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      什么是色散型光譜成像儀?它的工作原理是怎樣的?

      時間:2023-12-28 點擊:229次

      光譜成像儀根據分光原理的不同,可以分為不同的類型,其中常見就有色散型光譜成像儀。它是利用特定的色散元件,也叫作分光元件,在連續譜段上得到同一目標的直接光譜。一般常見的色散元件包括棱鏡和光柵。本文對色散型光譜成像儀及其原理做了介紹。

      三恩時高光譜成像儀

      什么是色散型光譜成像儀?

      色散型光譜成像儀利用特定的色散元件,也叫作分光元件,在連續譜段上得到同一目標的直接光譜。一般常見的色散元件包括棱鏡和光柵。棱鏡分光的機理是基于棱鏡材料的光折射率隨著波長而變化。根據幾何光學,入射光線和經過棱鏡的出射光線之間的夾角稱為偏向角。

      棱鏡對單色光的折射

      上圖為棱鏡對單色光的折射原理圖,其中i1表示入射角,i2表示出射角,θ表示偏向角;光柵分光是基于光柵每個縫對光線的衍射和縫間的干涉所產生。

      閃耀光柵對單色光的反射

      上圖表示閃耀光柵對單色光的反射原理,其中i1表示入射角,i2表示出射角,b表示光柵常數。下面詳細介紹棱鏡色散型光譜成像儀和光柵色散型光譜成像儀原理。


      棱鏡色散型光譜成像儀的原理:

      搖掃式棱鏡色散型光譜成像儀和推掃式棱鏡色散型光譜成像儀的成像原理如下圖所示。此類光譜成像儀由七部分組成,分別是指向鏡、望遠鏡物鏡、狹縫、準直鏡、棱鏡、成像鏡和探測器。其中搖掃式是采用機械掃描反射鏡沿平臺穿軌跡方向掃描,每個地面分辨率的輻射依次進入光譜儀的光學系統,經望遠鏡物鏡后成像于狹縫處,狹縫后的準直鏡使得通過狹縫的光平行射向色散元件。棱鏡作為色散元件將像元的輻射按照特定的光譜間隔實行色散,向不同的角度偏斜,從而使通過狹縫的光變成扇形單色平行光,成像鏡將它們會聚于其焦面上的線陣探測器單元上,形成光譜面。線陣探測器的元數,即是像元分光光譜波段的個數。提取線陣探測器的輸出值,即為地面分辨率的光譜信息。結合平臺的運動和掃描反射鏡的掃描,得到目標的兩維空間信息和一維光譜信息。

      搖掃式棱鏡色散型光譜成像儀和推掃式棱鏡色散型光譜成像儀

      推掃式與搖掃式不同的是它采用面陣探測器。因此,在穿軌方向面陣探測器在光譜方向上一維探測器元數,接收相應數目的的一行地面分辯元的輻射,被分光之后在探測器的空間方向一維單元上。因此,面陣探測器同時可以獲得一維光譜信息和一維空間信息,通過平臺的運動獲得另一維空間信息。指向鏡起到擴大視場的作用。

      表征棱鏡光譜儀基本性質的參量有四個:光譜的波長范圍、色散、分辨本領和像面照度。

      1.棱鏡光譜儀的波長范圍,取決于光學系統材料。波長范圍的確定,取決于遇感傳感器的工作波段要求。

      2.棱鏡光譜儀的色散,由線色散表示,即dl/dλ,等于波長差為單位的兩光譜線在譜面上的間隔。表示為:

      棱鏡光譜儀的色散

      式中:α表示棱鏡的折射角;n表示棱鏡介質對于最小偏向角的光線的折射率;dn/dλ表示棱鏡介質在該光線所對應的波長附近的色散率;f'表示光譜儀的焦距;表示探測器對成像鏡光軸的傾角。

      3.棱鏡光譜儀的分辨本領是指分離開兩條鄰近譜線的能力,定義為波長λ與在該波長附近能被分辨的最小波長間隔δλ之比,即:

      棱鏡光譜儀的分辨

      其中t表示棱鏡底邊長度。

      4.光譜儀的像面照度定義如下:

      光譜儀的像面照度

      τ表示光譜儀光學系統的透過率;B表示窄縫寬度:(D/f’)表示光譜儀成像鏡的相對孔徑:(D/f’)2稱為光譜儀的集光本領。


      光柵色散型光譜成像儀的原理:

      光柵色敝型光譜成像儀的光學結構和棱鏡色散型光譜成像儀類似,只不過色散元件是衍射光柵。下圖表示光柵色散型光譜成像儀的成像原理,此類光譜成像儀由部分組成,分別是指向鏡、望遠鏡物鏡、狹縫、準直鏡、光柵、成像鏡和探測器。

      光柵色散型光譜成像儀成像方式

      光柵光譜儀的基本參數是:波長范圍、色散、分辨本領和自由光譜范圍。

      1.波長范圍:對于每臺儀器來說,都有一光譜區間的極限寬度△λ,在此寬度內還可能觀察到分離的極大值和極小值,此范圍即光譜儀的波長范圍。衍射光柵的波長范圍為:

      衍射光柵的波長范圍

      λ表示波長;△λ表示相鄰的另一波長與該波長的差:k2表示第二波長的光柵光譜的級數,此級上兩波長的光譜線重合。

      2.色散:光柵色散一般用光柵的角色散表示,它不僅與光柵常數有關,還隨光譜級而不同。光柵的角色散為:

      光柵的角色散

      k表示主最大的級次;(a+b)=d,稱為光柵常數;θ為出現主最大的方向。

      3.分辨本領:

      分辨本領

      N表示光柵窄縫數。

      4.自由光譜范圍:

      當波長差較大時,光柵光譜儀可能發生重級現象,即λ的第m+1級與λ+△λ的第m級重疊:(m+1)λ=m(λ+△λ),則有:△λ=λ/m。在以光譜范圍內不會發生重級現象,稱△λ為自由光譜范圍。

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