宽谱段静态空间外差光谱技术基础问题研究

气候变暖已经成为世界瞩目的焦点问题。光谱遥感探测技术是探测大气中温室气体种类、含量、分布等参数的重要手段。空间外差光谱仪具有超高光谱分辨率，适合探测大气精细特征光谱，但传统空间外差光谱仪谱段很窄，无法实现同时探测多种大气成分。国际上关于宽谱段空间外差技术的研究还较少，已有方案都在光谱采集过程中引入动件，降低了系统稳定性，不利于星载应用。为此，本项目提出基于四象限光学快门的宽谱段静态空间外差光谱技术。研究光学快门作为级次选择掩膜的可行性和宽谱段空间外差光谱仪的一些基础问题。首先，研究系统辐射响应特性，分析系统光学参数、光栅色散特性、光学快门响应特性和干涉图采样对辐射特性的影响；然后，研究光学快门响应非均匀性和偏振特性以及系统残余像差对干涉图平场和位相校正的影响；最后，进行光学系统设计优化。本项目旨在揭示宽谱段静态空间外差光谱技术的可行性，为用于大气探测的星载系统的工程研制奠定理论基础。

本项目针对温室气体探测这一热点问题，开展用于大气成分精细光谱探测的宽谱段静态空间外差光谱技术研究。宽谱段空间外差干涉光谱技术是在传统窄谱段空间外差光谱技术基础上发展起来的，将中阶梯光栅的多级衍射特性和二维傅里叶变换理论引入到传统空间外差光谱仪系统中，在保持超高光谱分辨率的前提下实现光谱覆盖范围拓展。本项目提出采用光学快门这种空间光调制器件解决宽谱段空间外差光谱仪系统干涉图采集过程中存在运动部件这一问题。研究内容包括谱段展宽基础理论、系统设计、数据处理、光学快门掩膜可行性四个方面。谱段展宽理论研究主要是梳理宽谱段空间外差光谱技术的基础理论，分析与窄谱段系统的区别，建立系统目标光谱辐射传输模型，为其他三方面研究奠定物理和数学基础；系统参数分析和设计主要研究仪器性能指标（光谱范围、光谱分辨率、空间覆盖、信噪比等）与仪器基本光学、电子学参数之间的关系，完成了平台实验系统设计和搭建；数据处理部分主要研究了干涉图平场、光谱复原过程中基线去除及切趾问题；光学快门掩膜可行性研究光学快门对干涉图调制度和相位的影响，并通过实验对理论分析进行验证。课题重要研究成果如下：提出了基于数值归纳方法的空间外差光谱仪视场展宽棱镜设计理论，与传统方法相比，沿色散主截面方向视场容限提高10%~30%，更重要的是对于宽谱段空间外差光谱仪视场展宽棱镜需要采用消色差复合棱镜，数值归纳方法简单便捷，且可分析仪器参数对视场容限的影响；设计并搭建了一套宽谱段空间外差光谱仪平台实验系统，设计光谱范围500~900nm（11111~20000cm-1），光谱分辨率0.006nm@590nm（波数分辨率0.17cm-1），并成功获得了激光、钠灯和汞灯光源线谱的实验结果，光谱分辨率达到设计指标，平台实验系统为其它问题研究提供了实验条件；研究了三种误差来源情况下干涉图平场校正方法，并获得初步实验结果，可以有效修正由于系统元件缺陷带来的干涉图调制度降低和局部畸变，这项工作也为光学快门作为级次选择掩膜可行性提供技术保障；提出了光学快门掩膜光学特性（透过率、折射率、局部缺陷）对宽谱段空间外差系统干涉图调制度和相位影响理论，并通过实验验证了光学快门作为级次选择掩膜的可行性。上述研究结果对于宽谱段空间外差光谱仪的设计研制、数据处理以及四象限光学快门掩膜的设计制造奠定一些基础。