光谱特性是物质的基本属性。因此，光谱检测是研究原子能级、材料结构和化学成分以及元素组成的重要技术[1]。光谱仪具有快速分析、高精度和非破坏性测试等优点[2]，[3]，已在许多领域得到广泛应用，包括化学[4]、[5]、[6]、环境[7]、[8]、[9]、材料[10]、[11]、[12]和生命科学[13]、[14]、[15]。光谱仪可分为滤光片型光谱仪、衍射光栅光谱仪和傅里叶变换（FT）光谱仪。与前两种光谱仪相比，FT光谱仪具有多个通道、较大的辐射通量和较低杂散光等优点[16]、[17]。快速傅里叶变换算法的出现，加上计算能力的迅速提升，进一步推动了FT光谱仪的发展，使其成为当前光谱仪研究的主要焦点[18]、[19]。
FT光谱仪大致分为时间调制型和空间调制型[20]、[21]、[22]。近年来，由于空间调制光谱仪没有运动部件、稳定性好和具有即时成像能力等出色特性[23]、[24]，它们在机载/星载遥感和动态场景监测等领域得到了广泛应用。然而，空间调制技术的性能受到探测器像素数量的限制，导致空间分辨率和光谱分辨率之间存在根本性的权衡[25]、[26]。这一限制限制了其在需要极高光谱分辨率或高信噪比的应用中的使用。相比之下，时间调制光谱仪通过时间序列扫描获取干涉图。其光谱分辨率仅由移动镜子的最大光程差决定，理论上可以实现极高的光谱分辨率[27]。同时，通过对静态目标进行长时间扫描积分，它们可以获得极高的信噪比，这对于检测微弱的光谱信号至关重要。这些特性确保了时间调制干涉仪在需要最终光谱性能的领域（如实验室精密分析、地面天文观测和大气成分的高精度垂直检测[28]、[29]）中占据不可替代的地位。然而，传统时间调制干涉仪的发展面临几个关键挑战，包括镜子倾斜问题。
图1展示了基于迈克尔逊干涉仪的时间调制光谱仪的干涉原理[30]。该干涉仪包含一个移动镜子和一个静止镜子。入射光被分束器分成两束：一束反射到静止镜子，另一束透射到移动镜子。反射后，这两束光在分束器处重新结合并指向探测器。这些光束的相干叠加在探测器平面上形成干涉图，然后通过傅里叶变换提取光谱信息。
精确定位移动镜子对于实现高质量测量、确定可实现的光谱分辨率和信噪比至关重要。然而，在移动过程中镜子的倾斜或微小晃动在某种程度上是不可避免的，会导致光束传播路径偏离理想状态，最终引入显著的测量误差。
移动镜子倾斜引起的主要误差机制表现在几个方面。镜子倾斜改变了入射光的反射角和波前特性，破坏了两个干涉光束之间的原始几何关系和相干条件[31]、[32]。这种退化直接导致干涉图质量的下降，原本清晰规则的干涉条纹变得弯曲、扭曲、模糊，甚至部分消失[33]、[34]、[35]。在包含复杂光路或补偿器的系统中，倾斜引起的杂散光会干扰主光束，产生有害的“串扰条纹”，叠加在目标条纹图案上，进一步干扰有效信号的提取[36]。
在像星载引力波检测这样的前沿领域，精度要求达到物理极限时，光学元件的微小角度抖动和由此产生的光束路径不对准会导致致命的“倾斜到长度（TTL）”噪声。这种效应将微小的角度变化转化为等效的光程差，模仿干涉信号中的虚假臂长变化信号。TTL噪声已成为深空干涉仪性能的主要限制因素，因为所需的束指向精度和角度稳定性往往超出了当前的技术限制。
为了解决这些镜子倾斜的关键问题，研究人员提出了几种缓解策略。一种主要方法是优化光路布局，以提高系统对倾斜变化的固有稳健性。例如：Carli等人[37]提出了一种倾斜补偿光学配置，产生的OPD与干涉光束的波前对齐无关。Mandal等人[38]使用直角棱镜使干涉仪在倾斜时经历相同的倾斜，避免了移动镜子倾斜和速度不稳定的问题。Beer等人[39]采用了猫眼式移动镜子来优化光的反射路径，克服了平面移动镜子倾斜引起的问题。Yang等人[40]提出了一种双移动镜子的干涉仪，OPD由双移动镜子的线性往复运动产生。他们发现，这种干涉仪的OPD是单移动镜子的四倍。由于移动镜子的物理位移较短，因此干涉仪结构更紧凑，对移动镜子的倾斜不那么敏感。Mu等人[41]通过在干涉仪中添加楔形棱镜并将干涉仪的移动部分改为楔形棱镜来改进迈克尔逊干涉仪。干涉仪所需的OPD减少了原来的两倍，使移动部分对运动速度的不均匀变化和环境振动不那么敏感。Yang等人[42]提出了一种用于傅里叶变换光谱的新型移动光学楔形干涉仪。通过两对楔形棱镜抑制了移动镜子产生的运动误差。与普通迈克尔逊干涉仪的移动镜子相比，这种干涉仪增加了OPD的跨度并提高了光谱分辨率。
另一种策略是将平移镜子的运动转换为旋转。这种方法克服了倾斜引起的OPD误差和线性平移固有的较大速度变化的影响。Cai等人[43]提出了一种带有两对旋转平行镜子的干涉仪，并分析了旋转过程中平行镜子的平行度和振动。他们确认旋转镜子的振动是旋转过程中的主要误差。Qu等人[44]提出了旋转干涉仪的微型化设计，推导出了移动镜子旋转时产生的OPD方程，并建立了相应的光学仿真模型。他们阐明了干涉仪的OPD与旋转镜子的厚度、折射率和旋转角度之间的设计关系。Xia等人[45]提出了一种具有改进的条纹对比度光学结构的四通同频干涉仪，因此优于现有的双通干涉仪。同时，基于倾斜角度特性，将偏振泄漏从探测器中分离出来，有效消除了周期性非线性误差。
此外，将精确倾斜测量方法与主动控制技术相结合是另一种缓解镜子倾斜问题的关键方法。这种方法通常涉及使用多通光路检测镜子的倾斜量。随后，可以通过建模光束参数对光路长度和干涉图图案的影响来识别和纠正系统误差[46]。然后通过实施优化的校准和测试方案来实现有效的光路补偿[47]、[48]。这种方法在基于空间的引力波探测器所采用的束对准机制（BAM）中得到了广泛应用。BAM利用精密可调的光学元件实时监测光束偏差并进行补偿，从而主动抑制TTL耦合噪声[49]。类似地，主动光学技术通过使用波前传感器检测像差并驱动镜子执行校正，提高了整体系统稳定性[50]。
然而，这些缓解策略存在显著的限制。引入补偿光学元件会增加系统复杂性，仅仅减少物理位移并不能完全消除倾斜敏感性。相反，用旋转代替平移会在OPD和旋转角度之间引入非线性关系，并在较大角度下降低调制深度。这些缺点促使人们继续寻找更稳健的解决方案。
为了解决时间调制光谱仪中固有的移动镜子倾斜问题，本研究提出了一种基于双臂旋转的干涉仪。该设计巧妙地结合了Yang等人[40]使用的双镜布置和Cai等人[43]采用的旋转运动的概念。干涉仪的移动机制改进为双臂配置，具有两个关键优势：首先，它从根本上消除了与平移镜子运动相关的倾斜问题；其次，与单臂旋转设计相比，它显著减少了所需的旋转角度，从而减轻了非线性效应。理论分析表明，该设计满足严格要求：仪器尺寸<450×450毫米，光谱分辨率为0.045厘米?1，测量范围为350–7500厘米?1。使用Zemax建立了光学模型以优化光路并进行公差分析。与传统干涉仪进行了尺寸比较，以突出它们的差异。为了验证所提出的干涉仪可以缓解移动镜子倾斜的影响，对两种类型的干涉仪进行了倾斜容忍度分析。此外，还使用该干涉仪分析了标准聚苯乙烯样品的红外光谱，以评估其性能和非线性。
