合调制型进入分束镜的是2D场景的平行光

 时空混合调制型FFT光谱成像仪原理时空混合调制型FFT光谱成像仪的特征在于：光程差由横向剪切产生，故属于空间调制；同一时刻不同视场角的光程差不同，特定物点的一系列光程差需要在不同时刻通过推扫产生，从而最终获得一副完整的干涉图，因而具有时间调制特点6]。

优点：

①原理简单、系统结构简化，系统设计难度降低；

②没有运动部件，提高了系统的稳定性、可靠性、抗震动性和抗冲击性；

③允许很大的视场，大口径，在满足光通量的要求下，可以大大减小仪器的体积、重量。

缺点

具有时间调制特征，物点的不同光程差在不同时刻获取，故不具有光谱测量实时性。