CN101855527A - 偏振超光谱成像仪 - Google Patents
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Abstract
公开了一种超光谱传感器或成像仪，包括：激光器，用于照射场景；以及探测器，用于检测由激光器发射并且透射穿过所述场景的光，其中所述激光器是啁啾激光器，配置用于输出具有不同波长范围的多个脉冲，所述多个脉冲用于形成照射所述场景的扩展连续光谱。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱偏振超光谱成像仪。具体地，本发明涉及一种使用量子级联激光器的超光谱成像仪。
背景技术
超光谱成像是一种在多个分立的相邻光谱带上的场景成像。存在两种基本类型的超光谱成像仪：如图1(a)所示，按照固定波长测量图像片段的波长扫描系统，以及如图1(b)所示，通过旋转衍射光学元件的光谱扫描、或者通过将线的位置移动通过狭缝空间扫描，来测量固定位置处的光谱片段的狭缝或线扫描系统。这种成像仪所要求的数据设置通常称为数据方块，其中由作为空间信息的场景区域的图像给出第一个二维，并且由所述光谱信息给出第三维。
超光谱传感器执行成像光谱测定以获得光谱特征。当在超光谱传感器和正在观察的场景之间存在气体云时，所述云在特定波长处吸收/发射与所述场景反射或自然发射截然不同的光。通过对所述场景成像的同时按照波长扫描、并且然后将具有和不具有气体的光谱信息进行比较(即，执行对比分析)，可以获得所述气体的吸收/发射特征，并且将所述气体的吸收/发射特性用于识别所述气体内的化合物。因此，这些传感器可以预先提醒人眼不可检测的有害化学蒸汽，并且可以监测气体中的物质浓度。例如，在电厂部门中，一些感兴趣的气体喷柱(gas plumes)是CO、CO2、SO2、NO、NO2。利用超光谱气体传感器，甚至可以对低浓度蒸汽进行成像、识别和测量。
同时，超光谱成像仪在检测有害材料时相当强大的潜力，相对地限制了他们的使用。这部分地是因为许多这种成像仪需要移动部分，限制了它们在不同环境中的使用，参见M.J.WABOMBA等人AppliedSpectroscopy，61卷，第4页，2007。此外，特别适用于诸如违禁药物、有毒工业化学品、爆炸化合物等之类的有害化合物的化学指纹分析的波长通常位于长波红外(LWIR)或热红外波段，其一般由覆盖7至14μm的波长范围来限定。由于背景场景存储来自黑体源(例如太阳)的能量、并且经由与LWIR波段相对应波长处的辐射将能量释放，在LWIR工作具有显著的缺点。相反在短波长IR(SWIR)波段，即1.5至3μm波长范围，和中波长IR(波段)，即3-5μm波长范围，所述场景倾向于反射输入辐射。因此，由于返回的光功率密度在SWIR和MWIR比LWIR更重要，因此相对于背景噪声改善了信噪比，所以现有技术的超光谱成像仪/传感器系统的许多状态是在SWIR和MWIR波段而不是在LWIR波段执行地相对良好。
发明内容
根据本发明，提出了一种超光谱传感器或成像仪，包括：激光器，用于照射场景；以及探测器，用于探测由激光器发射的、并且透射穿过所述场景的光，其中所述激光器是啁啾激光器，配置用于输出具有不同波长范围的多个脉冲，组合所述多个脉冲以形成用于照射所述场景的连续光谱。
例如，所述连续光谱可以是在感兴趣波长处的窄带光谱(窄带模式)例如几个波数，例如2cm-1(或者表达为60GHz的频率)。在这种情况下，所述激光器可以是单模啁啾激光器。通过使用单模激光器的波长啁啾提供波长扫描以积极地对场景成像，提出了一种不要求任何移动部分的非常简单有效的扫描成像系统。与图1的传统结构相比，提供了改进的可靠性和鲁棒性，从而延长了系统寿命。
例如，所述连续光谱可以是感兴趣波长处的宽带光谱(宽带模式)，例如一百左右波数，例如100cm-1(或者表达为3000GHz的频率)。在这种情况下，所述激光器可以是多纵模激光器。通过使用多纵模激光器的波长啁啾提供波长扫描以积极地对场景成像，提供了一种非常简单和有效的方法来发射在由激光器总增益谱限定的光谱范围内具有相邻波长或近似相邻波长的相干辐射的宽带发射。激光器的多纵模模式可以以60至240GHz(即2至8个波数)空间地间隔开，以确保在激光器的总增益光谱上发射相邻波长。
当与可调光谱滤波器相耦合时，可以将宽带光谱传感器或成像仪用于形成不要求任何移动部分的扫描成像系统。所述可调光谱滤波器可以是诸如法布里-波罗可调滤波器或声光可调滤波器之类的固态可调光谱滤波器。优选地，将所述滤波器放置在激光器和探测器之间。附加地或可选地，可以将基于微机电系统的可调滤波器直接集成到探测器阵列上。
可选地或附加地，可以将用于强制所述多纵模激光器单模发射辐射的装置耦合到所述激光器，使得实现覆盖激光器总增益光谱的单模的可调范围，以便形成不要求任何移动部分的扫描成像系统。
用于强制多纵模激光器发射单模辐射的装置可以包括基于微机电系统的光谱元件，例如使用原理性的外腔反馈(ECF)。可以将微机电元件直接集成到激光器。
所述激光器可以是量子级联激光器。施加到激光器的每个脉冲可以具有大于50ns的持续时间，特别地大于100ns。每个所施加的脉冲可以具有在50至3000ns范围内的持续时间，优选地在100至3000ns范围内这可以提供每个脉冲约60至240GHz的调制范围。
可以通过改变施加到激光器的以下特征的一个或多个来产生不同激光输出脉冲：脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲频率。
所述传感器/成像仪可以包括一个或多个偏振滤波器。可以选择所述激光器以抑制由场景所发射的LWIR背景信号。通过只允许特定偏振的辐射落到探测器阵列上，例如只允许激光源所发射的辐射的偏振分量落到探测器阵列上，可以有效地抑制场景所发射的LWIR背景信号，使得所有观察到的是由于位于传感器和背景场景之间的气体云导致在有源返回信号中存在的变化。
附加地或可选地，所述探测器可以是偏振敏感的，例如所述探测器可以是量子阱红外光探测器。优选地，所述探测器可操作用于只探测由啁啾激光器产生的偏振光，所述啁啾激光器本来就是线偏振的辐射源。这改善了返回光信号相对于通常为非偏振的背景噪声的信噪比。
所述探测器可以是二维焦平面探测器。所述探测器可以是QWIP。所述探测器可以是以下之一：碲镉汞(MCT)探测器、硒化物基探测器、超晶格II型探测器。
附图说明
现在将只作为示例并且参考附图描述本发明的各个方面，其中：
图2是超光谱传感器的方框图；
图3是图2传感器的更多细节视图；
图4示出了针对单模激光器或多纵模激光器的一个模式的脉冲宽度对波长啁啾的影响；
图5示出了针对单模激光器或多纵模激光器的一个模式的脉冲幅度对波长啁啾的影响；
图6示出了针对单模激光器或多纵模激光器的一个模式的频率对波长啁啾的影响；
图7示出了使用单模激光器或多纵模激光器的一个模式得到的一组测量点，其中改变脉冲宽度和/或幅度；
图8示出了使用单模激光器或多纵模激光器的一个模式得到的一组测量点，其中改变脉冲频率；
具体实施方式
图2示出了使用啁啾激光器超光谱成像仪从所观察的场景获取光谱和空间信息二者的系统10。所述系统包括：量子级联激光器12，用于照射场景；探测器14，用于探测从所述场景反射的激光；以及透镜16，用于将反射的光聚焦到探测器14上。理想地，探测器14是量子阱红外光探测器。在使用时，由从激光器输出的每一个啁啾提供的波长扫描可以用于确定气体的存在与否。该系统不具备移动部分，因此天生是鲁棒的，并且可以使其重量变轻。此外，该系统提供在敏感度和动态范围中改善的性能。
图3示出了图2的成像仪10的更详细实现。该成像仪具有量子级联探测激光器300和量子级联基准激光器400，用于照射感兴趣的场景。为了探测由感兴趣的场景反射的光，提供2D探测器阵列101。将控制和处理电子设备(未示出)配置用于控制传感器/成像仪的操作。探测器是QWIP，结合了根据偏振性质选择光的光栅结构。可选择地，在探测器101中结合的是基于MEMS的可调光谱滤波器102，作为窄波长带通滤波器。在探测激光器300是多模的情况下使用这种滤波器，并且必须选择单模。在探测器101之前、但是没有直接结合到其上的是诸如液晶法布里波罗或声光可调滤波器之类的可调光谱滤波器。
在探测激光器和基准激光器之间，探测器是望远镜结构200，用于将激光发射到感兴趣的场景；收集所述返回探测束和基准束；以及将它们导引至滤波器102、700和探测器100。望远镜结构200可以是任意合适的设计。图3中所示的具体结构是本领域公知的卡塞格林型。如所示的，望远镜结构通常包含反射元件201、202/205，但是也可以使用透射元件或其他光学结构。望远镜结构在本领域是公知的，因此这里没有详细描述。
探测激光器300在波长范围内输出啁啾的光脉冲，所述波长的至少之一由目标气体600吸收或背散射。基准激光器400工作于目标气体600不会吸收或背散射的波长。施加于探测激光器和基准激光器二者的每个脉冲可以具有大于50ns、特别地大于100ns的持续时间。每个所施加的脉冲可以具有在50-3000ns、优选地100至3000ns范围内的持续时间。这可以提供每脉冲约60-240GHz的调谐范围。
探测激光束和基准激光束311和411二者均由望远镜200发动以照射背景场景、场景和/或目标。由所述背景场景、场景和/或目标反射或背散射的返回光通过望远镜结构200检测到滤波器102和探测器100。探测器100具有比经由目标场景从探针301接收到的单独啁啾脉冲的持续时间(例如，Tpulse＝1μs)慢得多的响应时间。因此，所述探测器用作积分器，通过至少在比最小探测器规定积分时间(Tint det)更长的时间Tint sig期间对落到检测器面积上的光信号进行积分来测量脉冲光功率幅度。在例如QWIP的情况下，Tint det典型地在5至20ms的量级，而在量子级联激光器的情况下，输出脉冲具有50至3000ns范围内的持续时间，优选地在100至3000ns的范围内。
探测激光器300和基准激光器400可以是单模激光器。可选地，它们可以是多纵模激光器，但是包括用于引起激光器单模发射的装置，例如基于MEMS的光谱元件，使用直接集成到激光器上的原理外腔反馈(ECF)。在任一种情况下，探测激光器输出一系列啁啾脉冲，每一个啁啾脉冲提供每个激光模式的波长扫描，并且操作使得脉冲的单独波长扫描组合提供扩展光谱，用于扫描感兴趣的场景。
存在用于改变啁啾脉冲的波长范围从而提供扩展扫描范围的各种技术。如之前所描述的，探测激光器300是量子级联激光器，具有脉冲的啁啾输出。如图4所示，通过增加或减少输入到激光器的每一个脉冲的持续时间，相对波长啁啾分别增加或减少。这在WO03/087787中更加详细地进行了描述，将其内容结合在此作为参考。通过调制输入脉冲宽度、并且对所得到的输出脉冲进行组合，提供了一种扩展的光谱。如果用相同脉冲持续时间参数对至少一个序列积分和测量光功率，将获得频谱域中具有特定波长啁啾宽度的测量。通过针对线性地、连续地或者按照编码方式的序列改变持续时间，可以获得具有另一个特定波长啁啾波长的测量。通过控制宽度，可以引起波长扫描中的变化，使得可以执行吸收光谱测量。
如WO03/087787所示，用于改变波长扫描的另一个选择是增加或减少激光输入脉冲的幅度。如图5所示，这引起半导体二极管激光器的相对波长啁啾(扫描)将分别增加或减少。如果针对具有相同脉冲电流幅度参数至少一个序列积分和测量光功率，可以获得光谱域中具有特定波长啁啾宽度的测量。然后通过针对线性地、连续地或者按照编码方式的接下来的后续序列改变幅度，随后可以获得具有另一个特定波长啁啾波长的测量。通过控制电流脉冲幅度，可以引起波长扫描中的变化，使得可以在扩展的范围内执行吸收光谱测量。
如WO03/087787中所述，改变波长扫描的另一个选项是增加或减小输入脉冲的频率。在这种情况下，如图6所示，依赖于频率，相对波长啁啾(扫描)的起始波长将分别更长或更短。如果针对具有相同脉冲电流幅度、频率和持续时间参数的至少一个序列积分和测量光功率，那么也将在光谱域内获得具有特定波长啁啾宽度的测量。由于通过几秒时间尺度的帕耳帖元件稳定的激光器基线温度将按照受控方式更快地变化，通过然后线性地、连续地或者按照编码方式改变下述序列的频率，那么随后将获得具有另一个特定波长啁啾宽度的测量。通过控制激光器基线温度，人们然后可以在波长扫描起始时引入受控的变化，因此可以按照那种方式执行吸收光谱测量。
图7示出了一组测量点，其中每一个点表示针对具有相同参数的电流脉冲的至少一个序列的积分光功率测量，其中所述参数是幅度、持续时间、频率，其中所述序列持续时间至少等于Tint sig。后续的点表示电流脉冲幅度和/或宽度中的增量线性变化。如果在特定序列的波长啁啾(扫描)内存在来自气相分子的吸收特征，从背景信号中观察到变化，即不存在气体时。利用这种方法，可以及时解析光谱。该方法引入了扫描其实波长的略微偏移、或者可以考虑啁啾。
图8示出了测量点，每一个均表示针对具有相同电流脉冲参数的至少一个序列的积分光功率测量，并且其中从前一个到后一个点表示电流脉冲频率中的增量线性变化。如果在特定序列的波长扫描(啁啾)内存在气相分子的吸收特征，则观察到来自背景信号的变化。
本发明提出了一种非常高的测量速率的可能性。例如，在特定波长处观察到气体吸收的窄带或单模操作中，用户可以选择固定激光器设置并且在操作的固定波长模式中操作，这种系统可以在每秒大于100帧的速率工作。这使得能够在10ms量级的时间分辨率来测量瞬态效应。
在宽带扫描波长模式，其中宽带发射覆盖激光增益光谱范围、并且可调光谱滤波器或ECF系统作为选择窄带光谱窗口的波长选择装置，可以执行更宽的扩展扫描，例如每秒100个窄光谱窗口元件，从而允许系统按照比每秒一个数据立方体组获取更快的速率操作。实际上，这意味着可以将该系统放置在移动平台上，并且与现有技术固定场景系统相比仍然提供改进的性能。
本发明具有多种应用。例如，可以在用于毒品监控的非法药物的检测；从烟雾排放连续的发射监测；基础设施泄露检测；空气污染环境监测；矿业和石油勘探以及人造物体的改进远程检测。
本领域普通技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，所公开结构的变体也是可能的。例如，上述方法不局限于改变半导体二极管激光源的光谱特性的装置。可以按照线性或连续的方式利用这些装置的组合，例如诸如脉冲码调制等之类的其他调制技术。因此，特定实施例的以上描述仅仅作为示例，而不是限制的目的。本领域普通技术人员清楚的是，在没有对于上述操作的显著变化的情况下，可以进行微小修改。
Claims (26)
1.一种超光谱传感器或成像仪，包括：激光器，用于照射场景；以及探测器，用于探测由激光器发射的、并且透射穿过所述场景的光，其中所述激光器是啁啾激光器，配置用于输出具有不同波长范围的多个脉冲，所述多个脉冲用于形成照射所述场景的扩展连续光谱。
2.根据权利要求1所述的超光谱传感器或成像仪，其中组合以形成照射所述场景的扩展连续光谱的所述多个脉冲具有从1μm至20μm、优选地从7μm至14μm范围的波长。
3.根据权利要求1或2所述的超光谱传感器或成像仪，包括偏振敏感滤波器，适用于允许来自所述激光器的光通过、但是实质上阻断背景辐射。
4.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述探测器是偏振敏感的，并且适用于允许来自所述激光器的光通过、但是实质上阻断背景辐射。
5.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述探测器是二维焦平面探测器。
6.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述探测器是QWIP。
7.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述探测器是以下之一：MCT探测器、硒化物基探测器、超晶格II型探测器。
8.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述探测器操作用于只探测由所述啁啾激光器产生的偏振光。
9.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述激光器是半导体激光器。
10.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述激光器是量子级联激光器。
11.根据权利要求9或10所述的超光谱传感器或成像仪，包括用于向激光器施加脉冲的装置，所述脉冲具有大于50ns、优选地大于100ns的持续时间。
12.根据权利要求11所述的超光谱传感器或成像仪，其中每个所施加的脉冲具有在50至3000ns、优选地在100至3000ns范围内的持续时间。
13.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中通过改变施加到所述激光器的脉冲的以下一个特征或多个特征来产生不同的激光输出脉冲：脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲频率。
14.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，包括：固态可调光谱滤波器。
15.根据权利要求12所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述滤波器是液晶法布里波罗(LCFP)滤波器或声光可调滤波器(AOTF)。
16.根据权利要求14或15所述的超光谱传感器或成像仪，其中将所述滤波器放置在所述激光器和所述探测器之间。
17.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，包括直接集成到探测器阵列上的可调滤波器。
18.根据权利要求17所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述可调滤波器是微机电系统(MEMS)。
19.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述激光器是单模激光器。
20.根据任一前述权利要求所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述激光器是多纵模激光器。
21.根据权利要求20所述的超光谱传感器或成像仪，包括用于扫描通过所述多个模式的可调光谱滤波器。
22.根据权利要求21所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述光谱滤波器是诸如液晶法布里波罗滤波器或声光可调滤波器之类的固态可调光谱滤波器。
23.根据权利要求20所述的超光谱传感器或成像仪，包括用于引起所述多纵模激光器单模工作的装置。
24.根据权利要求23所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述用于引起所述多纵模激光器单模工作的装置包括基于微机电系统(MEMS)的光谱元件。
25.根据权利要求24所述的超光谱传感器或成像仪，其中所述MEMS元件使用外腔反馈(ECF)。
26.根据权利要求24或25所述的超光谱传感器或成像仪，其中将所述MEMS元件直接集成到所述激光器上。
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