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高光谱成像技术的原理——干涉型

发布时间:2023-11-29
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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

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

 

高光谱成像技术的原理——干涉型


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)。

 

高光谱成像技术的原理——干涉型2


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

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 


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