CN101055246A

CN101055246A - 成像光谱仪的自动光谱定标系统及方法

Info

Publication number: CN101055246A
Application number: CN 200710040556
Authority: CN
Inventors: 杨宜; 肖功海; 舒嵘
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2007-10-17

Abstract

一种成像光谱仪自动光谱定标系统，属于应用光学领域的成像光谱仪光谱定标技术，特别是把光谱定标和自动控制相结合的集成系统，其中成像光谱仪自动光谱定标系统由光源、斩波器、单色仪、平行光管、成像光谱仪头部及前放、多路开关与单色仪控制器、锁相放大器、计算机及系统控制、数据采集与分析软件构成。提供成像光谱仪所有通道的光谱响应曲线、中心波长以及半高宽，可以十分方便地对成像光谱仪进行光谱定标，为成像光谱仪的辐射定标、数据定量化提供依据。

Description

成像光谱仪的自动光谱定标系统及方法

技术领域：

本发明属于应用光学领域中的成像光谱定标，具体地说，涉及一种光机电一体化并包含光源、斩波器、单色仪、平行光管、成像光谱仪头部及前放、多路开关与单色仪控制模块、锁相放大器、计算机及系统控制、数据采集与分析模块的成像光谱仪自动光谱定标系统。以及成像光谱仪的自动光谱定标方法。

背景技术：

二十世纪八十年代出现的成像光谱技术，把二维成像技术和光谱技术有机地结合起来，不仅能对物体进行形态成像，而且还能提供丰富的光谱信息；通过测量图像中每个象素的光谱，能够识别视觉上不明显的颜色差异，人们可以通过复杂的算法从分析的图像中提取最大的信息量。集成像与光谱为一体的成像光谱仪能够在连续光谱段上对同一地物进行分光谱的同时成像，即在探测物体空间特征的同时将各个空间象元色散形成5-10nm光谱分辨率的光谱信息，从而能从图谱合一的影像立方体上的任一象元得到类似于实验室光谱仪测量物质的光谱曲线。成像光谱数据可以对观测目标在几何形状和光谱特征两个方面进行分析和识别。由于成像光谱技术具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点，因而使得它一出现就受到了极大的重视，并在生态、地质、矿产、海洋、陆地水资源、冰雪和大气环境等各遥感领域得到了广泛的应用。

随着成像光谱技术的发展，定量化分析的需求越来越强烈，仅仅通过目标辐射的相对强弱进行影像分析已无法满足实际应用的需要，只有遥感数据定量化，才能更好地对地物的物理性质做出判断，定量化已经成为遥感发展的必然趋势。为了实现成像光谱应用的定量化，遥感仪器首先必须自我标定。对于每一台成像光谱遥感仪器，自身的定标过程必不可少。此外，由于外界环境、温度、冲击等的影响和成像光谱仪自身光学、机械、探测器的性能随着时间的变化，成像光谱仪的系统响应会发生变化，为了获取正确的定量数据，必须对仪器进行经常性的定标。如果同一仪器在不同时段获取的信息，或不同遥感仪器对同一地物获取的信息不能有效地进行对比，那么成像光谱技术的发展便有了阻碍。为了反演地物的光谱曲线，有必要对成像光谱仪进行光谱定标，以确定成像光谱仪各个通道的中心波长位置和通道光谱带的宽度。光谱定标作为成像光谱仪定标的第一步具有重要的意义，是进一步开展辐射定标的基础。

二十世纪九十年代，中国上海技术物理研究所研制了一套半自动的成像光谱仪光谱定标系统，该系统只能采集单个通道的光谱响应曲线，并且使用ISA总线传递采集数据。此外，由于光谱定标中，成像光谱仪各个通道出来的峰值响应幅度不一，高达100倍之多，只得靠经验来确定每个通道相应的锁相放大器灵敏度。上述缺陷给成像光谱仪的光谱定标带来了很大的麻烦。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能够对成像光谱仪自动光谱定标的新方法，为成像光谱仪的辐射定标、数据量化提供方便。并提供一套实现这种新方法的成像光谱仪自动光谱定标实用系统。

本发明采用模块化集成技术构思，把光源、斩波器、单色仪、平行光管、成像光谱仪头部及前放、多路开关与单色仪控制器、锁相放大器有机的组合在一起，构成一套实用化的成像光谱仪自动光谱定标系统，解决了单通道光谱定标、采用ISA数据采集、灵敏度的选择等问题，具有一定的实用性。

本发明是利用光源、斩波器、单色仪和平行光管产生调制的充满成像光谱仪孔径的单色光，单色光经过45°反射镜、成像光谱仪头部的光学系统会聚到探测器的灵敏单元上，输出响应经过成像光谱仪前放、多路开关与单色仪控制模块进入锁相放大器，锁相放大器的输出结果通过RS232串口传送到计算机中；对每一个光谱通道，多路开关与单色仪控制模块控制单色仪扫描相应的波长范围，得到单个通道的光谱响应曲线；前一个通道扫描完成后，多路开关与单色仪控制模块切换到下一个通道开始扫描，扫描波长起始值为上一个通道波长扫描起始值加上上一个通道的半高宽。循环进行，这样，最终得到成像光谱仪所有通道的光谱响应曲线。

附图说明：

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是系统的结构模块框图。

具体实施方式：

下面根据图1和图2给出本发明一个较好实施例，用以说明本发明的结构特征，技术性能和功能特点，而不是用来限定本发明的范围。

系统采用模块化集成的技术构思，系统的主要技术指标如下：

●通道波长扫描范围：30nm

●波长步进间隔：1nm

●中心波长分辨率：优于1nm

●扫描速度：3分钟/通道。

系统包括如下几个部分：

1)光源

选用溴钨灯做光源，其光谱范围从400nm-2500nm。

2)斩波器

采用中国上海技术物理研究所研制的斩波器，频率360±1Hz，避开工频干扰。

3)单色仪

采用中国北京光学仪器厂生产的WDG30-2型扫描单色仪。其主要技术指标：

波长范围为190-900nm(可扩展为190nm-20μm)；光栅采用平面光栅1200条/mm，刻线面积50*50mm²，闪烁波长λb＝500nm(可按用户要求选配其它规格的光栅)；波长准确度为±0.2nm(1200线/mm光栅)；波长重复性为0.1nm(1200线/mm光栅)；焦距为300mm；相对孔径D/f＝1/6；分辨率＜0.1nm(1200线/mm光栅)；线色散倒数为2.7nm/mm(1200线/mm光栅)。

4)平行光管

选用的平行光管焦距为2m，孔径250mm。

5)45°反射镜

选用的45°反射镜孔径为250mm。

6)成像光谱仪头部及前放

本发明中的实验采用的成像光谱仪是中国上海技术物理研究所研制的第二代功能型模块化成像光谱仪，共64个光谱通道，成像系统的口径为200mm。

7)多路开关与单色仪控制模块

此模块采用Philips半导体的P89C669单片机，利用单片机的两个UART口分别与计算机和单色仪相连，用于与计算机通信和控制单色仪、切换多路开关。采用四片Analog Devices Inc.公司的ADG732，可以一次性对128个光谱通道的成像光谱仪进行光谱定标。

8)锁相放大器

采用Signal Recovery公司的SR5105型锁相放大器。其主要技术指标：工作频率为5Hz-20kHz；灵敏度满量程范围为10μV-1V；输入阻抗为10MΩ/30pF；

共模抑制比(1KHz)＞40dB；滤波器有高通滤波器和低通滤波器；输出总动态范围＞80dB；时间常数0.3ms-10s；接口为RS232。

9)系统控制、数据采集和处理软件

系统控制、数据采集和处理软件在Labview8.0环境下开发完成，运行平台为Windows 2000。

系统控制软件主要实现以下功能：选择所有通道扫描或者一段通道扫描或者单个通道扫描，硬件控制等。

数据采集软件主要实现以下功能：数据采集，实时图像显示等。

数据处理软件主要实现对采集到的数据进行高斯拟合，高斯曲线显示，数据存储等。

整个系统的工作流程是：

溴钨灯光源1发出的白光聚光后经过斩波器2入射到单色仪3的输入狭缝，从单色仪3输出狭缝出来的单色光经平行光管4扩束后反射充满成像光谱仪口径，经过成像光谱仪头部光学系统5、6的会聚，单色光落在探测器的灵敏单元上，探测单元做出响应，从成像光谱仪前放出来的响应信号经过多路开关7的选择进入锁相放大器8，锁相放大器8检测出来的信号通过RS232串口92输入计算机9。计算机9和多路开关与单色仪控制模块7之间进行通信，使多路开关与单色仪控制模块控制单色仪在相应波长范围内以1nm的步长进行扫描，对应地，计算机9还通过锁相放大器8采集成像光谱仪每个通道的光谱响应，从而得到通道的离散光谱响应曲线。对数据做高斯拟合，得到通道的光谱响应函数，进而精确地得到每个通道的响应中心波长和半高宽。将数据记录到计算机9的硬盘，并将每个通道的光谱响应曲线送到显示设备显示。

Claims

1、一种把成像光谱仪光谱定标技术与自动控制技术相结合，以形成自动光谱定标的方法，包括步骤：

S1.利用多路开关与单色仪控制模块对成像光谱仪所有通道进行自动切换，当完成某一个光谱通道的光谱响应曲线采集之后，该多路开关与单色仪控制模块选择切换到成像光谱仪的下一个光谱通道；

S2.利用自带两个RS232串口的普通计算机控制单色仪、锁相放大器、多路开关与单色仪控制模块三个部分。

2、一种成像光谱仪自动光谱定标系统包括光源(1)、斩波器(2)、单色仪(3)、平行光管(4)、45°反射镜(5)、成像光谱仪头部及前放(6)、多路开关与单色仪控制模块(7)、锁相放大器(8)、及系统控制、数据采集与分析模块，其特征在于：单色光经过光学系统汇聚到成像光谱仪头部的探测器灵敏单元上，输出响应经过成像光谱仪前放、多路开关与单色仪控制模块(7)进入锁相放大器(8)，相干检测的结果通过RS232串口传送到计算机(9)中；对每一个光谱通道，多路开关与单色仪控制模块(7)控制单色仪扫描一定的波长范围，得到单个通道的光谱响应曲线；前一个通道扫描完成后，多路开关与单色仪控制模块(7)切换到下一个通道得到相应的光谱响应曲线，从而实现了成像光谱仪自动光谱定标。

3、根据权利要求2所述的成像光谱仪自动光谱定标系统，其特征在于：计算机(9)通过一个RS232串口(91)控制多路开关与单色仪控制模块(7)；通过另一个RS232串口(92)控制锁相放大器(8)。

4、根据权利要求2所述的成像光谱仪自动光谱定标系统，其特征在于：成像光谱仪通道波长扫描范围的起始值为前一个通道波长扫描起始值与前一个通道半高宽之和。

5、根据权利要求2所述的成像光谱仪自动光谱定标系统，其特征在于：根据通道峰值波长响应值的大小自动调整锁相放大器(8)的灵敏度范围。

6、根据权利要求2所述的成像光谱仪自动光谱定标系统，其特征在于：平行光管(4)的孔径比多路开关与单色仪控制模块(7)的成像光谱的孔径大。