FTS干涉信號(hào)延時(shí)補(bǔ)償算法的仿真分析

翟茂林 李濤 張玉貴

?

FTS干涉信號(hào)延時(shí)補(bǔ)償算法的仿真分析

翟茂林1,2李濤1張玉貴1

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094） （2 北京市航空智能遙感裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

基于干涉分光原理的傅里葉變換光譜儀通過(guò)將激光信號(hào)作為采樣參考信號(hào)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行等光程差采樣，然而動(dòng)鏡掃描不穩(wěn)以及后續(xù)焦平面電路的差異會(huì)造成干涉信號(hào)與激光參考信號(hào)之間存在相對(duì)延時(shí)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的非同步性。隨著多元探測(cè)器技術(shù)的快速發(fā)展，探測(cè)器信號(hào)路數(shù)急速擴(kuò)展，目前廣泛采用添加延時(shí)線的延時(shí)補(bǔ)償方法需要大量硬件配置將不再適用。文章針對(duì)該問(wèn)題提出一種延時(shí)補(bǔ)償?shù)能浖?shí)現(xiàn)方法，利用通過(guò)建模仿真得到的干涉數(shù)據(jù)完善了激光信號(hào)過(guò)零點(diǎn)獲取、干涉數(shù)據(jù)重構(gòu)等算法，并通過(guò)MATLAB進(jìn)行了補(bǔ)償原理的仿真分析。結(jié)果表明：通過(guò)該算法對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行延時(shí)匹配重采樣，可以將相對(duì)延時(shí)補(bǔ)償?shù)?μs以內(nèi)，光譜復(fù)原度高于99%，可較好抑制動(dòng)鏡掃描不穩(wěn)帶來(lái)的光程差采樣誤差。用于高光譜遙感的后期數(shù)據(jù)處理，可有效提高光譜復(fù)原精度。

傅里葉變換光譜儀 延時(shí)補(bǔ)償 干涉圖重構(gòu) 高光譜遙感

0 引言

傅里葉變換光譜（Fourier Transform Spectra，F(xiàn)TS）技術(shù)與傳統(tǒng)光柵或?yàn)V光片分光的光譜儀的區(qū)別是利用了干涉信號(hào)和光譜信號(hào)之間傅里葉變換與反變換的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1-3]，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)的干涉信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換來(lái)測(cè)定和研究目標(biāo)光譜特征。FTS技術(shù)以其光通量大、光譜通道數(shù)多[4]、光譜分辨率高[5]等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為光學(xué)研究特別是環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

圖1 二路信號(hào)相對(duì)延時(shí)對(duì)光譜信噪比的影響

在基于FTS技術(shù)的光譜探測(cè)領(lǐng)域中，要求干涉信號(hào)與激光參考信號(hào)（簡(jiǎn)稱激光信號(hào)，僅1路）之間具有很好的同步性，以此來(lái)大大降低動(dòng)鏡掃描速度不穩(wěn)引入的光程差采樣誤差[6-8]，從而提高儀器的信噪比?！帮L(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀和“高分五號(hào)”衛(wèi)星大氣環(huán)境甚高光譜分辨率探測(cè)儀在地面測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)結(jié)果均表明，當(dāng)動(dòng)鏡掃描速度穩(wěn)定性不夠且干涉信號(hào)與激光信號(hào)相對(duì)延時(shí)差別較大時(shí)，系統(tǒng)的光譜信噪比也將明顯下降[9]，復(fù)原光譜出現(xiàn)明顯失真問(wèn)題，如圖1所示。

目前，常用傅里葉變換光譜儀的探測(cè)器通常是單元型的，因此只生成幾路干涉信號(hào)。例如：“高分五號(hào)”衛(wèi)星大氣環(huán)境甚高光譜分辨率探測(cè)儀輸出二路干涉信號(hào)；“風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀輸出的干涉信號(hào)為四路[10]。鑒于單元型探測(cè)器生成的信號(hào)路數(shù)有限，一般通過(guò)在激光信號(hào)或干涉信號(hào)的硬件鏈路上添加延時(shí)線，將二者之間的相對(duì)延時(shí)補(bǔ)償?shù)?μs以內(nèi)，使之幾乎同時(shí)到達(dá)AD轉(zhuǎn)換器，消除采樣誤差。由于信號(hào)路數(shù)少，硬件延時(shí)匹配方法的調(diào)試工作量可以接受。

單元型探測(cè)光譜儀的探測(cè)模式是打點(diǎn)法，每個(gè)掃描周期只能實(shí)現(xiàn)地面一個(gè)點(diǎn)的光譜探測(cè)，采用多個(gè)單元型探測(cè)器通常是為了實(shí)現(xiàn)更寬的譜段覆蓋而非探測(cè)范圍。另外，為了實(shí)現(xiàn)更高的光譜分辨率，通常每個(gè)掃描周期需要幾秒到十幾秒[11-12]，因此采用單元型探測(cè)器的光譜儀的探測(cè)效率很低。為提高星載光譜儀的探測(cè)效率，基于FTS技術(shù)的光譜儀的探測(cè)器逐漸向多元、線元、小面元探測(cè)器的方向發(fā)展。隨著多元探測(cè)器技術(shù)的快速發(fā)展，探測(cè)器輸出的信號(hào)路數(shù)急速擴(kuò)展[13-15]，添加延時(shí)線的方法需要大量硬件配置將不再適用。

為解決多元探測(cè)器的信號(hào)同步探測(cè)問(wèn)題，本文從基于FTS技術(shù)的光譜儀的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，提出干涉信號(hào)延時(shí)匹配的軟件實(shí)現(xiàn)算法，通過(guò)該算法來(lái)補(bǔ)償干涉信號(hào)與激光信號(hào)之間的相對(duì)延時(shí)，解決二路信號(hào)的同步探測(cè)問(wèn)題，抑制動(dòng)鏡掃描速度不穩(wěn)帶來(lái)的光程差采樣誤差，提高系統(tǒng)光譜復(fù)原精度。

1 延時(shí)補(bǔ)償

利用軟件方法實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)與激光信號(hào)之間的延時(shí)補(bǔ)償，即針對(duì)存在相對(duì)延時(shí)的兩原始信號(hào)，尋找信號(hào)的特征位置作為標(biāo)定位置，得到相對(duì)延時(shí)時(shí)間，進(jìn)而在干涉信號(hào)的原采樣位置補(bǔ)償該相對(duì)延時(shí)，在新的經(jīng)過(guò)延時(shí)補(bǔ)償后的采樣位置對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行重新采樣，最后對(duì)重采樣的干涉數(shù)據(jù)反演得到新的光譜圖，與原干涉信號(hào)反演得到的光譜圖進(jìn)行比較分析。

首先根據(jù)信號(hào)之間相對(duì)延時(shí)的產(chǎn)生原因，為干涉信號(hào)的延時(shí)匹配算法制定總體實(shí)現(xiàn)方案，將實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分步處理，概括為幾個(gè)步驟，如圖2所示。

圖2 延時(shí)補(bǔ)償算法流程

1.1 數(shù)據(jù)的建模與仿真

根據(jù)傅里葉變換光譜儀的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，建立干涉信號(hào)與激光信號(hào)模型，并進(jìn)行加噪處理與仿真，為算法研究及其效果比對(duì)提供輸入數(shù)據(jù)。傅里葉變換光譜儀以邁克爾遜干涉儀為原型[16-18]，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3所示。

圖3 傅里葉變換光譜儀工作原理

如圖3所示，前端干涉儀系統(tǒng)通過(guò)分束器將入射光等分為兩束，同源的兩束相干光分別經(jīng)定鏡與動(dòng)鏡反射后在探測(cè)器端形成干涉。隨著動(dòng)鏡的掃描運(yùn)動(dòng)改變光程差，最終在探測(cè)器上形成干涉信號(hào)。實(shí)際光譜儀中通過(guò)設(shè)置一臺(tái)與大氣干涉儀共光路的激光干涉儀系統(tǒng)，以激光干涉信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)位置作為等光程差采樣模擬干涉信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)，完成干涉信號(hào)的采集。

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，光譜儀中光程差op的函數(shù)表達(dá)式為

式中為介質(zhì)折射率；為動(dòng)鏡的掃描速度；為時(shí)間；為入射光波長(zhǎng)。

對(duì)于理想單色光，其干涉光光強(qiáng)為單頻正弦波信號(hào)

式中1，2為光波振幅；為介電常數(shù)；為磁導(dǎo)率。

對(duì)于復(fù)色光，其光強(qiáng)oσ是入射光波數(shù)的函數(shù)，則波數(shù)為的光波干涉之后在探測(cè)器上的光強(qiáng)I為

式中為分束器反透比。

復(fù)色光的入射光線具有一定譜段范圍，因此探測(cè)器接收到的光強(qiáng)（Σ()）是各個(gè)波長(zhǎng)的光的干涉信號(hào)I的積分

式中max，min為光譜范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的最大波數(shù)和最小波數(shù)。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，這里設(shè)定入射光光強(qiáng)oσ的幅度為恒定值，即一段矩形譜密度光譜，同時(shí)設(shè)定動(dòng)鏡掃描速度波動(dòng)模型為

式中jitter為動(dòng)鏡掃描時(shí)波動(dòng)的速度；0為理想恒定掃描速度；為速度波動(dòng)幅值；f為速度波動(dòng)的變化頻率。

該速度波動(dòng)下的光程差op表達(dá)式為

則動(dòng)鏡掃描速度波動(dòng)下的復(fù)色光干涉信號(hào)表達(dá)式為

根據(jù)上述對(duì)干涉信號(hào)的推導(dǎo)和分析，用MATLAB進(jìn)行仿真得到干涉數(shù)據(jù)，仿真條件如表1所示，信號(hào)仿真波形如圖4所示，干涉信號(hào)為類sinc信號(hào)，激光信號(hào)為正弦波。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

Tab.1 Parameter setting of simulation

圖4 同步的干涉信號(hào)與激光信號(hào)仿真波形

本文用上述仿真數(shù)據(jù)模擬實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中利用同步時(shí)鐘高頻采樣得到的原始干涉信號(hào)與激光信號(hào)，作為后續(xù)算法實(shí)現(xiàn)與結(jié)果驗(yàn)證的數(shù)據(jù)源。

圖5 干涉信號(hào)與激光信號(hào)的波形特征

1.2 延時(shí)標(biāo)定算法

干涉信號(hào)與激光信號(hào)的相對(duì)延時(shí)是進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償?shù)闹匾罁?jù)，其準(zhǔn)確性決定了延時(shí)匹配的精度。標(biāo)定依據(jù)是根據(jù)干涉信號(hào)和激光信號(hào)的波形特點(diǎn)，尋找其特征位置，進(jìn)而標(biāo)定出二者的相對(duì)延時(shí)。如圖5所示，干涉信號(hào)的特征非常明顯，其中間幅度大、兩翼幅度小，是典型的類sinc函數(shù)；同樣，受干涉儀結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)的影響，激光信號(hào)會(huì)出現(xiàn)“紡錘”形包絡(luò)，波形呈現(xiàn)出“紡錘”效應(yīng)。

為精確標(biāo)定二路信號(hào)之間的相對(duì)延時(shí)，提出兩種延時(shí)標(biāo)定方法：

1）將二路信號(hào)的最大值點(diǎn)作為特征位置來(lái)標(biāo)定延時(shí)；

2）利用“波形重心法”進(jìn)行延時(shí)標(biāo)定。

對(duì)于干涉信號(hào)來(lái)說(shuō)，“波形重心法”計(jì)算公式為

式中int為干涉信號(hào)重心位置；為高頻采樣數(shù)據(jù)標(biāo)號(hào)，1~；t為高頻采樣時(shí)間點(diǎn)；int,i為干涉信號(hào)幅值。

同理，激光信號(hào)的重心位置為

式中l(wèi)aser為激光信號(hào)的重心位置；laser,i為激光信號(hào)幅值。

那么，其相對(duì)延時(shí)為

1.3 激光過(guò)零點(diǎn)獲取算法

由于動(dòng)鏡的掃描速度不穩(wěn)定，激光信號(hào)的各個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間在時(shí)間軸上未必是等間隔的，但從光程差的角度卻是等間隔的，即激光信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)是對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行等光程差采樣的理想位置。激光的干涉信號(hào)為正弦波，為準(zhǔn)確獲取其過(guò)零點(diǎn)，本文采用了分段正弦波插值[19-21]對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行擬合，進(jìn)而解算出激光信號(hào)各個(gè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，即干涉信號(hào)的等光程差采樣時(shí)間點(diǎn)zcp,j。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 激光信號(hào)過(guò)零點(diǎn)獲取

1.4 干涉信號(hào)采樣位置延時(shí)補(bǔ)償

傅里葉變換光譜儀以激光信號(hào)過(guò)零點(diǎn)作為觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行等光程差采樣的目的，由于實(shí)際干涉信號(hào)與激光信號(hào)之間存在相對(duì)延時(shí)，使得在激光信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻不能立即對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行采樣。為保持二者的同步，利用前一步標(biāo)定的相對(duì)延時(shí)Δ，對(duì)原等光程差采樣時(shí)間點(diǎn)zcp,j進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，得到干涉信號(hào)的零延時(shí)等光程差采樣時(shí)間點(diǎn)

完整的延時(shí)補(bǔ)償原理示意如圖7所示。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，Δ可以認(rèn)為是一個(gè)時(shí)間當(dāng)量。

圖7 完整延時(shí)匹配流程示意

1.5 干涉數(shù)據(jù)重構(gòu)與光譜復(fù)原驗(yàn)證

由于光譜儀系統(tǒng)最終需要保證光譜維的保真度，因此通過(guò)將重構(gòu)的干涉信號(hào)復(fù)原到光譜來(lái)驗(yàn)證延時(shí)匹配算法的效果和精度。首先將存在相對(duì)延時(shí)的原干涉信號(hào)（簡(jiǎn)稱原干涉信號(hào)）進(jìn)行FFT變換，得到原始的存在相對(duì)延時(shí)的光譜圖，而后將經(jīng)過(guò)延時(shí)匹配算法處理的干涉信號(hào)（簡(jiǎn)稱匹配干涉信號(hào)）做同樣處理，最后將兩光譜圖分別與理想光譜進(jìn)行比對(duì)和分析。本文利用復(fù)原后的光譜與理想光譜之間的誤差率（兩光譜各對(duì)應(yīng)點(diǎn)幅值誤差的加和與理想光譜幅值加和的比值）來(lái)評(píng)價(jià)延時(shí)匹配算法效果。

原干涉信號(hào)生成的帶有相對(duì)延時(shí)的光譜圖相對(duì)理想光譜的誤差率為

式中del為原始光譜相對(duì)理想光譜的誤差率；為光譜數(shù)據(jù)標(biāo)號(hào)，1~；ideal,k為理想光譜圖的光譜數(shù)據(jù)幅值；del,k為原始附帶延時(shí)光譜圖的光譜數(shù)據(jù)幅值。

同理，經(jīng)過(guò)延時(shí)匹配后的光譜圖相對(duì)理想光譜的誤差率為

式中cpt為延時(shí)匹配后的光譜相對(duì)理想光譜的誤差率；cpt,k為延時(shí)匹配后的光譜圖的光譜數(shù)據(jù)幅值。

2 延時(shí)補(bǔ)償仿真分析

根據(jù)前面對(duì)干涉信號(hào)模型的推導(dǎo)與仿真，以及延時(shí)匹配各個(gè)環(huán)節(jié)的分析，依照表1參數(shù)設(shè)定，利用MATLAB工具進(jìn)行仿真。由式（7）可看出干涉信號(hào)中包含相當(dāng)比重的直流分量，且該部分不會(huì)對(duì)傅里葉變換后得到的光譜圖形狀產(chǎn)生影響，因此這里進(jìn)行了濾波處理。干涉信號(hào)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 干涉信號(hào)延時(shí)匹配算法仿真

圖8（a）仿真結(jié)果顯示，采用“波形重心法”進(jìn)行延時(shí)標(biāo)定，干涉信號(hào)與激光信號(hào)之間依然存在一定延時(shí)?。經(jīng)過(guò)仿真和分析得出，“波形重心法”延時(shí)匹配效果不理想是由于動(dòng)鏡掃描速度不穩(wěn)定，干涉信號(hào)并非嚴(yán)格關(guān)于零光程差位置對(duì)稱的類sinc信號(hào)。這種不嚴(yán)格對(duì)稱使得波形重心相對(duì)其理想位置出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致利用“波形重心法”進(jìn)行延時(shí)定標(biāo)得到的結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖8（b）是利用波形最大值點(diǎn)作為特征位置，進(jìn)行延時(shí)標(biāo)定后的干涉圖。仿真數(shù)據(jù)顯示相對(duì)延遲時(shí)間Δ從1ms校正到了0.016μs，遠(yuǎn)低于1μs的基本要求，明顯好于第一種方法。該延時(shí)補(bǔ)償精度滿足對(duì)光譜復(fù)原精度的要求，可以達(dá)到替代硬件延時(shí)匹配的目標(biāo)要求。另外可以通過(guò)采集更多的干涉信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)繼續(xù)提高延時(shí)補(bǔ)償?shù)木?，但考慮到算法運(yùn)行帶來(lái)的時(shí)間成本，更高的匹配精度沒(méi)有太大的必要性。

對(duì)上述干涉信號(hào)進(jìn)行光譜復(fù)原，通過(guò)與理想光譜進(jìn)行比對(duì)來(lái)驗(yàn)證延時(shí)匹配算法的效果和精度，光譜圖仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 干涉信號(hào)光譜復(fù)原仿真

從圖9可看出，存在相對(duì)延時(shí)的光譜相比理想光譜出現(xiàn)了明顯的光譜失真問(wèn)題，尤其在光譜邊緣位置出現(xiàn)嚴(yán)重的頻譜泄露。而經(jīng)過(guò)延時(shí)補(bǔ)償算法處理過(guò)的光譜可以明顯改善光譜復(fù)原精度。具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果

Tab.2 Simulation results

根據(jù)表2仿真數(shù)據(jù)，相對(duì)延時(shí)從1ms補(bǔ)償?shù)搅?μs以內(nèi)，補(bǔ)償效果可以達(dá)到硬件延時(shí)匹配的水平；經(jīng)過(guò)延時(shí)補(bǔ)償后光譜的誤差率從原光譜圖的6%降低到1%以下，延時(shí)匹配后的光譜復(fù)原精度高于99%，光譜保真度明顯提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于多元探測(cè)器快速發(fā)展的背景下多信號(hào)鏈路無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步采樣的問(wèn)題，提出一種基于軟件實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)延時(shí)補(bǔ)償?shù)乃惴?，通過(guò)推導(dǎo)基于傅里葉變換光譜技術(shù)的干涉信號(hào)，建立了動(dòng)鏡掃描不穩(wěn)情況下干涉信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，制定了延時(shí)匹配總體實(shí)現(xiàn)方案并完成各步的算法設(shè)計(jì)，最終仿真結(jié)果表明，該算法對(duì)干涉信號(hào)非同步采樣導(dǎo)致的光譜復(fù)原精度下降問(wèn)題具有較好的修正效果，這為后續(xù)采用FPGA+DSP的硬件架構(gòu)進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)提供了理論支撐。

[1] THURMAN S T, FIENUP J R. Fizeau Fourier Transform Imaging Spectroscopy: Missing Data Reconstruction[J]. Optics Express, 2008, 16(9): 6631-6645.

[2] SELLAR R G, RAFERT J B. Fourier Transform Imaging Spectrometer with a Single Toroidal Optic[J]. Applied Optics, 1995, 34(16): 29-31.

[3] KAWATA S, MINAMI K, MINAMI S. Super Resolution of Fourier Transform Spectroscopy Data by the Maximum Entropy Method[J]. Applied Optics, 1983, 22(22): 3593-3598.

[4] 夏翔, 華建文, 段娟, 等. 傅里葉變換光譜儀動(dòng)鏡速度波動(dòng)分析研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2014, 14(20): 72-76. XIA Xiang, HUA Jianwen, DUAN Juan, et al. Analysis of Speed Fluctuation of Moving Mirror in Fourier Transform Spectrometer[J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(20): 72-76. (in Chinese)

[5] TENG Y C, ROYCE B S. Quantitative Fourier Transform IR Photoacoustic Spectroscopy of Condensed Phases[J]. Applied Optics, 1982, 21(1):77-80.

[6] 相里斌. 傅里葉變換光譜儀中的主要技術(shù)環(huán)節(jié)[J]. 光子學(xué)報(bào), 1997(6): 550-554.XIANG Libin. The Key Design Issues in Fourier Transform Spectrometers[J]. Acta Photonica Sinica, 1997(6): 550-554. (in Chinese)

[7] 龔忠清, 孫曉兵, 張蕎, 等. 傅里葉變換紅外光譜儀偏振標(biāo)定[J]. 量子電子學(xué)報(bào), 2011, 28(2): 142-146. GONG Zhongqing, SUN Xiaobing, ZHANG Qiao, et al. Calibration of Polarimetric Fourier Transform Infrared Spectrometer[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2011, 28(2): 142-146. (in Chinese)

[8] WEN W, ZHANG H Y, XIE F L. Design and Implementation of Data Acquisition Network Based on RFID[J]. Electronic Design Engineering, 2009(10): 157-162.

[9] LUC P, GERSTENKORN S. Fourier Transform Spectroscopy in the Visible and Ultraviolet Range[J]. Applied Optics, 1978, 17(9): 1327-1331.

[10] 張淳民, 穆廷魁, 顏廷昱, 等. 高光譜遙感技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 航天返回與遙感, 2018, 39 (3): 108-118. ZHANG Chunmin, MU Tingkui, YAN Tingyu, et al. Overview of Hyperspectral Remote Sensing Technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2018, 39 (3): 108-118. (in Chinese)

[11] 董欣, 徐彭梅, 侯立周. 大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 航天返回與遙感, 2018, 39(3): 38-47. DONG Xin, XU Pengmei, HOU Lizhou. Design and Implementation of Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2018, 39(3): 38-47. (in Chinese)

[12] 熊偉. 星載超光譜大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀載荷[J]. 航天返回與遙感, 2018, 39(3): 56-66. XIONG Wei. Hyperspectral Greenhouse Gases Monitor Instrument (GMI) for Spaceborne Payload[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2018, 39(3): 56-66. (in Chinese)

[13] TENG Y C, ROYCE B S. Quantitative Fourier Transform IR Photoacoustic Spectroscopy of Condensed Phases[J]. Applied Optics, 1982, 21(1): 77-80.

[14] 范松燦. 傅立葉變換紅外光譜儀的原理與特點(diǎn)[J]. 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力, 2007(11): 40-41.FAN Songcan. The Principle and Characteristic of the FTIR Spectrometer[J]. Technology Innovation and Productivity, 2007(11): 40-41.(in Chinese)

[15] 吳瑾光. 近代傅里葉變換紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 1994. WU Jinguang. Modern Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Its Application[M]. Beijing: Science and Technology Academic Press, 1994. (in Chinese)

[16] 翁詩(shī)甫. 傅里葉變換紅外光譜儀[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005. WENG Shifu. Fourier Transform Infrared Spectrometer[M]. Beijing: ChemicalIndustryPress. 2005. (in Chinese)

[17] 王建波, 姜旭峰. 淺談傅立葉變換紅外光譜儀的原理及使用[J]. 科技風(fēng), 2011(18): 124.WANG Jianbo, JIANG Xufeng. Principle and Application of Fourier Transform Infrared Spectrometer[J]. Technology Trend, 2011(18): 124. (in Chinese)

[18] 呂群波, 姚濤, 相里斌, 等. 干涉數(shù)據(jù)光譜反演方法研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2010, 30(1): 114-117.LYU Qunbo, YAO Tao, XIANG Libin, et al. Spectrum Recovery Method for Interferometric Data[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2010, 30(1): 114-117. (in Chinese)

[19] 江舸, 陶榮輝, 李釩, 等. 基于FPGA實(shí)現(xiàn)的FFT插值正弦波頻率估計(jì)[J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào), 2009, 7(6): 569-572.JIANG Ge, TAO Ronghui, LI Fan, et al. FFT Interpolation Sinusoidal Frequency Estimation Based on FPGA[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2009, 7(6): 569-572. (in Chinese)

[20] 李耀彬, 曾祥斌, 沈鋮武. 基于拋物線插值的正弦波擬合算法[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2009, 30(11): 2793-2795.LI Yaobin, ZENG Xiangbin, SHEN Chengwu. Based on the Parabola Interpolation of Sine Fitting Method[J]. Computer Engineering and Design, 2009, 30 (11): 2793-2795. (in Chinese)

[21] 張松. 基于FFT的正弦信號(hào)頻率估算新方法[J]. 大理大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 8(8): 36-39.ZHANG Song. A New FFT Based on Algorithm for Sinusoid Frequency Estimation[J]. Journal of Dali University, 2009, 8(8): 36-39. (in Chinese)

[22] 朱超, 魯昌華, 劉文清, 等. FTIR干涉圖相位校正技術(shù)的研究[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2013, 27(7): 663-668. ZHU Chao, LU Changhua, LIU Wenqing, et al. Study on Phase Correction Technique of FTIR Interferogram[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2013, 27(7): 663-668. (in Chinese)

[23] 李蘇寧, 朱日宏, 李建欣, 等. 傅里葉干涉成像光譜技術(shù)中的重構(gòu)方法[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2009, 30(2): 354-360. LI Suning, ZHU Rihong, LI Jianxin, et al. Reconstruction Method in Fourier Interference Imaging Spectroscopy[J]. Applied Optics, 2009, 30(2): 354-360. (in Chinese)

[24] 李蘇寧, 朱日宏, 高志山, 等. 共軛傅里葉變換校正成像光譜重構(gòu)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(4): 152-158. LI Suning, ZHU Rihong, GAO Zhishan, et al. Spectral Reconstruction of Corrected Imaging Using Conjugate Fourier Transform[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(4): 152-158. (in Chinese)

[25] 李妍, 李勝, 高閩光,等. 兩種紅外干涉圖采集及光譜復(fù)原方法的對(duì)比研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(9): 358-364.LI Yan, LI Sheng, GAO Minguang, et al. A Comparative Study of Two Infrared Interferogram Acquisition and Spectral Restoration Methods[J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(9): 358-364. (in Chinese)

Time-delay Compensation Simulation and Analysis of Interference Signal Based on FTS Technology

ZHAI Maolin1,2LI Tao1ZHANG Yugui1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Beijing Engineering Technology Research Center of Aerial Intelligent Remote Sensing Equipments, Beijing 100094, China）

As to Fourier Transform Spectrometer based on the Michelson Interferometer, a laser interference signal is provided as the reference signal to sample the interference signals with identical optical path difference. Both the dynamic instability of the scanning mirror and the difference of focal plane circuits will result in the relative time delay between the laser interference signal and the interference signal, causing non-synchronicity between the two signals. Currently, with the sharply increasing of the number of pixels on the focal plane, the signal links are such a large number that adding delay line is no longer applicable as a result of too much workload for hardware configuration. In this paper, a kind of software method for compensating the relative time delay is proposed to substitute the hardware method of adding delay line, and the principle of compensation is simulated and analyzed with MATLAB. The result shows that the relative time delay can be compensated to 1μs and the spectral recovery accuracy is higher than 99% by matching the time delay and resampling the interference signal. The sampling error of optical path difference caused by the unstable scanning speed of the moving mirror can be effectively suppressed. This method can be used in data processing of hyperspectral remote sensing and effectively improves the precision of spectral restoration.

Fourier Transform Spectrometer; time-delay compensation; interferogram reconstruction; hyperspectral remote sensing

TP732.2

A

1009-8518(2019)03-0047-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.03.007

翟茂林，男，1992年生，2016年獲山東大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在中國(guó)空間技術(shù)研究院光學(xué)工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位。研究方向?yàn)楣怆娦畔⑻幚砑夹g(shù)。Email：85136538@qq.com。

2019-01-25

地球觀測(cè)與導(dǎo)航專項(xiàng)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：大氣輻射超光譜探測(cè)技術(shù)（2016YFB0500700）

（編輯：王麗霞）