阿达玛变换光学成像

1.1问题及其目的和意义

在现代科学仪器和分析方法中，成像、光谱仪器和光谱方法占有重要地位，它们不仅被广泛应用于天文、地理、物理、化学、生物、医学等基础研究领域，而且也是冶金、石油化工、材料、农业等物质生产领域不可缺少的检测、分析手段。近年来，它们在生物化学、医学研究、环境及安全监测、生态研究、空间探测研究等领域的应用也受到日益广泛的关注。

光谱仪器的研究对象是光辐射，其中既包括不同物质直接发出的辐射，也包括光辐射与物质相互作用后显现出的经过变换的辐射，如反射、透射、散射、荧光等。所有这些辐射都是物质向外界发出的信息。通过对光辐射的产生条件、频率、强度变化和空间分布特征等进行检测和分析，可直接获取有关物质的成分、含量、结构、表面状态、变化情况、化学或生物反应过程等有用的信息。光谱仪器和光谱方法得以广泛应用的原因主要有两个：①光谱仪器可应用在很宽的电磁波区域，却从波长λ=1～10Å（1Å=10-10m）的软X射线到λ≤3mm的太赫兹波区域，这一区域常被称为光学波段；②与其他分析方法（如色谱法、电化学法等）相比，光谱方法具有分析精度高、速度快、样品用量少、无损害、无污染等优点。

当今科学技术的进步使光谱技术与仪器得到了日臻完善的发展，但同时也向其提出了更高的要求。对弱辐射信号的检测已成为深化对自然认识的重要手段之一。如生物体的微观结构观察、生化反应分析、空间观测、生命科学研究等，无疑是当今科学技术的前沿学科。面对弱辐射信号，现有的光谱仪器和光谱方法在许多应用中存在不足，可归结为以下三方面。

常规的扫描型光谱仪无法胜任弱辐射的分析，这是由于：①仪器的基本结构——狭缝加色散元件——极大地限制了辐射通量的有效利用，如图1.1所示，经入射和出射狭缝的两次衰减，最后到达探测器的任一单色辐射一般不足入射辐射能的1/10；②从本质上讲，常规光谱仪始终没有摆脱单纯地接收、获取光谱信息的状态，对有用光谱信号、背景信号及干扰信号无法进行有效的区分，因而分辨能力差、信噪比低、选择性差。

（2）现在的光谱方法多是将被测目标视为一个整体来测量其总的辐射光谱特征，这对于那些只关心被测样品光谱特性的应用场合较合适。然而，越来越多的研究领域要求同时获取目标辐射的光谱及其空间分布信息，如空间遥感、光声光谱研究、反恐安检、医学及生命科学研究等领域。显然，用通常的光谱方法来实现上述要求，是一个对目标进行逐“点”（小区域）检测的扫描过程，其缺点是：①单点的辐射相对很弱，故检测信噪比低，甚至无法检测；②各点检测之间存在一定的时间差。尽管基于阵列式探测器的多通道光谱技术为解决上述问题提供了有效途径，但该技术仍有以下不足：①阵列式器件会存在不均匀性，对被测辐射强度的空间分布的分辨能力差；②工作波段受限于探测器材料；③高质量的阵列式探测器价格昂贵，尤其在红外波段。

图1.1 常规光谱仪示意图

单就弱辐射源的二维成像测量而言，在可见和近红外波段有感光乳胶和阵列式探测器可供选用。超出以上波段，例如在红外和太赫兹波段既没有感光乳胶，也无阵列式探测器，通常只有单元探测器，而在X射线波段，虽然有感光乳胶和接收器阵列，但也存在不足。在这种情况下，要获取辐射的二维分布，同样需要单点扫描测量，因信号过弱和光子起伏噪声的影响，将使信噪比降低。

综合上述分析，现代科技发展对成像与光谱仪器的要求必然是：①高辐射通量，高信噪比；②可同时获取辐射的光谱和空间分布信息，即具有成像光谱测量能力；③工作波段宽。因此，研究同时具有上述特点的光谱仪器有着重大的理论意义和应用价值。

1.2多通道成像光谱技术与仪器概述

1.2.1多通道成像光谱技术

多通道光谱技术是一种并行检测技术，其根本特征是能同时测量多个（成百上千）光谱元。多通道光谱仪器与单通道光谱仪器（常规光谱仪器）相比具有明显的优点，即具有多通道。这一优点对于弱辐射检测具有特殊意义，具体表现在如下方面。

单通道仪器对光谱的测量是逐一对谱元进行扫描的顺序型检测，测得光谱的可靠性依赖于辐射信号的稳定性。辐射强度的浮动将带来信号浮动和杂散光噪声的浮动，尽管可以采取斩波方法消除，但实践起来十分复杂。而多通道仪器能对多谱元同时进行测量，可大幅度消除上述噪声源。

弱辐射检测的关键是提高灵敏度和降低噪声。增加探测器的积分时间是改善信噪比的有效手段，单通道与多通道仪器均可采用。但单通道仪器对多个谱元的顺序积分过程耗时长，难以在测量过程中保持辐射源或其他实验条件稳定不变。而多通道仪器只需单通道仪器对单个谱元的积分时间，即可获得同样信噪比的测量结果。若使测量时间与单通道仪器所用的时间相同，则多通道仪器对每一谱元的积分时间将是单通道仪器的N倍（N为通道数），其信噪比将提高N倍。

1.2.2多通道光谱仪器

按是否具有多通道探测功能和实现多通道的具体方式，光谱仪器可按图1.2所示分类。

图1.2 光谱仪器分类

以下对多通道光谱仪器给予简要介绍。

1.摄谱仪

摄谱仪是最早出现的具有多谱元同时记录功能的光谱仪器，它以光谱感光板作为接收器。摄谱分析方法具有灵敏度高、准确性好、可进行多元素瞬变光谱分析、成本低等优点。其缺点是：①仪器的应用受到光谱感光板的光谱灵敏范围和感光乳胶的光度动态范围的限制，仅适用于紫外到近红外波段（一般为200～1000nm）的较强辐射的光谱分析；②感光板的后处理耗时长，不利于实现自动化、实时信息处理。

2.光电直读光谱仪

它利用光电检测元件取代光谱感光板，直接在光谱面上快速测定谱线。与摄谱仪相比，其优点是分析速度快、工作波长范围宽、分析动态范围大。其缺点是：①通道数有限，结构复杂，成本高，因为每个通道需要安置一个相应的出射狭缝与探测器件；②通用性差，因为在仪器设计和制造时都只能在确定的谱线位置安置出射狭缝与探测器件。

3.基于调制光谱技术和单元探测器的多通道光谱仪

这是一类原理新颖的仪器，是当今光谱仪器的发展方向。其基本原理是借助于各种光学调制方法，主动地、有目的地对入射光束或光谱成像光束进行适当调制，并通过解调获得所需的光谱信息，这类仪器主要有以下两种类型。

傅里叶变换光谱仪

傅里叶变换（fouriertransform，FT）光谱仪是基于干涉调制技术和傅里叶变换，利用干涉图和光源辐射光谱间的对应关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶积分变换的方法来测定和研究光谱的。20世纪50年代，P.Fellgett首先提出了干涉调制光谱仪的原理。他和P.Jacquinot分别从理论上论证了傅里叶变换光谱法的本质优点——多通道和高通量。自1969年美国Digilab公司推出世界上第一台傅里叶变换红外光谱仪以来，傅里叶变换光谱技术与仪器得到了迅速发展和广泛应用。目前，它已成为从亚毫米波到近红外波段辐射光谱的强有力分析工具。近几年来，傅里叶变换光谱技术与仪器的发展主要体现在以下几方面：①干涉系统的结构得以改进，各种新型干涉调制系统出现；②不含分光或不含运动部件的傅里叶变换光谱仪出现；③傅里叶变换光谱技术与气相色谱（GC）等技术的联用。

阿达玛变换光谱仪

阿达玛变换（hadamardtransform，HT）光谱仪是20世纪60年代末发展起来的一类基于模板调制和阿达玛变换的多通道仪器。它在常规光谱仪的基础上，以编码模板取代出射（或同时也取代入射）狭缝来实现多谱元的同时测量。20世纪70年代，国外就已研制出几种应用型的阿达玛变换仪器。但阿达玛变换仪器的商品化进程迅速远不如傅里叶变换光谱仪。其原因主要是：模板编码运动的高精度控制要求约束了阿达玛变换仪器的发展，而相比之下，计算机技术的迅速发展，使傅里叶变换光谱仪数据处理烦琐已不再是致命的缺陷。而后，随着模板加工和模板编码运动的高精度控制技术的日臻完善，特别是固定模板和微镜阵列的出现，阿达玛变换光谱技术与仪器再度成为人们的研究热点之一。

与常规光谱仪相比，傅里叶变换光谱仪和阿达玛变换光谱仪具有如下优点：①光能利用率高，因为它们不再依靠细窄狭缝来保证必要的光谱分辨率；②光谱分辨率高，尤其是傅里叶变换光谱仪可摆脱狭缝造成的仪器函数的限制；③信噪比高，通过调制和解调可有效地压抑背景和干扰信号，增强有用光谱信号；④选择性好，可有目的地增强某项光谱信息，压抑或遏制相近或相干的信号。

特别要求：①仪器较复杂，为实现有控制的精确调制，必须具有精密调制机构和较复杂的电子信号处理系统等；②需配备计算机，以实现调制过程的控制和解调再现光谱，尤其是傅里叶变换光谱仪对计算机有更高的要求。