基于浸入式光栅的偏振超光谱成像技术研究

In the remote sensing, spectrometers are widely used. Nowadays, the spectrometers based on the immersed grating become the international research focus because it can overcome the contradictions between small volume and high spectral resolving power. But we haven’t seen the domestic papers related. Meanwhile, the immersed grating has not been used in the imaging spectropolarimeters. We proposed a new imaging spectropolarimeter focusing on the requirements of small, light and capability systems(deep-space exploration，earth-observing remote sensing and so on ).It uses the immersed grating as the dispersive element and could get two mutually orthogonal linear polarized images simultaneously. By theoretical analysis, simulation and optimization evaluation, we take pertinence and exploratory researches on the basic theoretical problems and key technical issues about immersed grating’s characters, imaging system optimization design and many other problems. The results have important theoretical significance and practical value.

在科学遥感探测领域中，光谱仪的应用十分广泛。其中基于浸入式光栅的光谱设备以其克服了小体积与超高光谱分辨本领之间矛盾的特性，成为目前国际上的研究热点，而国内尚未见相关报道。同时，将浸入式光栅应用于偏振光谱成像光学系统的研究在国内外也尚无涉及。本项目主要针对小型紧凑、结实易用的偏振超光谱成像应用需求（深空遥感探测、对地遥感观测等），提出一种以浸入式光栅为色散元件、利用偏振分束器同时获得正交线偏振图像信息的新型偏振超光谱成像方案。通过理论分析、系统仿真、优化评估等手段，对浸入式光栅的特性及其在偏振系统中的应用、成像系统总体匹配优化设计等方面所涉及的若干基础理论问题和关键技术问题，展开具有针对性和探索性的研究，所获得的成果对于偏振超光谱技术在遥感探测等多个领域的发展具有重要的理论意义与实际价值。

很多领域在对光谱分辨率的要求日益提升的同时，又通常要求仪器具备小型、轻量、高鲁棒性等优点。本项目基于光栅型光谱仪无运动部件的优势，结合一种新型光栅——浸入式光栅，在一定程度上解决了传统光栅型光谱仪高分辨和小体积之间的矛盾，并且创新性的在系统中加入偏振测量组件，可同时获取偏振信息与光谱信息。本项目为工程应用前期理论方面的探索研究。由于在大气探测中常用到超精细光谱仪，而光谱仪接收到的光信号往往带有偏振成分，针对超光谱成像探测设备的消偏需求，提出了一种新型消偏器，消偏度可达98%以上。研究发现，浸入式光栅谱线相较于普通光栅的分布有明显差异，“梯形”谱线发生倾斜，Littrow波长漂离中心波长。在以长波配准Littrow条件时，谱线向短波端倾斜，以短波配准时则向长波端倾斜。热红外谱段，“梯形”谱线倾斜较小，更接近普通光栅的情况。从衍射角、角色散以及非线性度等方面，与普通光栅进行对比讨论，分析了浸入式光栅的色散非线性性。研究发现：浸入式光栅的衍射角分布有较大倾斜；折射率变化对于浸入式光栅的每一级次均存在影响，尤其是折射率下降较快的高级次更为明显；经过三个光栅常数的对比，其对角色散的影响不明显；浸入式光栅的色散非线性性大于普通光栅。光栅常数对应的满足Littrow条件的级次达到最小非线性度，其它级次的非线性度关于该级次呈抛物线型对称。由于谱线反演是基于测量所得的折射率，研究讨论了折射率测量误差对于浸入式光栅谱线的影响。目前可见光谱段的折射率测量误差普遍约为10-4，正负误差基本呈对称分布，谱段内各波长的谱线漂移在0.8个像元之内，漂移像元数随波长的增大而增加，折射率正（负）误差导致谱线向负（正）方向漂移。由于折射率随波长的增大而减小，因此同样的误差所导致的误差百分比随波长而增加。在误差增大或降低一个数量级，则漂移像元数也随之增大或降低相同的数量级。以上研究结果，对于下一步研制基于浸入式光栅的偏振成像光谱仪设计及应用具有重要意义。