CN102192728A - 声光滤波光谱相机 - Google Patents

Abstract

光谱相机属于多光谱遥感成像技术领域。光谱相机的核心部件是分光仪，传统分光仪主要有干涉型和色散型两种，其主要缺点是对扰动敏感，对系统稳定性和机械扫描精度要求高，价格昂贵，仪器结构庞大，成像速度慢。本发明其特征在于，声光滤波光谱相机采用声光可调滤波器作为分光仪，利用了声波在各向异性介质中传播时对入射到传播介质中的光波的衍射作用，从而对入射的多光谱进行分光。声光滤波光谱相机的体积小、重量轻，由于声光可调滤波器是全固态分光器件，无移动部件，因此该光谱相机抗震性能好，环境适应性好；其分光部件采用电子信号控制扫描，波长切换快，满足了实时快速检测的需要；该光谱相机还可以在扫描范围内任意选定一组波长扫描，而不必进行全谱扫描，对于固定的工业应用对象，可节省测量时间。声光滤波光谱相机可用于反射光谱为可见和近红外波段的物质成分识别和图像采集，应用领域包括军事、天文、航天、海洋考察、监测地球环境以及对灾害的预测、预警等领域。

Description

声光滤波光谱相机

技术领域

本发明涉及一种基于声光可调滤波器的光谱相机，可用于反射光谱在可见和近红外波段的物质成分识别和图像采集，应用领域包括军事、天文、航天、海洋考察、监测地球环境以及对灾害的预测、预警等领域。

背景技术

光谱相机是将影像和光谱合一的光学遥感器件，它将每一个空间影响的像元予以具有其本身特征的光谱信息，是人类观测世界、认识世界的一种手段，也是遥感技术的一项重大创新。随着人们对遥感技术的更进一步要求，传统光谱成像技术遇到很多问题：易受大气环境影响，系统噪声大，光谱分辨率低、系统结构复杂，很难实现系统搭建以及由于体积庞大难以在线工作等，给光谱成像技术的发展提出了很多技术难题。

本发明之声光滤波光谱相机主要由成像光学系统、分光仪和数据处理系统三大部分组成。光谱相机中核心部件是分光仪，本发明利用声光可调滤波器作为分光仪的分光元件。声光可调滤波器是一种依据声光互作用原理，以超声波控制分光波长的全固态分光元件，在可见和红外波段的光谱范围内适用于光谱相机中的分光仪部分。本发明应用的TeO2材料作为分光仪中的分光晶体，该晶体生长技术已经成熟，并在其他领域上上得到了广泛的应用。

本发明中的成像光学系统由望远系统和远心光路组成，该成像系统的望远系统能将远处光能量汇聚，再由远心光路将汇聚的光束以准平行方向入射到分光仪上，换能器输入一定超声波频率，当入射光的角度符合布拉格条件时，该入射光被衍射，改变超声波频率，就有相应波长的入射光被衍射，实现了光谱扫面。被衍射的单色光波汇集到面阵探测器上，本发明利用现有的Andor公司生产的LucaEMR604面阵探测器对单色衍射光进行探测，探测光谱范围和与基于TeO2晶体的声光可调滤波器可调谐的光谱范围相符。面阵探测器将采集到的单色光谱由光信号转化为电信号，将电信号输入计算机，运行成像软件，进行图像增强、识别、储存等信息处理。本发明是可实现的。

基于声光可调滤波器的光谱相机系统结构简单，系统搭建比较容易，生产成本低。换能器输出的射频信号由计算机控制，编程方便、快捷，电信系统已经成熟，并且图像储存速度快。本发明的光谱相机体积小、重量轻，全固态分光器件，无移动部件，可实现性强，为光谱相机的发展开辟新的道路。

发明内容

本发明之声光滤波光谱相机由成像光学系统、分光仪和数据处理系统组成，待测目标的反射光通过成像光学系统收集在分光仪的分光元件上，本发明以声光可调滤波器作为光谱相机的分光元件，声光可调滤波器利用了声波在各向异性介质中传播时对入射到传播介质中的光的布拉格衍射作用，能够对入射的多光谱进行分光，即当换能器输入的超声波入射角一定时，对应一个确定的超声波频率值，有唯一的入射光被衍射，挡掉其他部分的光，达到分光作用。改变超声波频率，被声光可调滤波器衍射的光波长也相应改变，这样起到光谱扫描作用。被衍射的单色光束经会聚镜会聚成像在面阵探测器上，并分布在分光仪的焦平面上。每个光敏元对一个像元光谱色散成像，这样，面阵探测器每帧图像数据是一个穿轨方向物体条带的光谱数据，得到了物体的立方体图像。面阵探测器摄像器件和图像采集卡在计算机控制下实现光谱图像的采集、处理和分析，计算机利用系统软件实现对整个系统工作过程的操控。

由于声光可调滤波器的入射光孔径角较大，入射光波长在458～670nm范围内变化时，入射光孔径角为1.31～1.94×10-2立体弧度，其通光能力比光栅大，可与Fabry-Perot干涉仪相比拟。

现有的干涉型和色散型分光仪对扰动敏感，要求具有高稳定性的系统，工艺实现难度高，价格昂贵，仪器结构庞大。上述技术方案的效果在于，与现有的光谱相机不同，本发明采用的分光仪为声光可调滤波器，通过超声波传播产生压缩和稀疏面的变化，在晶体中建立透射光栅，入射光经过超声波的衍射将发生振幅、频率、方向或波长等方面的变化。实现了全固态，无移动部件，抗震性能好，并且工作稳定的光谱相机。

附图说明

附图1是本发明声光滤波光谱相机的结构框图；

附图2是本发明声光滤波光谱相机的结构示意图；

附图3是分光仪的结构示意图；

附图4是光谱相机成像的原理图；

附图5是利用该光谱相机拍摄的在不同波长下吉塔的图像。

具体实施方式

本发明之基于声光滤波光谱相机的一个具体实例见附图1所示，是由望远系统、远心光路、分光仪、面阵探测器、数据采集卡、计算机、超声信号发生器、超声波放大器、以及匹配计算机的显示器和数据处理程序构成的。其中分光仪部分由光阑4、TeO2晶体6、PZT8、吸声体7、光楔9、挡光板13组成。

第一步：选定待测目标一吉塔，如图5所示，设定光谱范围；

第二步：调节成像光学系统中的望远系统，使其汇聚待测目标的所有光谱信息，再调节远心光路，使得准平行光束入射到分光仪中；

第三步：经分光仪的分光形成单波长的物体图像，该图像经过面阵探测器转化为数字信号，储存在计算机中，并按照设定的储存方式，依次扫描，获得整个光谱段上的图像信息，如图4所示；

第四步：当需要分析某一波长或某一波段光谱图像时，计算机提取该波长的光谱图，对待测目标的各项性能进行分析，如图5所示。

上述方案在获得高分辨率图像的同时，结构简单，操作方便，成本低。

Claims (15)

1.一种光谱相机，由成像光学系统(1)、分光仪(2)和数据处理系统(图1)组成，待测物体的反射光谱信号(3)由成像光学系统汇聚到分光仪(2)中进行分光，出射的单色光由面阵探测器(15)接收，形成单色光谱图像，后由数据处理系统对光谱进行分析、提取。

2.根据权利要求1所述的光谱相机，其特征在于，成像光学系统(1)由望远系统和远心光路组成，望远系统汇聚光能量，再由远心光路将光谱成像在分光仪(2)上，总体效果使透镜口径为100mm，焦距＞45cm，出射光的不平行度＜5°。

3.根据权利要求1所述的光谱相机，其特征在于，分光仪应用的分光晶体是TeO2(6)，工作方向为[110]方向分光。分光晶体用压电晶体调制PZT(8)，并在晶体的另一面添加吸声体(7)，晶体的出射面添加光楔(9)。

4.根据权利要求3所述的光谱相机，其特征在于，晶体(6)大小为30×20×15mm3声光互作用长度为10mm，

5.根据权利要求3所述的光谱相机，其特征在于，晶体的出射面添加379.5′-433.02′的光楔(9)，该光楔材料选石英玻璃，其作用是有效的消除由于晶体色散引起的图像漂移。

6.根据权利要求3所述的光谱相机，其特征在于，PZT(8)输出的超声波频率范围为20MHz-500MHz。并且其正负极(16)(17)与图3中超声波放大器的正负极相连。

7.根据权利要求3所述的光谱相机，其特征在于，晶体中相对于PZT的另一面添加泡沫状的吸声体(7)，使超声波在晶体中以行波的形式传播。

8.根据权利要求1所述的光谱相机，其特征在于，待测物体的反射光谱汇聚成像在分光仪(2)上，调节加在声光晶体上的超声波频率，有相应的入射光波长被衍射成±1级衍射光。

9.根据权利要求8所述的光谱相机，其特征在于，入射光范围为0.4μm-1μm。

10.根据权利要求8所述的光谱相机，其特征在于，大部分入射光能量被反射(5)，只有少部分光能量通过晶体，并发生衍射。

11.根据权利要求8所述的光谱相机，其特征在于，透射的零级光(11)和+1级衍射光(10)的总能量用挡光板(13)吸收，减小对-1级衍射光(12)的干扰，-1级衍射光通过透镜组(14)，成像在面阵探测器(15)上。

12.根据权利要求8和根据权利要求11所述的光谱相机，其特征在于，+1级衍射光(10)与水平方向的介质外夹角为9.12°，-1级衍射光(12)与水平方向的介质外夹角为14.63°。

13.根据权利要求11所述的光谱相机，其特征在于，改变透镜组(14)的透镜间距，可使光束直径变换，从而出射光束与面阵探测器相匹配。透镜焦距为100mm，晶体(6)与透镜组(14)的距离为50mm。

14.根据权利要求1和权利要求13所述的光谱相机，其特征在于，所用的探测器的探测光谱范围为400nm-1000nm，与本发明设定的光谱相机的光谱范围相符。

15.根据权利要求1所述的光谱相机，其特征在于，分光仪用高硬度壳(18)装配，减小由于环境影响而造成的噪声。

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