快照式干涉成像光谱仪实现运动目标的瞬时静态三维图谱测量

封面解析：

快照式干涉成像光谱仪作为卫星载荷的一个典型应用，可对地面和空间场景中快速运动或光谱迅变目标（如火箭、导弹、飞机等）的三维图像光谱信息进行瞬时探测。利用微透镜阵列与多级微反射镜对目标光场进行多重成像与阵列干涉的耦合调制，实现三维图谱信息的静态测量，避免了传统干涉成像光谱仪时间维的扫描过程，具有利用二维探测器获取三维信息的能力，拓展了信息实时探测的维度。

封面文章| 吕金光;梁静秋;王维彪;秦余欣;陶金; 快照式干涉成像光谱仪阶梯面形误差特性分析研究[J].光学学报, 2022, 42 (09):0930001.

1、研究背景

成像光谱仪可以获取目标场景图谱合一的三维数据立方体，目前多采用时间扫描的方式来获取第三维的空间或光谱信息。但是当目标呈现出快速的空间运动或迅速的光谱变化时（如火箭、导弹、飞机等），其时间扫描过程将极大地限制了图谱探测的有效性。

图1 火箭或导弹发射过程中尾焰的图像及其光谱特征迅速变化（图片来源于网络）

快照式成像光谱仪采用静态结构可以在探测器的单个积分时间内获取目标的整个三维图像光谱数据立方体，极大地提高了对于动态场景或迅变目标的图谱测量能力。由于图谱立方体为三维数据，而面阵探测器仅为二维器件，因此快照成像光谱仪必须在二维面阵探测器上同时测量数据立方体的所有元素，这就需要采用特殊阵列器件结构的光学设计以提供三维数据的同时获取能力。

2、快照式干涉成像光谱仪

为了利用二维面阵探测器实现三维图像光谱数据的同时获取，本课题组将微透镜阵列与多级微反射镜相结合，提出了一种快照式干涉成像光谱仪结构。微透镜阵列对来自目标场景的光场进行多重成像，并将多重像场耦合到干涉系统中。两个正交的具有不同结构参数的多级微反射镜构成空间调制干涉系统，对微透镜阵列形成的多重像场进行孔径分割与分布式相位调制，实现多重像场所有采样通道的同步干涉。由此，通过微透镜阵列多重成像与多级微反射镜相位调制的光场耦合，在横向空间形成目标场景的干涉光场阵列，并经中继成像镜在面阵探测器像面上形成干涉图像阵列。

每个微透镜单元，对应于两个多级微反射镜特定的行与特定的列，从而每个干涉图像单元对应一个特定的光程差。通过图像分割顺序提取每个图像单元，重新组装形成三维干涉图像立方体。沿着干涉图像立方体的光程差轴进行离散傅里叶变换，便可重建三维图像光谱立方体。

图2 快照式干涉成像光谱仪原理图

在保持总光学厚度不变的前提下，通过改变纳米叠层中两种材料的厚度比例，可以调节纳米叠层薄膜的（平均）折射率和光学带隙。与传统膜系相比，制备的紫外反射膜在355nm处吸收损耗小约20%（图2），表现出较低的电场增强、更快的电场随深度衰减。因此激光诱导温升较低，表现出较高的激光损伤阈值。

图3 快照式干涉成像光谱仪的光场传输模型

基于多重干涉成像的光场传输模型，我们对系统进行了数值计算与光路仿真，通过光场分步传输计算得到干涉图像阵列与复原重建光谱。通过像谱质量分析，构建了多级微反射镜阶梯结构、阵列效应、阶梯面形等结构参数与干涉图像及复原光谱特征之间的关系，为光学系统设计与阵列器件制作提供了分析方法和理论指导。根据分析结果，进行了快照式干涉成像光谱仪多级微反射镜等光学元器件的高精度制作，并搭建了快照式干涉成像光谱仪的系统实验平台。

图4 快照式干涉成像光谱仪光路仿真与光谱重构

图5 快照式干涉成像光谱仪系统实验平台

快照式干涉成像光谱仪通过微透镜阵列与多级微反射镜对目标光场的镜场调制与耦合传输，实现多重成像与像场干涉的协同工作，通过一次测量即可获取目标场景图谱合一的三维数据，提高了信息探测的实时性。同时采用静态结构，提高了系统的稳定性，通过结构优化设计可具有较小的体积和重量，是地球遥感与空间探测的理想卫星载荷，在未来航空航天领域将具有广阔的应用前景并发挥重要的作用。

3、后续工作展望

后续将基于系统实验平台，开展实验室环境下动态目标的图谱探测与图谱反演研究；同时开展系统原理样机的研制，并通过外场实验验证其对外场迅变目标三维图谱信息的瞬时获取能力，为快照式干涉成像光谱仪的工程应用奠定理论与技术基础。