干涉光谱技术在大气遥感、 天文探测及地物勘察等诸多领域的应用是当前国内外研究热点, 光谱重构作为遥感数据处理的重要环节与探测精度紧密相关。 干涉数据由于有限光程差采样导致复原光谱出现频率泄露, 切趾函数在光谱重构过程中可以起到平滑光谱、 保持复原光谱和其他类型分光技术探测光谱一致性的作用, 但同时会造成重构光谱的分辨率下降。 已有研究表明切趾函数并没有提高反演精度, 同时多个典型大气遥感载荷地面数据处理过程中并未使用切趾函数。 空间外差光谱技术由于其诸多优点在国内外引起广泛关注, 中科院安光所基于该技术成功研究出用于大气CO2探测的原理样机。 信噪比是光谱仪的核心指标之一, 从信噪比、 光谱分辨率和探测精度之间的关系出发研究切趾函数在干涉数据光谱重构中的影响。 针对当前传统切趾函数并没有达到最优旁瓣抑制效果, 以诺顿-比尔切趾函数为基础, 在分辨率降低相同的情况下, 获取最大的旁瓣抑制程度为判据构造了10种不同光谱展宽程度的切趾函数。 利用SCIATRAN辐射传输模型分析了大气CO2遥感探测中不同气体浓度造成的大气层顶的辐亮度差异, 推导了典型条件下不同光谱分辨率满足1%探测精度需求的信噪比要求。 以实验室空间外差光谱仪样机参数为基础, 通过仿真干涉数据和本文构造切趾函数分析了不同切趾程度下光谱分辨率和信噪比的变化关系。 最后利用实验室研制的样机开展了实验验证, 通过观测稳定均匀积分球辐射源获取干涉数据在不切趾的情况下计算信噪比, 以及干涉数据进行不同程度切趾后复原光谱信噪比。 仿真和试验结果表明干涉数据由于切趾对噪声的抑制信噪比逐渐升高, 同时造成光谱分辨率逐渐下降, 而探测精度由于分辨率下降对光谱信噪比的要求也逐渐升高。 探测精度对信噪比的需求提高明显高于切趾作用下光谱信噪比的升高趋势, 仿真数据和实测数据信噪比分别在切趾程度大于1.6倍和1.8倍的情况下低于探测精度对仪器信噪比需求, 即白噪声在噪声中占主导的情况下不切趾更有利于探测精度的保障。 该研究结果可以作为干涉数据光谱重构的参考。

提出了一种棱镜型空间外差光谱技术设计方案。该技术将传统空间外差光谱仪中的衍射光栅替换为色散棱镜和平面反射镜,分析系统轴上光路,给出了元件参数之间的匹配关系。利用仿真软件对干涉图进行理论仿真,并分析了色散棱镜的折射率和顶角角度对光谱分辨率的影响。设计并搭建了棱镜型空间外差光谱技术验证平台,采用635 nm和650 nm波长的光源初步验证了实验平台的可行性。实验结果表明:在色散棱镜采用BK7玻璃(650 nm波长下折射率为1.51452)和顶角角度设置为30°的条件下,得到的光谱分辨率为1.07 nm,通过仿真计算可以得到光线的能量利用率为94.43%。实验结果与理论仿真基本一致,验证了设计方法的可行性与科学性,为空间外差光谱技术的研究提供了一个新思路。另外,通过选用更高折射率的色散棱镜和增大顶角角度等手段,还可以进一步提高光谱分辨率。

“高分五号”卫星于2018年5月9日成功发射, 是我国第一颗高光谱观测卫星, 大气主要温室气体监测仪是其中一台有效载荷, 采用空间外差光谱技术进行高光谱分光, 是国际上首台基于该体制的星载温室气体遥感设备。阐述了载荷的基本工作原理, 包括分光原理、工作模式及通道设置等内容。载荷的光学系统主要由五部分组成, 核心单元为一体化胶合干涉仪, 为避免光谱混叠对窄带滤光片的指标参数要求较高。为提高在轨数据定量化水平, 载荷设计了基于漫反射板系统的定标装置, 可满足光谱及辐射定标要求。最后, 梳理了载荷数据处理的基本流程, 并对首批观测数据进行了光谱复原, 成功获取了1级数据产品, 为下一步温室气体反演应用奠定了基础。

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要, 它是大气光化学反应中重要的氧化剂, OH在308 nm波段受到太阳能量激发, 发射出OH Ａ２Σ＋－Ｘ２Π(０, ０) 荧光信号。 为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号, 从复杂背景信号中分离目标信号, 研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪, 光谱范围为308.2～309.8 nm, 光谱分辨率为0.008 25 nm。 临边观测主要探测大气散射信号, 能量来源为大气中的粒子, 包括大气分子与气溶胶、 云等对太阳能量的散射作用。 中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术, 可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率, 适用于大气成分的精细探测。 通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜, 总视场内的场景被分成多个视场切片, 每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。 利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能, 临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号, 无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。 为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 进行了地面临边观测实验, 探测紫外308 nm波段大气散射信号。 模拟临边观测几何, 选取晴朗无云的一天, 在空旷场地对大气散射信号进行观测。 由于仪器基于空间外差光谱技术, 需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。 对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标, 得到最终临边观测光谱。 由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用, 因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。 从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗, 分析观测光谱中对应波段, 三个特征信息窗完全匹配, 验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。 将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN, 结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库, 得到模拟光谱, 将实测结果与辐射传输模型结果进行比对, 两者残差较小。 实测结果与模拟结果存在的残差, 可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态, 后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换, 使辐射传输模型更接近实际状态。 与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 验证了在轨探测多谱段、 宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性, 为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。

利用基于空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪,配合太阳跟踪器,对晴空太阳直射光谱进行测量,获得了308 nm波段高分辨率的太阳直射光谱。对干涉数据进行去暗电流、去基线、相位校正和傅里叶变换等处理,得到最终的干涉光谱图。利用辐射传输模型模拟理论上到达地面的光谱,将实测结果与理论模拟结果进行比对发现,光谱匹配一致,这为在轨探测高分辨率太阳光谱与目标散射信号提供了实验数据。

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型；仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化；将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。

传统空间外差光谱技术存在光谱分辨率、 光谱范围与探测器象元数之间的制约关系。 非对称空间外差光谱技术相比传统空间外差光谱技术主要区别在于增加单臂光栅到分束器的距离, 能够在系统参数不变的情况下大大的增加光谱分辨率。 首先阐述了非对称空间外差光谱技术的基本原理, 并给出相应的系统参数计算公式推导结果, 从理论上推导出单臂光栅偏置量增加和光谱分辨率增加之间的关系。 偏置量作为非对称空间外差光谱技术的重要参数, 受短双边象元数和光谱分辨率需求的制约。 根据实验室现有实验平台参数, 给出偏置量选择原则及结果。 在元器件参数相同的情况下, 分别计算了两种形式的理论光学性能参数, 并且进行了仿真验证, 得出非对称空间外差光谱仪与传统空间外差光谱仪光谱范围相同, 但具有更高的光谱分辨率, 并且分辨率提高与偏置量增加关系与理论计算相符。 最后通过单色光扫描方法对非对称空间外差光谱仪实验室装置进行光谱范围和光谱分辨率的定标, 定标结果与理论计算值吻合较好。

结合辐射传输和朗伯比尔定律, 提出一种基于有限脉冲响应数字滤波器和多元线性回归分析的空间外差干涉谱目标匹配方法, 通过对干涉图直接分析来提取出钾共振双线的特征以实现目标识别。本文采用传统有限脉冲响应数字滤波的处理方法来消除有效目标干涉频率信息以外的背景信息和干扰信号。通过对滤波前后的时域干涉数据进行多元线性回归处理获得最佳的时域滤波系数, 以对目标信号、背景信号的干涉图直接进行滤波处理, 最后通过干涉图匹配技术来识别钾共振双线信号。该算法无需测量背景光谱或背景干涉图, 亦无需对干涉图做傅里叶变换获取光谱, 在提高计算效率的同时提高空间外差光谱仪遥感数据的分析反演能力。

Offner反射式成像镜头相比于透射成像镜头具有适用波段范围宽、像差小、相对数值孔径较大、结构简单紧凑以及空间适应性良好的优点。结合空间外差技术特点和要求，给出了一种Offner成像镜头的设计方法和光路结构。该设计通过在出射光路中加入透镜改变缩放比，离轴装配消除像差的方法，可以满足空间外差光谱仪中对定域面干涉条纹进行任意比例缩放的要求。在系统要求数值孔径为0.042、缩放比为-0.86221的条件下，给出了设计实例，且点列图最大均方根半径优于1.81 μm。最后对该系统进行了像质评价和公差分析，分析结果表明其成像质量可以满足空间外差光谱仪对成像镜头的要求，在现有加工和装配水平条件下可工程化实现。

针对空间外差光谱仪干涉数据盲元误差修正要求，分析了其形成机理与分布特点，提出了一种全局阈值粗判与加窗技术相结合的计算方法，完成了干涉数据盲元的定位检测及补偿修正。用对实验室内采集的连续光源干涉数据以及室外地基探测的大气CO₂ 吸收干涉数据分别进行盲元误差修正实验验证，实验结果表明该算法能够在不破坏干涉数据信息量的同时，完成盲元误差的补偿修正，提高了光谱复原精度。