[发明专利]一种高通量、高信噪比和高灵敏的紫外光谱成像仪

说明书

本发明涉及一种紫外光谱成像仪，具体涉及一种高灵敏、高动态紫外光谱成像仪。本发明的目的是解决现有紫外光谱成像仪存在光通量较低、信噪比较差和灵敏度较低的技术问题，提供一种高通量、高信噪比和高灵敏的紫外光谱成像仪。该成像仪采用哈达玛模板完成空间光路选通、以及特定的色散系统和紫外敏感图像增强型探测器组件，利用组合信号测量方式，降低了紫外光谱成像仪本身固有误差对目标信号真值带来的影响，间接降低目标信号测量值和真值的偏差，提高了探测信号的信噪比，哈达玛模板的采用提高了光通量，使得紫外光谱成像仪整体满足了高灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种紫外光谱成像仪，具体涉及一种高灵敏、高动态紫外光谱成像仪。

背景技术

光谱成像技术始于20世纪80年代，它能得到目标的二维几何图像和光谱维信息并提供二者之间映射关系，在对目标的空间位置和光谱指纹信息有需求的领域，如环境资源探测、天文观测、空间天气研究及生物医药等多领域得到了广泛的应用和重视，具有普通望远镜和雷达等遥感技术无法替代的优势。

光谱成像仪器主要包括干涉型光谱成像仪和色散型光谱成像仪两大类。其中，干涉型光谱成像仪利用光学复用技术的优势，可以获得较传统色散型光谱成像仪更高的光通量和信噪比，目前已经成功应用于可见和红外谱段。但是该类系统结构和反演算法较为复杂，且对组件的结构稳定性要求较高，当观测谱段拓展到紫外甚至更短波长时，对光学元件、结构组件及系统装配精度的要求大幅提高，业内现有的加工装配水平已很难满足要求。而色散型光谱成像仪具有结构简单、稳定性高和光谱数据线性读取等优势，也成为了近二十年来国际上公认的更为理想的紫外光谱探测技术途径。目前搭载有光谱仪并且已经成功发射的一系列卫星，先后搭载的AIRS、GUVI、SSUI、HIRAAS、RAIDS和IMAGER等光谱仪，均为色散型光谱成像仪。但是，由于通常的色散型光谱仪不可避免地需要使用狭缝(slit)机制来对空间光进行约束，在降低光谱成像面光谱混叠(spectrum overlapping)的同时，造成了较大的光能损失，并且需要沿狭缝正交方向完成推扫才能获得目标的完整信息，时间分辨率较低。

紫外光谱探测涵盖了近紫外(波长范围一般定义为400nm-450nm)、中紫外(波长范围一般定义为200nm-400nm)、远紫外(波长范围一般定义为100nm-200nm)和极紫外(波长小于100nm)四个区间。其中因极紫外探测，主要面对磁层和等离子体层探测，系统多为极窄带和单谱段成像模式，且必须应用于天基平台环境，应用场景受限且实施难度极高，通常而言，中紫外(波长范围一般定义为200nm-400nm)区涵盖的重要信息较多，为重点研究的紫外谱段，有时紫外光谱研究还会延伸至近紫外。

目前国内外成功应用的紫外光谱仪基本可以分为两个大的类型。一种统称为紫外单色仪，由狭缝、大角度入射光栅和出射机械光阑构成，该系统基于罗兰圆原理，主要用于实验室紫外单色光的产生，不具备空间目标光谱成像能力。另一种统称为C-T(Czerny-Turner)结构光谱仪，主要由入射狭缝、准直器、平面光栅和汇聚成像器组成，具有多种变体结构，广泛应用于紫外单色仪和紫外光谱成像领域。

紫外光谱探测技术虽然已有相当长时间的历史，但受到探测器水平和光栅(棱镜)等分光元件效率和材料种类的制约，整体上技术发展落后于可见及红外光谱仪器。而在中紫外谱段，棱镜分光基本无法实现有效的色散和后续成像，光路复杂，光能损失严重，不具备实用价值；而光栅分光也面临以下几个无法回避的困境：

1)系统的单次成像总光通量低。色散型光谱成像仪必须在内视场光阑位置设置狭缝，用来保证光谱维和空间维不会产生混叠(或混叠可通过图像处理方法来区分或消除)，而狭缝在空间维方向一般较长，在光谱维则非常短(一般在百微米量级)，因此，系统的单次成像总光通量较低。

2)对弱目标成像时信噪比差。为了探测极为微弱的中紫外信号，一般需采用图像增强型探测器作为成像端，而该类器件由于采用了电子倍增技术，导致探测器自身噪声水平远高于传统固体探测器，故在对弱目标成像时信噪比较差。