Interferometer response characterization algorithm for multi-aperture Fabry-Perot imaging spectrometers

In recent years, the demand for hyperspectral imaging devices has grown significantly, driven by their ability of capturing high-resolution spectral information. Among the several possible optical designs for acquiring hyperspectral images, there is a growing interest in interferometric spectral imaging systems based on division of aperture. These systems have the advantage of capturing snapshot acquisitions while maintaining a compact design. However, they require a careful calibration to operate properly. In this work, we present the interferometer response characterization algorithm (IRCA), a robust three-step procedure designed to characterize the transmittance response of multi-aperture imaging spectrometers based on the interferometry of Fabry-Perot. Additionally, we propose a formulation of the image formation model for such devices suitable to estimate the parameters of interest by considering the model under various regimes of finesse. The proposed algorithm processes the image output obtained from a set of monochromatic light sources and refines the results using nonlinear regression after an ad-hoc initialization. Through experimental analysis conducted on four different prototypes from the Image SPectrometer On Chip (ImSPOC) family, we validate the performance of our approach for characterization. The associated source code for this paper is available at https://github.com/danaroth83/irca.Comment: 20 pages, 11 figures. (Revised structure, added experiments

Spectro-imagerie aéroportée par transformation de Fourier avec un interféromètre statique à décalage latéral : réalisation et mise en oeuvre

In spectral imaging, a scene is imaged in parallel in a large number of spectral bands. Since the current size of focal planes does not allow to acquire the full information simultaneously, most existing instruments involve scanning either in the spectral or in the spatial domain. Unfortunately, this leads to wasting most of the available light. In the midwave or longwave infrared (3µm - 5µm and 8µm - 12µm), the detector noise is too significant to suffer this waste of light. A high étendue imaging static Fourier-transform spectrometer, consisting of a two-dimensional imaging system and a two-waves interferometer, is a solution to this issue, and is furthermore well suited to airborne imagery. We studied such a system, focusing on its radiometric performances, its size, and the impact of optical aberrations. We then built up an instrument in the visible range, in order to demonstrate the optical concept, which was done during an airborne campaign.La spectro-imagerie consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales en parallèle. Comme la taille des détecteurs actuels ne permet pas l'acquisition simultanée de toute l'information, la plupart des dispositifs comportent un système de balayage, qu'il soit spectral ou spatial. Malheureusement, ce balayage conduit souvent à n'utiliser qu'une faible portion de la lumière disponible. Or, dans l'infrarouge moyen (3µm - 5µm) et lointain (8µm - 12µm), le bruit propre des détecteurs est trop élevé pour permettre un tel gaspillage du flux. Un spectro-imageur par transformée de Fourier statique à grande étendue, constitué de l'association d'un système d'imagerie bi-dimensionnelle et d'un interféromètre à deux ondes, est une réponse à ce problème, et se trouve de surcroît bien adapté à l'imagerie aéroportée. C'est un tel système que nous avons étudié, du point de vue des performances radiométriques, de l'encombrement, et des aberrations. Nous avons ensuite réalisé un instrument visible afin de valider expérimentalement le concept optique, ce qui a été fait lors d'une campagne de mesures aéroportées

Spectro-imagerie aéroportée par transformation de Fourier avec un interféromètre statique à décalage latéral (réalisation et mise en oeuvre)

La spectro-imagerie consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales en parallèle. Comme la taille des détecteurs actuels ne permet pas l'acquisition simultanée de toute l'information, la plupart des dispositifs comportent un système de balayage, qu'il soit spectral ou spatial. Malheureusement, ce balayage conduit souvent à n'utiliser qu'une faible portion de la lumière disponible. Or, dans l'infrarouge moyen (3 m-5 m) et lointain (8 m-12 m), le bruit propre des détecteurs est trop élevé pour permettre un tel gaspillage du flux. Un spectro-imageur par transformée de Fourier statique à grande étendue, constitué de l'association d'un système d'imagerie bi-dimensionnelle et d'un interféromètre à deux ondes, est une réponse à ce problème, et se trouve de surcroît bien adapté à l'imagerie aéroportée. C'est un tel système que nous avons étudié, du point de vue des performances radiométriques, de l'encombrement, et des aberrations. Nous avons ensuite réalisé un instrument visible afin de valider expérimentalement le concept optique, ce qui a été fait lors d'une campagne de mesures aéroportées.In spectral imaging, a scene is imaged in parallel in a large number of spectral bands. Since the current size of focal planes does not allow to acquire the full information simultaneously, most existing instruments involve scanning either in the spectral or in the spatial domain. Unfortunately, this leads to wasting most of the available light. But in the midwave or longwave infrared (3 m-5 m and 8 m-12 m), the detector noise is too significant to suffer this waste of light. A high étendue imaging static Fourier-transform spectrometer, consisting of a two-dimensional imaging system and a two-waves interferometer, is a solution to this issue, and is furthermore well suited to airborne imagery. We studied such a system, focusing on its radiometric performances, its size, and the impact of optical aberrations. We then built up an instrument in the visible range, in order to demonstrate the optical concept, which was done during an airborne campaign.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Joint retrieval of geophysical and instrumental parameters frompartially sampled interferograms

International audienc

Estimation du relief à partir d'images issues d'un spectromètre à transformée de Fourier pour la correction des interférogrammes

International audienceA method to extract digital elevation models of the ground from the images of an airborne Fourier transform spectrometer is presented. Such information allows to construct accurate interferograms in non-flat areas, where they are otherwise flawed.On présente ici une méthode d'extraction de modèle numérique de surface(MNS) à partir d'images acquises par un spectromètre à transformée de Fourier aéroporté. Le MNS a ensuite pour intérêt de permettre une reconstruction correcte des interférogrammes de l'instrument sur des régions non- planes

Reconstruction du relief par images des plans épipolaires à partir d'acquisitions aériennes denses

International audienceDans le domaine des imageurs infrarouges hyperspectraux aéroportés, l'ONERA a développé Sieleters, un spectromètre imageur à transformée de Fourier basé sur un interféromètre statique. En raison du mode d’acquisition de ce type d’instrument, les variations d'élévation d'une scène, si elles ne sont pas connues, entraînent des difficultés de reconstruction des spectres. L'objectif du travail présenté ici est d'estimer le relief de la scène à partir des images acquises par Sieleters elles-mêmes. L'originalité de la méthode proposée vient de la nature des images, qui contiennent des franges d'interférences, ainsi que de leur nombre, puisque l'instrument acquiert des images à très fort recouvrement, décalées chacune d'un pixel, soit 50 cm

Design rules for birefringent lateral shearing interferometers

International audienceBirefringent lateral shearing interferometers may be key elements for compact high étendue imaging static FTS. We developed a tool to simulate propagation in a stack of birefringent plates, we used to establish design rules for such interferometers

NanoCarb part 2: Performance assessment for total column CO2 monitoring from a nano-satellite

International audienceNanoCarb is an innovative Fourier Transform imaging spectrometer dedicated to the measurement of CO2 and CH4. Both its unusual optical principle and sampling strategy allows to reach a compact design, ideal for small satellite constellation as investigated by the European project SCARBO. The NanoCarb performance assessment as well as a proof of concept are required in this framework. A strategy of design is developed to optimize the performances and reach the sensitivity target of the space mission, demonstrating the potential of the concept without drastic complexity gain. A preliminary bias mitigation in the retrieval strategy is presented concerning water for CO2 measurement, illustrating the efficiency and the flexibility of the NanoCarb partial interferogram sampling technic. The presented design reaches a random error sub-ppm for CO2 and sub-10ppb for CH4, considering a 128 to 192 km swath, respectively, for 2 or 3 km of resolution at ground. A full mitigation of the water bias is performed on CO2 band thanks to partial interferograms