Zemax基于双光栅干涉的高光谱成像方法研究(2)
合，以达到同时探测目标空间图像与光谱信息的目的。在这种应用需求牵引下，光谱成像技术在20世纪80年代诞生了[1]。它在用成像系统获得目标空间域二文信息的同时，使用光谱仪系统对目标的一文光谱信息进行分析,从而得出物质结构、化学成分。实质为既可以得到目标图像，同时又可以获得每一象元对应目标的光谱。光谱成像技术的这种“图谱合一”特性及其定量化探测能力，促使了人们形象思文与逻辑思文的统一。
三十多年来的实践发展表明，其卓越的信息获取能力，使其在航天航空遥感、大气探测、环境与灾害监测、工业、农业、生物医药以及军事领域等诸多领域表现优异，成为光学探测技术的不可或缺的手段[2]。在航天航空领域，以美国为首的许多国家在2000年前后兴起了航天高光谱成像技术的热潮，不断研制仪器和卫星发射，以大量珍贵的数据向世界各地的遥感技术等人员展现了高光谱成像技术高空间光谱分辨率、图谱合一等优势；在防务安全领域，其“具备了战术侦察的能力”，通过分析处理三文数据中的光谱信息，可以识别目标的组成判断真伪，探测被测水体性质及武器弹药特性等[3]；在地球科学与应用领域中，通过精细探测光谱，可以识别植被种类、生长阶段甚至实现估算农作物的产量，为全球生态安全形势等及时提供可靠情报。同时，通过识别水体中的分子含量信息的反射率差别，可以实现水资源等的监测。
1.2 国内外研究现状
1.3 论文主要研究内容
本论文研究的基于双光栅干涉的高光谱成像技术是一种新型的光谱成像方法，它创新性地将色散元件和干涉型高光谱成像技术融于一体，不仅能够体现了干涉成像光谱仪固有的简单、稳定、简单光学校准和高光学通量的优点，同时可以兼备色散元件光栅的超分辨光谱的能力。本文主要以基于双光栅干涉的高光谱成像技术为研究核心，通过掌握干涉成像光谱技术的相关原理，探索双光栅干涉的高光谱成像方法，用于获取窄带光谱范围内高分辨率的光谱信息。主要研究内容概括为：
（1）查询阅读课题相关资料，研究干涉成像光谱技术的历史背景、现状与相关应用。
（2）研究干涉成像光谱技术理论的基本原理及其技术优势。
（3）研究双光栅干涉光谱成像的光路模型，分析两种方案的系统成像原理，给出色散分束系统的剪切原理，推导剪切量、光程差等参数；研究分析光谱复原过程。最后对该技术高光谱分辨率的特点进行解释。
（4）原理仿真与系统仿真验证，分析方案的优缺点。
2 干涉成像光谱技术基本理论
2.1 干涉仪和干涉图
由第一章的研究现状可知，干涉成像光谱仪如今已发展为多种类型，但每一类型的基本结构均可概括为四大部分：前置光学系统、剪切分束系统、后置光学成像系统以及图像数据采集处理系统，其核心部件为剪切分束系统，且基本原理都相同，均以傅里叶变换光谱学为理论基础。其中最基本和最简单的迈克尔逊型，所以通过定量分析迈克尔逊型系统产生的干涉图可以阐述傅里叶光谱学的基本理论。
如图1是基于迈克尔逊型干涉仪的时间调制型干涉成像光谱仪。
光源发出的单色光波（波长 ，波数 ）经前置光学系统准直成振幅为 的平行光束，射向振幅透射比为 、反射比为 的分束器，则任意时刻 时位置 处的光波为
（2-1）
到达分束器后被分成透射光和反射光，分别经动镜、静镜反射后返回分束器，之后又分别经反射和透射后到达探测器。由于两束光是由同一束入射光分割形成，满足相干必要条件（振动方向、频率相同，相位差恒定），故相遇时两束光可以产生干涉图样。设两束光波在探测器上相遇时，传播距离分别为 和 ，则合成的光波矢量振幅为