基于空間外差的超光譜測量實驗教學(xué)研究

王新強，葛浩然，王方原，李 樹，汪杰君，葉 松

（桂林電子科技大學(xué) 廣西光電信息處理重點實驗室，廣西 桂林 541004）

空間外差光譜技術(shù)具有超高光譜分辨率、高通量、瞬態(tài)探測等優(yōu)點[1]，在微弱光譜信號檢測方面得到廣泛應(yīng)用，是一種新型的空間調(diào)制型干涉光譜分析技術(shù)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，在結(jié)構(gòu)上，具有無運動部件、體積小、重量輕、功耗小以及集成度高等優(yōu)點[2-4]；在性能上，其光譜分辨率可以精確到亞納米數(shù)量級，同時還具有光通量大和高信噪比等特點。由于具有超高光譜分辨率和高靈敏度，空間外差光譜儀（SHS）能夠用于大氣中微量氣體成分探測及對這些成分的光譜分析，因而在大氣研究方面有重要作用[5-6]。

基于空間外差的超光譜測量技術(shù)（以下簡稱“SHS技術(shù)”）在國外主要應(yīng)用于中高層大氣、水汽探測以及大氣遙感等方面[7-9]，我國中科院安徽光機所在2005年也對SHS 進行了研究。

為了讓學(xué)生理解并快速掌握這套光譜測量方法，本文首先介紹SHS 的原理、使用方法及其應(yīng)用；再對光譜探測光路進行分析和設(shè)計；再根據(jù)光路進行干涉圖的數(shù)據(jù)采集，建立不同距離下的干涉圖數(shù)據(jù)模型；最后對干涉圖進行處理，得到鉀鹽光譜[2]。

1 實驗設(shè)計依據(jù)

20 世紀(jì)末以來，火箭技術(shù)和航天飛行技術(shù)快速發(fā)展?；鸺米陨硭鶖y帶的燃料與助燃劑燃燒產(chǎn)生的能量施加于火箭，對其產(chǎn)生推力，使得體積巨大的火箭得以飛上太空?；鸺M入太空后，人眼已無法追蹤火箭的蹤跡，于是很多火箭追蹤識別技術(shù)隨之得到發(fā)展，SHS 技術(shù)是其中之一。

火箭消焰劑中所包含的鉀元素在特征波段為766.5 nm 和769.9 nm 的峰值明顯，可以通過對這兩個特征波段的探測來實現(xiàn)對火箭的追蹤識別。這兩個特征波長的精度均在0.1 nm 數(shù)量級，一般的儀器很難達到這樣的精度，但SHS 可以滿足這個精度要求。

2 空間外差光譜儀檢測原理

SHS 檢測原理圖如圖1 所示，光束經(jīng)透鏡準(zhǔn)直，由分束器分成兩束相干光，兩相干光束分別被光柵G1和G2 以θ角反向衍射回分束器重新合束，兩合束光在出射面形成干涉條紋，并由光學(xué)成像系統(tǒng)成像在探測器上。對干涉圖進行預(yù)處理、傅里葉變換、濾波與波長定標(biāo)，即可提取出鉀鹽的光譜。

圖1 SHS 檢測原理圖

3 實驗設(shè)計

3.1 實驗儀器

本文采用的SHS是中科院安徽光機所設(shè)計的HEP-765-S。光譜波段范圍為759～769 nm，光譜分辨率優(yōu)于0.1 nm，通光孔徑＜30 nm，CCD 探測器為CCD47-20AIMO（1024×1024）。配套的干涉圖采集軟件為超分辨率干涉光譜儀控制軟件和輔助軟件。

3.2 器材準(zhǔn)備

除了SHS，還需要準(zhǔn)備1 臺計算機、1 個酒精噴燈及鉀鹽若干。

將準(zhǔn)備好的無水乙醇加入到酒精噴燈中，再加入氯化鉀粉末，直至無水乙醇溶液完全飽和，放置十幾分鐘，直到氯化鉀粉末充分溶于無水乙醇溶液。將超分辨率光譜儀的線路連接好。

酒精噴燈燃燒火焰容易受室外天氣因素影響，且由于室外風(fēng)力太大無法點燃酒精噴燈，因此選擇在室內(nèi)進行。但是選擇在室內(nèi)進行時，除了排除風(fēng)力因素外，在超分辨率光譜儀的擺放上，還應(yīng)將其鏡頭對準(zhǔn)實驗室窗外的天空，這樣既可保證火箭在空中的大氣干擾因素的存在，又可保證酒精噴燈火焰的正常燃燒。

3.3 實驗操作

（1）打開超分辨率光譜儀的控制軟件和輔助軟件，對超分辨率光譜儀的參數(shù)進行設(shè)置，如表1 所示，然后選擇在外界雜散光影響較小的黑暗環(huán)境中將采集光路擺放好。

（2）將酒精噴燈點燃，調(diào)整酒精噴燈的火焰處于最穩(wěn)定且光強最強的狀態(tài)。隨后調(diào)節(jié)酒精噴燈火焰中心與超分辨率光譜儀鏡頭中心的高度，使酒精噴燈火焰在軟件界面上能夠以最合適的大小和高度呈現(xiàn)，并在圖像顯示界面的中間形成清晰的干涉條紋。將干涉圖像采集保存下來，為下一步的光譜分析做準(zhǔn)備。

（3）以距離為變量獲得干涉圖。在酒精燈中的鉀鹽含量以及背景光條件一定的情況下，改變酒精燈火焰到光譜儀的距離，并設(shè)置了105 cm、120 cm、135 cm、150 cm 以及200 cm 的距離系列，采集每種情況下的干涉圖并進行分析處理，建立一個干涉圖數(shù)據(jù)處理模型。

表1 超分辨率光譜儀參數(shù)設(shè)置

4 光譜提取

光譜提取的整個過程如圖2 所示，圖3 是距離為105 cm 時采集到的二維干涉圖，用MATLAB 編程對其進行處理。對干涉圖的處理包括：去基線、切趾、噪聲濾波、光譜平均、波長定標(biāo)，最后得到鉀鹽光譜。數(shù)據(jù)處理效果圖如圖4 所示。

圖2 光譜提取過程

圖3 距離為105 cm 時采集的二維干涉圖

取二維干涉圖的其中一行作傅里葉變換，即可得到測量光譜，如圖4(a)所示。這樣得出的光譜是沒有進行預(yù)處理的，存在各種干擾的影響，無法精確分辨出鉀鹽光譜信號。圖4(b)是經(jīng)過差分去基線、切趾后的結(jié)果，可以看到光譜圖的效果得到了明顯改善，但是除鉀鹽光譜的兩個特征峰之外，仍然存在其他干擾噪聲的影響，需要繼續(xù)進行處理，以保證能夠準(zhǔn)確分辨出其中的鉀鹽信號。將信號干涉圖的干涉數(shù)據(jù)除去背景光信號的干涉數(shù)據(jù)，能消除背景噪聲影響，然后將二維干涉圖不同行所得光譜數(shù)據(jù)作平均處理，可進一步降低高頻隨機噪聲的影響，得到的平均光譜如圖4(c)所示。最后對得到的平均光譜進行波長定標(biāo)，得到圖4(d)。從圖4(d)中可以看出，鉀鹽的兩個特征峰（766.5 nm 和769.9 nm）被很好地還原出來，實現(xiàn)了鉀鹽超光譜檢測，說明基于空間外差的物質(zhì)超光譜識別是可行的。

圖4 數(shù)據(jù)處理效果圖

圖5 距離與光強關(guān)系曲線圖

表2 不同距離的光譜光強對比

對采集到的120 cm、135 cm、150 cm 以及200 cm距離的干涉圖用相同的數(shù)據(jù)處理方法進行光譜提取。從表2 和圖5 可以看出，不同距離的光譜光強不同，且766.5 nm 特征峰光強遠高于769.9 nm 特征峰的光強。整體來看，隨著距離的增加，兩個峰的輻射光強逐漸減弱，但即使距離增加到200 cm，相對于噪聲光強，鉀鹽兩個特征峰的輻射光強依然很強，很容易分辨。由于酒精溶解的氯化鉀非常少，即在實驗?zāi)M距離能夠?qū)崿F(xiàn)微量鉀鹽燃燒光譜檢測，說明對火箭尾焰進行基于空間外差的超光譜探測的可行性。

5 延伸設(shè)計

為了激發(fā)學(xué)生的好奇心和實踐熱情，在他們掌握相關(guān)的原理、方法之后，基于此儀器，可對實驗作進一步擴展。

本實驗設(shè)計的超高光譜探測系統(tǒng)特別適合探測微弱光信號，可以搭建其他測量波段的同類系統(tǒng)，用于其他物質(zhì)的探測嘗試。近年來，拉曼光譜技術(shù)因其快速、無損等探測優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域[10-12]，但是拉曼信號非常微弱，提取相對困難?？臻g外差光譜儀像一個放大器，其探測的高通量及超光譜分辨率可以實現(xiàn)對微弱的拉曼信號的檢測。使用一體化HEP-765-S 空間外差光譜系統(tǒng)作為拉曼特征光譜探測器，配合特定波長激光器搭建系統(tǒng)，可開展拉曼特征光譜直接測量實驗。本實驗所用空間外差光譜儀可測的光譜范圍為759～769 nm，根據(jù)激發(fā)光源與拉曼位移的理論關(guān)系，搭配不同波長的激光器，可以實現(xiàn)對同一目標(biāo)的不同波段拉曼光譜或不同目標(biāo)的拉曼特征峰的探測。

此外，可將這套拉曼探測實驗設(shè)計應(yīng)用到不同領(lǐng)域，由于其采用激光照射、非接觸、不用進行樣品處理等，因而適用于分析和檢測化學(xué)藥品及一些不易接觸的物質(zhì)，如食品安全檢測中的黃曲霉素、環(huán)境激素中的多環(huán)芳烴PAHS（菲、芘）等。這樣的擴展實驗設(shè)計，能激發(fā)學(xué)生的探索精神以及了解前沿技術(shù)并與之接軌的熱情。

6 結(jié)語

本文所述基于超高分辨率光譜的空間外差光譜測量實驗項目，通過對鉀鹽兩個特征波段的探測來模擬對火箭的追蹤識別。與普通光譜實驗相比，由于接收儀器的超光譜分辨率及高通量特性，在探測微弱光信號方面具有很大優(yōu)勢，這在實驗延伸設(shè)計（探測微弱拉曼信號）中能夠得到體現(xiàn)。本實驗設(shè)計結(jié)合前沿技術(shù)，操作簡單，在國內(nèi)高校具有很好的推廣性。能使光學(xué)專業(yè)學(xué)生深刻理解超分辨率空間外差探測原理，快速掌握干涉圖采集與數(shù)據(jù)處理方法，有利于激發(fā)他們的實驗熱情，培養(yǎng)他們的研究、探索與創(chuàng)新能力。