空间外差干涉光谱仪定标原理及实验研究

Spatial heterodyne spectroscopy as a novel hyper-spectral spectroscopic technology,integrated interference modulation and grating diffraction, can achieve extremely high spectral resolution within a narrow spectral band near the Littrow frequency.The raw data acquired by the plane array detector is interferogram but not the directly spectral information corresponding with the incident light.The mixed spectrum falling on the detector and the spectra response itself determine the output interference signal intensity of each pixel.The spectral characteristics of the instrument is related with the optics elements parameters,such as the grating.So the existed calibration principles and methods can not be directly applied to spatial heterodyne spectrometer. In addition,the transform process of interference domain to the spectral domain will also affect the accuracy of the calibration. According to the principle of spectroscopic mechanism,the project resarch on the spectral and radiometric calibration theory of spatial interference instrument .Through setting up the uniform source calibration system with tunable wavelength and high spectral scanning calibration experiment,we can obtain the function between wave number of the incident light and interference frequency ,the maximum optical path difference and the spectral response curve of each pixel.at last ,got the final spectral radiant calibration coefficients validated by gas absorption and groud-based experiment,which is the foundation for quantitativing the remote sensing data of spatial heterodyne spectrometer.

空间外差光谱技术为新型高光谱分光形式，综合了干涉调制与光栅衍射于一体，可以在基频附近的较窄波段范围内获取极高光谱分辨率。由于空间外差光谱仪获取的原始数据为干涉图，并非与入射光直接对应的光谱信息，采用面阵探测器采集，每一探测元输出的干涉信号强度与落在其上的混合光谱及探测器自身光谱响应有关，且仪器的光谱特性与干涉仪中光栅等器件参数相关。因此，传统高光谱仪器的定标原理和方法不能直接移植应用。此外，干涉域到频谱域的转换过程亦会影响到定标精度。 本项目依据仪器的分光机理，探讨空间外差干涉型光谱仪的光谱及辐射定标原理。通过搭建可调波长均匀单色面光源定标装置并开展高光谱扫描定标实验，获取入射光波数与干涉频率函数关系、干涉最大光程差以及逐像元的光谱响应曲线，最终得到各光谱通道中心波长、光谱辐射响应度等定标系数，并采用气体吸收池及室外地基探测实验对其验证，为空间外差光谱仪遥感数据高精度定量化奠定基础。

空间外差光谱技术是一新型超分辨空间干涉型光谱技术，采用两衍射光栅代替迈克尔逊干涉仪中的两个平面反射镜，利用面阵探测器进行干涉条纹数据采集。空间外差光谱仪的基本原理是两束光的空间相干，其定标原理和方法区别于传统的色散型光谱仪与干涉型光谱仪，该类型光谱仪的定标技术还十分不成熟。本项目针对空间外差光谱仪的光谱与辐射定标进行系统研究，建立了完整的定标流程。空间外差光谱仪获取的原始数据并非直接的光谱信息，而是不同形式的干涉条纹。因此，开展定标前需对其进行光谱复原处理。针对空间外差光谱仪数据特点，分别开展了探测器均匀性校正、相位误差修正、以及干涉图充零等算法的研究，有效解决了干涉图外差调制过程中所引入的噪声对复原光谱的影响，获取了理想的原始复原光谱数据，大大提高了光谱与辐射定标精度。. 项目从空间外差光谱仪干涉机理出发，分析总结了波长与光谱分辨率定标基本原理，并设计搭建了可调谐激光器加消散斑积分球全新光谱定标装置，进行了通道光谱扫描定标实验，获取了波长定标系数以及干涉图最大光程差数值。利用元素谱线灯和气体吸收池对光谱定标结果进行了验证，最终波长定标不确定度为0.05cm-1。针对空间外差光谱仪辐射定标，研究了系统基频与辐射定标之间的关系，并对相对辐射定标与绝对辐射定标原理进行了论述，开展了挡光臂相对辐射定标实验与积分球加光谱辐亮度计绝对辐射定标实验，获取了辐射定标系数，最终绝对辐射定标合成不确定度为3.98%。为验证空间外差光谱仪定标结果，将定标系数应用于空间外差光谱仪实测的地基CO2吸收光谱数据以及气体吸收池数据，定标后的吸收光谱数据与理论模拟谱相互吻合，表明本文所研究的空间外差光谱仪定标方法的可行性和先进性。