CN102507006A - 基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置。该装置是一种利用差分背景热噪声抑制原理对低辐射红外目标进行超光谱遥感探测的装置。本发明通过引入低温黑体的低温背景辐射，与原光路形成红外差分光信号，同时改变声光晶体材料和射频驱动器驱动频率范围，解决了对弱目标即低辐射目标的红外超光谱遥感成像问题。本发明能够有效抑制内部环境对红外探测器的背景热噪声，从而使光谱成像装置的探测性能得到改善。

Description

基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置

技术领域

本发明属于光谱成像技术领域，涉及一种红外光谱成像装置，尤其涉及一种基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置。

背景技术

声光可调滤波器(AOTF：Acousto-optic tunable filter)作为新型分光器件，其应用研究经历了20多年的发展，目前主要是针对可见和近红外波段的应用，而对中波和长波红外AOTF超光谱成像技术的应用研究只是近几年才开始发展。

对于红外AOTF超光谱成像系统而言，由于受到探测器灵敏度、红外分光系统衍射效率低等的影响，使得系统的光学效率不高，因此，有必要采取一定的措施，提高系统信噪比。现有的AOTF超光谱成像装置，如公开号为US006490075B1的美国专利公开的一种AOTF超光谱成像系统，是工作波段在400nm～700nm范围的机载或星载光学遥感装置，该装置包括照明光源(如激光)、光学扫描装置、反射镜、AOTF、线偏振器、光学准直和成像装置、电控装置、探测器、移动平台等。为了提高探测系统信噪比，该装置采用激光主动照明，主要是对地物或海水进行扫描成像，但是对于侦察探测系统而言，主动照明容易暴露自己，因此，存在一定的缺陷。并且这类系统目前工作在可见光波段，还没有红外波段的探测装置。

SPIE Vol.5953，P595300-1至P595300-9登载的“Acousto-optic tunablefilters for infrared imaging”一文中公开了U.S.Army Research Laboratory开发的AOTF红外超光谱成像原理实验装置，该实验装置包括中波3～5μm和长波8～12μm AOTF超光谱成像装置，该装置主要包括宽带红外光源、AOTF、红外线栅偏振器(一个取偏器，一个检偏器)、RF射频驱动器、光学系统、红外探测器、计算机和视频采集卡等，给出了实验效果图。由于该装置在红外波段探测时，其内部为环境温度，红外线栅偏振器(一个取偏器，一个检偏器)是针对偏振光透射的，因此，对于非偏振的内部环境热辐射而言，一部分环境热辐射会经过红外线栅偏振器的反射(反射率为45％～50％)形成杂散热辐射进入探测系统，从而影响系统的信噪比。因此，对于低辐射红外目标和复杂背景下红外目标信号的被动探测效果不理想。

中国期刊《红外》在2004年7月出版的第7期12～17页刊登了刘石神发表的题为“声光可调谐滤波器及其在成像光谱仪上的应用”的论文。文中介绍了基于AOTF的成像光谱技术，给出了可见/近红外和短波红外双通道AOTF成像光谱仪光路结构图，这种成像光谱仪主要是探测目标的反射/漫反射信号或高亮度目标信号，无法对低辐射红外目标信号进行遥感探测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前AOTF红外超光谱成像装置存在的问题，提供一种对弱(低辐射)红外目标或复杂背景下红外目标进行遥感探测的超光谱成像装置一基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的红外差分超光谱成像装置包括望远物镜组、用于起偏的第一线栅偏振器、用于检偏的第二线栅偏振器、声光可调滤波器、二次成像镜、红外探测器、红外吸收器、计算机控制与数据采集装置和射频驱动器，所述射频驱动器向所述声光可调滤波器输出连续循环变化的射频信号；其特征在于：所述红外差分超光谱成像装置还包括低温黑体组件和温度控制器，低温黑体组件含有表面进行黑色无光处理的第一、第二低温面黑体；所述第一、第二线栅偏振器的偏振方向垂直，两者均相对所述红外差分超光谱成像装置的主光路倾斜；所述计算机控制与数据采集装置接收键盘输入的温度设定值，向所述温度控制器发出温度设置指令，同时接收温度控制器对第一、第二低温面黑体进行温度检测的反馈值，判断温度检测值是否达到温度设定值，若判断结果为真，启动所述射频驱动器和所述红外探测器，当射频驱动器输出连续变化的射频信号后，采集红外探测器输出的视频信号并存储和显示或输出采集结果；来自无限远目标的平行光线经所述望远物镜组压缩后进入所述第一线栅偏振器，第一线栅偏振器对压缩后的目标光线取偏并同时对所述第一低温面黑体产生的第一低温辐射进行全反射，取偏光线和全反射光线形成红外差分光信号并进入所述声光可调滤波器，声光可调滤波器在频率连续循环变化的射频信号驱动下使入射红外差分光信号产生布拉格衍射，所述第二线栅偏振器对衍射光检偏并同时对所述第二低温面黑体产生的第二低温辐射进行全反射，检偏光线和全反射光线形成红外差分光信号并经所述二次成像镜会聚成像，其中一部分会聚到所述红外探测器的靶面上，另一部分被所述红外吸收器吸收。

本发明将声光可调滤波器衍射分光技术、红外超光谱成像技术与背景差分抑制技术相结合，得到了基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置。本发明将现有红外光谱成像装置内部环境下的背景辐射改进为低温黑体辐射，将红外线栅偏振器倾斜一定角度放置，从而将低温黑体辐射引入光路，与主光路一起形成红外差分光信号。采用这种差分背景热噪声抑制技术可以将内部环境热辐射从常温降低到零下50℃甚至更低，由此，可以抑制探测器的背景热噪声，提高红外超光谱成像系统的信噪比和探测性能，同时使其具有对弱(低辐射)红外目标遥感成像探测的能力。

附图说明

图1是本发明红外差分超光谱成像装置的组成示意图。

图2是本发明红外差分超光谱成像装置的光路示意图。

图3是计算机控制与数据采集装置的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细描述。

根据图1所示，本发明第一优选实施例包括含有第一、第二物镜1-1、1-3和光阑1-2的望远物镜组1，第一、第二线栅偏振器2、4，含有声吸收器3-1、声光晶体3-2、压电换能器3-3的声光可调滤波器3(简称AOTF组件)，含有第一、第二低温面黑体5-1、5-2的低温黑体组件，二次成像镜6，红外探测器7，红外吸收器8，计算机控制与数据采集装置9，射频驱动器10和温度控制器11。第一物镜1-1的像方焦距和第二物镜1-3的物方焦距均位于光阑1-2的中心。望远物镜组1和二次成像镜6构成波段为8～12μm的红外光学系统，其中：第一物镜1-1为球面透镜，是整个系统的光路输入端，其焦距为135mm，光学有效口径为60mm，基底材料为锗(Ge)单晶，表面镀制红外增透膜，以实现最佳光学效率。第二物镜1-3为球面透镜，其焦距为85mm，光学有效口径为30mm，基底材料为硒化锌(ZnSe)晶体，表面镀制红外增透膜，以实现最佳光学效率。二次成像镜6采用双分离透镜，起到再次会聚光线与成像的作用，其焦距为145mm，光学有效口径为30mm，双分离透镜的面形均为球面，基底材料依次为Ge单晶和ZnSe晶体，表面镀制红外增透膜，以实现最佳光学效率。望远物镜组1和二次成像镜6的组合焦距为f＝235mm。

第一、第二线栅偏振器2、4的偏振方向垂直，分别放置在AOTF组件3的前方和后方位置，两者均相对超光谱成像装置的主光路倾斜25°角。第一、第二线栅偏振器2、4的基底材料均为ZnSe，厚度2.5mm，光学口径为35mm，光栅间隔为1200g/mm，透过率≥85％，消光比≥300∶1，偏振度≥95％。

根据图2所示，来自无限远目标的平行光线经所述望远物镜组1压缩后进入第一线栅偏振器2，第一线栅偏振器2对压缩后的目标光线取偏并同时对第一低温面黑体5-1产生的第一低温辐射P1进行全反射，取偏光线和全反射光线形成红外差分光信号并进入AOTF组件3，射频驱动器10产生的射频信号控制AOTF组件3中的压电换能器3-3产生超声波，超声波控制声光晶体3-2对入射红外差分光信号产生布拉格衍射，第二线栅偏振器4对衍射光检偏并同时对第二低温面黑体5-2产生的第二低温辐射P2进行全反射，检偏光线和全反射光线形成红外差分光信号并经所述二次成像镜6会聚成像，其中一部分会聚到所述红外探测器7的靶面上，另一部分被所述红外吸收器8吸收。

压电换能器3-3是一种能够生成超声波的长方形薄片，胶合固定在声光晶体3-2的一侧表面，声吸收器3-1是一种能够吸收超声波的长方形薄片，胶合固定在声光晶体3-2的另一侧表面；声光晶体3-2材料选用铊砷硒(Tl₃AsSe₃)各向异性晶体材料，光学口径为15mm×15mm。低温黑体组件5含有两个低温面黑体5-1、5-2，两者表面均采用黑色无光处理技术实现均匀的红外辐射，便于均匀低温背景信号的生成。第一、第二低温面黑体5-1、5-2通过电缆与温度控制器11连接，温度控制器11根据计算机控制与数据采集装置9的指令，对第一、第二低温面黑体5-1、5-2的温度进行设置，并对两个低温面黑体的温度进行检测并向计算机控制与数据采集装置9反馈温度检测值。红外探测器7采用碲镉汞(HgCdTe)凝视红外焦平面阵列，波段为8～12μm，像素为320×256，斯特林制冷。本优选实施例的红外吸收器8是一种能够吸收红外辐射的立方体，表面采用黑色红外吸收材料，尺寸为60mm×60mm，可以吸收零级光和负一级衍射光。计算机控制与数据采集装置9通过电缆分别与射频驱动器10、温度控制器11、红外探测器7连接。计算机控制与数据采集装置9的功能是，接收键盘给出的温度设定值，通过RS485接口向温度控制器11发送温度设置指令，接收温度控制器11反馈的第一、第二低温面黑体5-1、5-2的温度，当第一、第二低温面黑体5-1、5-2的温度达到设定值时，通过RS485接口启动射频驱动器10和红外探测器7工作，当射频驱动器10输出连续变化的射频信号后，采集红外探测器7输出的视频信号并对该信号进行存储和显示或输出。计算机控制与数据采集装置9的具体工作流程参见图2。射频驱动器10通过电缆与压电换能器3-3连接，射频驱动器10在其内部单片机的控制下，向压电换能器3-3提供连续循环变化的射频信号，射频信号频率为16.8～25.2MHz。由于在某一频率射频信号的驱动下，AOTF组件3输出一特定波长的光波，因此，在16.8～25.2MHz的频率范围内，AOTF组件3输出的连续循环变化光波其波长变化范围为8～12μm。

在本发明中，由第一、第二低温面黑体5-1、5-2产生的低温辐射P1、P2分别经过第一、第二线栅偏振器2、4的全反射后进入超光谱成像装置的主光路S并与主光路S的光线合成后形成红外差分信号。由于红外差分信号的温度要比装置内部环境背景的辐射信号温度低很多，因而能够起到有效降低红外探测器背景热噪声的作用。

本发明第二优选实施例与第一优选实施例的不同在于，第一物镜1-1的材料为锗单晶，第二物镜1-3的材料为硅单晶，二次成像镜6的双分离球面透镜的材料依次为氟化钡单晶和硅单晶；AOTF组件3中的声光晶体3-2选用二氧化碲(TeO₂)各向异性晶体材料，红外探测器[7]选用锑化铟(InSb)凝视红外焦平面阵列，波段为3～5μm，像素为320×256，射频驱动器[10]的射频频率为22.6～37.7MHz，使AOTF组件3输出波长为3～5μm的连续循环光波。

Claims (4)

1.一种基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置，包括望远物镜组[1]、用于起偏的第一线栅偏振器[2]、用于检偏的第二线栅偏振器[4]、声光可调滤波器[3]、二次成像镜[6]、红外探测器[7]、红外吸收器[8]、计算机控制与数据采集装置[9]和射频驱动器[10]，所述射频驱动器[10]向所述声光可调滤波器[3]输出连续循环变化的射频信号；其特征在于：所述红外差分超光谱成像装置还包括低温黑体组件[5]和温度控制器[11]，低温黑体组件[5]含有表面进行黑色无光处理的第一、第二低温面黑体[5-1、5-2]；所述第一、第二线栅偏振器[2、4]的偏振方向垂直，两者均相对所述红外差分超光谱成像装置的主光路倾斜；所述计算机控制与数据采集装置[9]接收键盘输入的温度设定值，向所述温度控制器[11]发出温度设置指令，同时接收温度控制器[11]对第一、第二低温面黑体[5-1、5-2]进行温度检测的反馈值，判断温度检测值是否达到温度设定值，若判断结果为真，启动所述射频驱动器[10]和所述红外探测器[7]，当射频驱动器[10]输出连续变化的射频信号后，采集红外探测器[7]输出的视频信号并存储和显示或输出采集结果；来自无限远目标的平行光线经所述望远物镜组[1]压缩后进入所述第一线栅偏振器[2]，第一线栅偏振器[2]对压缩后的目标光线取偏并同时对所述第一低温面黑体[5-1]产生的第一低温辐射[P1]进行全反射，取偏光线和全反射光线形成红外差分光信号并进入所述声光可调滤波器[3]，声光可调滤波器[3]在频率连续循环变化的射频信号驱动下使入射红外差分光信号产生布拉格衍射，所述第二线栅偏振器[4]对衍射光检偏并同时对所述第二低温面黑体[5-2]产生的第二低温辐射[P2]进行全反射，检偏光线和全反射光线形成红外差分光信号并经所述二次成像镜[6]会聚成像，其中一部分会聚到所述红外探测器[7]的靶面上，另一部分被所述红外吸收器[8]吸收。

2.根据权利要求1所述的基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置，其特征在于：所述第一、第二线栅偏振器[2、4]的基底材料为硫化锌，光栅间隔为1200g/mm，透过率≥85％，消光比≥300：1，偏振度≥95％。

3.根据权利要求1或2所述的基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置，其特征在于：所述望远物镜组[1]含有第一、第二物镜[1-1、1-3]和光阑[1-2]，第一物镜[1-1]的像方焦点以及第二物镜[1-3]的物方焦点均与光阑[1-2]重合，第一物镜[1-1]为球面透镜，材料为锗单晶，第二物镜[1-3]为球面透镜，材料为硒化锌晶体，二次成像镜[6]为双分离球面透镜，材料依次为锗单晶和硒化锌晶体；声光可调滤波器[3]中的声光晶体[3-2]选用铊砷硒[Tl₃AsSe₃]各向异性晶体材料，红外探测器[7]采用碲镉汞凝视红外焦平面阵列，波段为8～12μm，像素为320×256，射频驱动器[10]向声光可调滤波器[3]输出射频信号的频率为16.8～25.2MHz，使声光可调滤波器[3]输出波长为8～12μm的连续循环光波。

4.根据权利要求1或2所述的基于声光可调滤波器的红外差分超光谱成像装置，其特征在于：所述望远物镜组[1]含有第一、第二物镜[1-1、1-3]和光阑[1-2]，第一物镜[1-1]的像方焦点以及第二物镜[1-3]的物方焦点均与光阑[1-2]重合，第一物镜[1-1]为球面透镜，材料为锗单晶，第二物镜[1-3]为球面透镜，材料为硅单晶，二次成像镜[6]为双分离球面透镜，材料依次为氟化钡单晶和硅单晶；声光可调滤波器[3]中的声光晶体[3-2]选用二氧化碲各向异性晶体材料，红外探测器[7]选用锑化铟凝视红外焦平面阵列，波段为3～5μm，像素为320×256，射频驱动器[10]的射频频率为22.6～37.7MHz，使声光可调滤波器[3]输出波长为3～5μm的连续循环光波。

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