基于空间外差的超光谱测量实验教学研究

王新强，葛浩然，王方原，李 树，汪杰君，叶 松

（桂林电子科技大学 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004）

空间外差光谱技术具有超高光谱分辨率、高通量、瞬态探测等优点[1]，在微弱光谱信号检测方面得到广泛应用，是一种新型的空间调制型干涉光谱分析技术。与传统技术相比，在结构上，具有无运动部件、体积小、重量轻、功耗小以及集成度高等优点[2-4]；在性能上，其光谱分辨率可以精确到亚纳米数量级，同时还具有光通量大和高信噪比等特点。由于具有超高光谱分辨率和高灵敏度，空间外差光谱仪（SHS）能够用于大气中微量气体成分探测及对这些成分的光谱分析，因而在大气研究方面有重要作用[5-6]。

基于空间外差的超光谱测量技术（以下简称“SHS技术”）在国外主要应用于中高层大气、水汽探测以及大气遥感等方面[7-9]，我国中科院安徽光机所在2005年也对SHS 进行了研究。

为了让学生理解并快速掌握这套光谱测量方法，本文首先介绍SHS 的原理、使用方法及其应用；再对光谱探测光路进行分析和设计；再根据光路进行干涉图的数据采集，建立不同距离下的干涉图数据模型；最后对干涉图进行处理，得到钾盐光谱[2]。

1 实验设计依据

20 世纪末以来，火箭技术和航天飞行技术快速发展。火箭利用自身所携带的燃料与助燃剂燃烧产生的能量施加于火箭，对其产生推力，使得体积巨大的火箭得以飞上太空。火箭进入太空后，人眼已无法追踪火箭的踪迹，于是很多火箭追踪识别技术随之得到发展，SHS 技术是其中之一。

火箭消焰剂中所包含的钾元素在特征波段为766.5 nm 和769.9 nm 的峰值明显，可以通过对这两个特征波段的探测来实现对火箭的追踪识别。这两个特征波长的精度均在0.1 nm 数量级，一般的仪器很难达到这样的精度，但SHS 可以满足这个精度要求。

2 空间外差光谱仪检测原理

SHS 检测原理图如图1 所示，光束经透镜准直，由分束器分成两束相干光，两相干光束分别被光栅G1和G2 以θ角反向衍射回分束器重新合束，两合束光在出射面形成干涉条纹，并由光学成像系统成像在探测器上。对干涉图进行预处理、傅里叶变换、滤波与波长定标，即可提取出钾盐的光谱。

图1 SHS 检测原理图

3 实验设计

3.1 实验仪器

本文采用的SHS是中科院安徽光机所设计的HEP-765-S。光谱波段范围为759～769 nm，光谱分辨率优于0.1 nm，通光孔径＜30 nm，CCD 探测器为CCD47-20AIMO（1024×1024）。配套的干涉图采集软件为超分辨率干涉光谱仪控制软件和辅助软件。

3.2 器材准备

除了SHS，还需要准备1 台计算机、1 个酒精喷灯及钾盐若干。

将准备好的无水乙醇加入到酒精喷灯中，再加入氯化钾粉末，直至无水乙醇溶液完全饱和，放置十几分钟，直到氯化钾粉末充分溶于无水乙醇溶液。将超分辨率光谱仪的线路连接好。

酒精喷灯燃烧火焰容易受室外天气因素影响，且由于室外风力太大无法点燃酒精喷灯，因此选择在室内进行。但是选择在室内进行时，除了排除风力因素外，在超分辨率光谱仪的摆放上，还应将其镜头对准实验室窗外的天空，这样既可保证火箭在空中的大气干扰因素的存在，又可保证酒精喷灯火焰的正常燃烧。

3.3 实验操作

（1）打开超分辨率光谱仪的控制软件和辅助软件，对超分辨率光谱仪的参数进行设置，如表1 所示，然后选择在外界杂散光影响较小的黑暗环境中将采集光路摆放好。

（2）将酒精喷灯点燃，调整酒精喷灯的火焰处于最稳定且光强最强的状态。随后调节酒精喷灯火焰中心与超分辨率光谱仪镜头中心的高度，使酒精喷灯火焰在软件界面上能够以最合适的大小和高度呈现，并在图像显示界面的中间形成清晰的干涉条纹。将干涉图像采集保存下来，为下一步的光谱分析做准备。

（3）以距离为变量获得干涉图。在酒精灯中的钾盐含量以及背景光条件一定的情况下，改变酒精灯火焰到光谱仪的距离，并设置了105 cm、120 cm、135 cm、150 cm 以及200 cm 的距离系列，采集每种情况下的干涉图并进行分析处理，建立一个干涉图数据处理模型。

表1 超分辨率光谱仪参数设置

4 光谱提取

光谱提取的整个过程如图2 所示，图3 是距离为105 cm 时采集到的二维干涉图，用MATLAB 编程对其进行处理。对干涉图的处理包括：去基线、切趾、噪声滤波、光谱平均、波长定标，最后得到钾盐光谱。数据处理效果图如图4 所示。

图2 光谱提取过程

图3 距离为105 cm 时采集的二维干涉图

取二维干涉图的其中一行作傅里叶变换，即可得到测量光谱，如图4(a)所示。这样得出的光谱是没有进行预处理的，存在各种干扰的影响，无法精确分辨出钾盐光谱信号。图4(b)是经过差分去基线、切趾后的结果，可以看到光谱图的效果得到了明显改善，但是除钾盐光谱的两个特征峰之外，仍然存在其他干扰噪声的影响，需要继续进行处理，以保证能够准确分辨出其中的钾盐信号。将信号干涉图的干涉数据除去背景光信号的干涉数据，能消除背景噪声影响，然后将二维干涉图不同行所得光谱数据作平均处理，可进一步降低高频随机噪声的影响，得到的平均光谱如图4(c)所示。最后对得到的平均光谱进行波长定标，得到图4(d)。从图4(d)中可以看出，钾盐的两个特征峰（766.5 nm 和769.9 nm）被很好地还原出来，实现了钾盐超光谱检测，说明基于空间外差的物质超光谱识别是可行的。

图4 数据处理效果图

图5 距离与光强关系曲线图

表2 不同距离的光谱光强对比

对采集到的120 cm、135 cm、150 cm 以及200 cm距离的干涉图用相同的数据处理方法进行光谱提取。从表2 和图5 可以看出，不同距离的光谱光强不同，且766.5 nm 特征峰光强远高于769.9 nm 特征峰的光强。整体来看，随着距离的增加，两个峰的辐射光强逐渐减弱，但即使距离增加到200 cm，相对于噪声光强，钾盐两个特征峰的辐射光强依然很强，很容易分辨。由于酒精溶解的氯化钾非常少，即在实验模拟距离能够实现微量钾盐燃烧光谱检测，说明对火箭尾焰进行基于空间外差的超光谱探测的可行性。

5 延伸设计

为了激发学生的好奇心和实践热情，在他们掌握相关的原理、方法之后，基于此仪器，可对实验作进一步扩展。

本实验设计的超高光谱探测系统特别适合探测微弱光信号，可以搭建其他测量波段的同类系统，用于其他物质的探测尝试。近年来，拉曼光谱技术因其快速、无损等探测优势被广泛应用在各个领域[10-12]，但是拉曼信号非常微弱，提取相对困难。空间外差光谱仪像一个放大器，其探测的高通量及超光谱分辨率可以实现对微弱的拉曼信号的检测。使用一体化HEP-765-S 空间外差光谱系统作为拉曼特征光谱探测器，配合特定波长激光器搭建系统，可开展拉曼特征光谱直接测量实验。本实验所用空间外差光谱仪可测的光谱范围为759～769 nm，根据激发光源与拉曼位移的理论关系，搭配不同波长的激光器，可以实现对同一目标的不同波段拉曼光谱或不同目标的拉曼特征峰的探测。

此外，可将这套拉曼探测实验设计应用到不同领域，由于其采用激光照射、非接触、不用进行样品处理等，因而适用于分析和检测化学药品及一些不易接触的物质，如食品安全检测中的黄曲霉素、环境激素中的多环芳烃PAHS（菲、芘）等。这样的扩展实验设计，能激发学生的探索精神以及了解前沿技术并与之接轨的热情。

6 结语

本文所述基于超高分辨率光谱的空间外差光谱测量实验项目，通过对钾盐两个特征波段的探测来模拟对火箭的追踪识别。与普通光谱实验相比，由于接收仪器的超光谱分辨率及高通量特性，在探测微弱光信号方面具有很大优势，这在实验延伸设计（探测微弱拉曼信号）中能够得到体现。本实验设计结合前沿技术，操作简单，在国内高校具有很好的推广性。能使光学专业学生深刻理解超分辨率空间外差探测原理，快速掌握干涉图采集与数据处理方法，有利于激发他们的实验热情，培养他们的研究、探索与创新能力。