基于空間外差的超光譜測量實驗教學研究

王新強，葛浩然，王方原，李 樹，汪杰君，葉 松

（桂林電子科技大學 廣西光電信息處理重點實驗室，廣西 桂林 541004）

空間外差光譜技術具有超高光譜分辨率、高通量、瞬態探測等優點[1]，在微弱光譜信號檢測方面得到廣泛應用，是一種新型的空間調制型干涉光譜分析技術。與傳統技術相比，在結構上，具有無運動部件、體積小、重量輕、功耗小以及集成度高等優點[2-4]；在性能上，其光譜分辨率可以精確到亞納米數量級，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（以下簡稱“SHS技術”）在國外主要應用于中高層大氣、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、使用方法及其應用；再對光譜探測光路進行分析和設計；再根據光路進行干涉圖的數據采集，建立不同距離下的干涉圖數據模型；最后對干涉圖進行處理，得到鉀鹽光譜[2]。

1 實驗設計依據

20 世紀末以來，火箭技術和航天飛行技術快速發展。火箭利用自身所攜帶的燃料與助燃劑燃燒產生的能量施加于火箭，對其產生推力，使得體積巨大的火箭得以飛上太空。火箭進入太空后，人眼已無法追蹤火箭的蹤跡，于是很多火箭追蹤識別技術隨之得到發展，SHS 技術是其中之一。

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對火箭的追蹤識別。這兩個特征波長的精度均在0.1 nm 數量級，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，光束經透鏡準直，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，并由光學成像系統成像在探測器上。對干涉圖進行預處理、傅里葉變換、濾波與波長定標，即可提取出鉀鹽的光譜。

圖1 SHS 檢測原理圖

3 實驗設計

3.1 實驗儀器

本文采用的SHS是中科院安徽光機所設計的HEP-765-S。光譜波段范圍為759～769 nm，光譜分辨率優于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 器材準備

除了SHS，還需要準備1 臺計算機、1 個酒精噴燈及鉀鹽若干。

將準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，且由于室外風力太大無法點燃酒精噴燈，因此選擇在室內進行。但是選擇在室內進行時，除了排除風力因素外，在超分辨率光譜儀的擺放上，還應將其鏡頭對準實驗室窗外的天空，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進行設置，如表1 所示，然后選擇在外界雜散光影響較小的黑暗環境中將采集光路擺放好。

（2）將酒精噴燈點燃，調整酒精噴燈的火焰處于最穩定且光強最強的狀態。隨后調節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，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，建立一個干涉圖數據處理模型。

表1 超分辨率光譜儀參數設置

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，最后得到鉀鹽光譜。數據處理效果圖如圖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)是經過差分去基線、切趾后的結果，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，需要繼續進行處理，以保證能夠準確分辨出其中的鉀鹽信號。將信號干涉圖的干涉數據除去背景光信號的干涉數據，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據作平均處理，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，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，實現了鉀鹽超光譜檢測，說明基于空間外差的物質超光譜識別是可行的。

圖4 數據處理效果圖

圖5 距離與光強關系曲線圖

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據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，即在實驗模擬距離能夠實現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 延伸設計

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

本實驗設計的超高光譜探測系統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，用于其他物質的探測嘗試。近年來，拉曼光譜技術因其快速、無損等探測優勢被廣泛應用在各個領域[10-12]，但是拉曼信號非常微弱，提取相對困難。空間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 空間外差光譜系統作為拉曼特征光譜探測器，配合特定波長激光器搭建系統，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，根據激發光源與拉曼位移的理論關系，搭配不同波長的激光器，可以實現對同一目標的不同波段拉曼光譜或不同目標的拉曼特征峰的探測。

此外，可將這套拉曼探測實驗設計應用到不同領域，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藥品及一些不易接觸的物質，如食品安全檢測中的黃曲霉素、環境激素中的多環芳烴PAHS（菲、芘）等。這樣的擴展實驗設計，能激發學生的探索精神以及了解前沿技術并與之接軌的熱情。

6 結語

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勢，這在實驗延伸設計（探測微弱拉曼信號）中能夠得到體現。本實驗設計結合前沿技術，操作簡單，在國內高校具有很好的推廣性。能使光學專業學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據處理方法，有利于激發他們的實驗熱情，培養他們的研究、探索與創新能力。