阿達瑪變換光學成像

1.1 問題及其目的和意義

在現代科學儀器和分析方法中，成像、光譜儀器和光譜方法占有重要地位，它們不僅被廣泛應用于天文、地理、物理、化學、生物、醫學等基礎研究領域，而且也是冶金、石油化工、材料、農業等物質生產領域不可缺少的檢測、分析手段。近年來，它們在生物化學、醫學研究、環境及安全監測、生態研究、空間探測研究等領域的應用也受到日益廣泛的關注。

光譜儀器的研究對象是光輻射，其中既包括不同物質直接發出的輻射，也包括光輻射與物質相互作用后顯現出的經過變換的輻射，如反射、透射、散射、熒光等。所有這些輻射都是物質向外界發出的信息。通過對光輻射的產生條件、頻率、強度變化和空間分布特征等進行檢測和分析，可直接獲取有關物質的成分、含量、結構、表面狀態、變化情況、化學或生物反應過程等有用的信息。 光譜儀器和光譜方法得以廣泛應用的原因主要有兩個：①光譜儀器可應用在很寬的電磁波區域，卻從波長λ=1～10?（1?=10-10m）的軟X射線到λ≤3mm的太赫茲波區域，這一區域常被稱為光學波段；②與其他分析方法（如色譜法、電化學法等）相比，光譜方法具有分析精度高、速度快、樣品用量少、無損害、無污染等優點。

當今科學技術的進步使光譜技術與儀器得到了日臻完善的發展，但同時也向其提出了更高的要求。對弱輻射信號的檢測已成為深化對自然認識的重要手段之一。如生物體的微觀結構觀察、生化反應分析、空間觀測、生命科學研究等，無疑是當今科學技術的前沿學科。面對弱輻射信號，現有的光譜儀器和光譜方法在許多應用中存在不足，可歸結為以下三方面。

常規的掃描型光譜儀無法勝任弱輻射的分析，這是由于：①儀器的基本結構——狹縫加色散元件——極大地限制了輻射通量的有效利用，如圖1.1所示，經入射和出射狹縫的兩次衰減，最后到達探測器的任一單色輻射一般不足入射輻射能的1/10；②從本質上講，常規光譜儀始終沒有擺脫單純地接收、獲取光譜信息的狀態，對有用光譜信號、背景信號及干擾信號無法進行有效的區分，因而分辨能力差、信噪比低、選擇性差。

（2）現在的光譜方法多是將被測目標視為一個整體來測量其總的輻射光譜特征，這對于那些只關心被測樣品光譜特性的應用場合較合適。然而，越來越多的研究 領域要求同時獲取目標輻射的光譜及其空間分布信息，如空間遙感、光聲光譜研究、反恐安檢、醫學及生命科學研究等領域。顯然，用通常的光譜方法來實現上述要求，是一個對目標進行逐“點”（小區域）檢測的掃描過程，其缺點是：①單點的輻射相對很弱，故檢測信噪比低，甚至無法檢測；②各點檢測之間存在一定的時間差。盡管基于陣列式探測器的多通道光譜技術為解決上述問題提供了有效途徑，但該技術仍有以下不足：①陣列式器件會存在不均勻性，對被測輻射強度的空間分布的分辨能力差；②工作波段受限于探測器材料；③高質量的陣列式探測器價格昂貴，尤其在紅外波段。

單就弱輻射源的二維成像測量而言，在可見和近紅外波段有感光乳膠和陣列式探測器可供選用。超出以上波段，例如在紅外和太赫茲波段既沒有感光乳膠，也無陣列式探測器，通常只有單元探測器，而在X射線波段，雖然有感光乳膠和接收器陣列，但也存在不足。在這種情況下，要獲取輻射的二維分布，同樣需要單點掃描測量，因信號過弱和光子起伏噪聲的影響，將使信噪比降低。

綜合上述分析，現代科技發展對成像與光譜儀器的要求必然是：①高輻射通量，高信噪比；②可同時獲取輻射的光譜和空間分布信息，即具有成像光譜測量能力；③工作波段寬。因此，研究同時具有上述特點的光譜儀器有著重大的理論意義和應用價值。

1.2 多通道成像光譜技術與儀器概述

1.2.1 多通道成像光譜技術

多通道光譜技術是一種并行檢測技術，其根本特征是能同時測量多個（成百上千）光譜元。多通道光譜儀器與單通道光譜儀器（常規光譜儀器）相比具有明顯的優點，即具有多通道。這一優點對于弱輻射檢測具有特殊意義，具體表現在如下方面。

單通道儀器對光譜的測量是逐一對譜元進行掃描的順序型檢測，測得光譜的可靠性依賴于輻射信號的穩定性。輻射強度的浮動將帶來信號浮動和雜散光噪聲的浮動，盡管可以采取斬波方法消除，但實踐起來十分復雜。而多通道儀器能對多譜元同時進行測量，可大幅度消除上述噪聲源。

弱輻射檢測的關鍵是提高靈敏度和降低噪聲。增加探測器的積分時間是改善信噪比的有效手段，單通道與多通道儀器均可采用。但單通道儀器對多個譜元的順序積分過程耗時長，難以在測量過程中保持輻射源或其他實驗條件穩定不變。而多通道儀器只需單通道儀器對單個譜元的積分時間，即可獲得同樣信噪比的測量結果。若使測量時間與單通道儀器所用的時間相同，則多通道儀器對每一譜元的積分時間將是單通道儀器的N倍（N為通道數），其信噪比將提高N倍。

1.2.2 多通道光譜儀器

按是否具有多通道探測功能和實現多通道的具體方式，光譜儀器可按圖1.2所示分類。

以下對多通道光譜儀器給予簡要介紹。

1.攝譜儀

攝譜儀是最早出現的具有多譜元同時記錄功能的光譜儀器，它以光譜感光板作為接收器。攝譜分析方法具有靈敏度高、準確性好、可進行多元素瞬變光譜分析、成本低等優點。其缺點是：①儀器的應用受到光譜感光板的光譜靈敏范圍和感光乳膠的光度動態范圍的限制，僅適用于紫外到近紅外波段（一般為200～1000 nm）的較強輻射的光譜分析；②感光板的后處理耗時長，不利于實現自動化、實時信息處理。

2.光電直讀光譜儀

它利用光電檢測元件取代光譜感光板，直接在光譜面上快速測定譜線。與攝譜儀相比，其優點是分析速度快、工作波長范圍寬、分析動態范圍大。其缺點是：①通道數有限，結構復雜，成本高，因為每個通道需要安置一個相應的出射狹縫與探測器件；②通用性差，因為在儀器設計和制造時都只能在確定的譜線位置安置出射狹縫與探測器件。

3.基于調制光譜技術和單元探測器的多通道光譜儀

這是一類原理新穎的儀器，是當今光譜儀器的發展方向。其基本原理是借助于各種光學調制方法，主動地、有目的地對入射光束或光譜成像光束進行適當調制，并通過解調獲得所需的光譜信息，這類儀器主要有以下兩種類型。

傅里葉變換光譜儀

傅里葉變換（fourier transform，FT）光譜儀是基于干涉調制技術和傅里葉變換，利用干涉圖和光源輻射光譜間的對應關系，通過測量干涉圖和對干涉圖進行傅里葉 積分變換的方法來測定和研究光譜的。20世紀50年代，P.Fellgett首先提出了干涉調制光譜儀的原理。他和P.Jacquinot分別從理論上論證了傅里葉變換光譜法的本質優點——多通道和高通量。自1969年美國Digilab公司推出世界上第一臺傅里葉變換紅外光譜儀以來，傅里葉變換光譜技術與儀器得到了迅速發展和廣泛應用。目前，它已成為從亞毫米波到近紅外波段輻射光譜的強有力分析工具。近幾年來，傅里葉變換光譜技術與儀器的發展主要體現在以下幾方面：①干涉系統的結構得以改進，各種新型干涉調制系統出現；②不含分光或不含運動部件的傅里葉變換光譜儀出現；③傅里葉變換光譜技術與氣相色譜（GC）等技術的聯用。

阿達瑪變換光譜儀

阿達瑪變換（hadamard transform，HT）光譜儀是20世紀60年代末發展起來的一類基于模板調制和阿達瑪變換的多通道儀器。它在常規光譜儀的基礎上，以編碼模板取代出射（或同時也取代入射）狹縫來實現多譜元的同時測量。20世紀70年代，國外就已研制出幾種應用型的阿達瑪變換儀器。但阿達瑪變換儀器的商品化進程迅速遠不如傅里葉變換光譜儀。其原因主要是：模板編碼運動的高精度控制要求約束了阿達瑪變換儀器的發展，而相比之下，計算機技術的迅速發展，使傅里葉變換光譜儀數據處理煩瑣已不再是致命的缺陷。而后，隨著模板加工和模板編碼運動的高精度控制技術的日臻完善，特別是固定模板和微鏡陣列的出現 ，阿達瑪變換光譜技術與儀器再度成為人們的研究熱點之一。

與常規光譜儀相比，傅里葉變換光譜儀和阿達瑪變換光譜儀具有如下優點：①光能利用率高，因為它們不再依靠細窄狹縫來保證必要的光譜分辨率；②光譜分辨率高，尤其是傅里葉變換光譜儀可擺脫狹縫造成的儀器函數的限制；③信噪比高，通過調制和解調可有效地壓抑背景和干擾信號，增強有用光譜信號；④選擇性好，可有目的地增強某項光譜信息，壓抑或遏制相近或相干的信號。

特別要求：①儀器較復雜，為實現有控制的精確調制，必須具有精密調制機構和較復雜的電子信號處理系統等；②需配備計算機，以實現調制過程的控制和解調再現光譜，尤其是傅里葉變換光譜儀對計算機有更高的要求。