CN103323124B - 红外成像光谱仪对快速移动目标的超光谱成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外成像光谱仪及其对快速移动目标的超光谱成像方法，包括特殊结构的迈克尔逊干涉仪、第一光学望远系统、第二光学望远系统、第一聚焦透镜、第一中波面阵红外探测器、第二聚焦透镜、第二中波面阵红外探测器和控制系统；第一、第二光学望远系统分别沿光轴方向安装在迈克尔逊干涉仪的第一、第二输入端口前方；从第一、第二输出端口射出的干涉光分别经过第一聚焦透镜和第二聚焦透镜聚焦后，分别被第一中波面阵红外探测器和第二中波面阵红外探测器接收转换为模拟电信号并传输给控制系统；控制系统用于将模拟电信号转换为数字信号，并进行目标提取、空间窗口调整和傅里叶变换，生成超光谱立方图像。

Description

红外成像光谱仪对快速移动目标的超光谱成像方法

技术领域

本发明属于红外超光谱成像领域，具体涉及一种空间分辨率和光谱分辨率可调的红外成像光谱仪。

背景技术

红外成像光谱仪是80年代初在多光谱遥感的基础上发展起来的新一代光学检测和分析设备，它不仅能够获取目标的空间图像，还能够获取目标光谱精细采样的超光谱图像，因而，红外成像光谱仪在各个领域都有着重要的应用前景和潜力，例如：环境监测、无损监测、目标辐射特性研究、国防军事研究。并且，作为一种先进的智能感知成像系统，红外成像光谱仪在目标监测跟踪监控、目标辐射特性分析等国防领域有着重要的应用。

目前主要使用的光谱仪有两类：色散型光谱仪和傅里叶变换光谱仪。傅里叶变换光谱仪具有速度快、可靠性高、方便等优点，因而应用极为广泛。傅里叶变换光谱仪又称为干涉型光谱仪，该仪器是将成像技术与干涉光谱技术结合起来，利用像元辐射的干涉图和其光谱图之间的傅里叶变换关系，通过探测像元辐射的干涉图并将干涉图进行傅里叶变换来获得目标的光谱信息。它的核心元件是一个高精度的迈克尔逊干涉仪，通过采用动镜扫描技术，获取一系列不同光程差的干涉图，通常这种也称为时间调制干涉成像光谱仪。然而，在实际应用，这种光谱仪对迈克尔逊干涉仪的动镜驱动系统要求很高，要求动镜运动匀速并且倾斜和晃动误差极小；并且，一个干涉图完成采样动镜需要扫描一个周期，因此不适合快速变化目标的光谱测量。人们通过改进迈克尔逊干涉仪的动镜扫描系统来提高干涉仪的精度，例如专利CN 10132451A提出了一种干涉仪光路系统，这种系统降低了光束的倾斜角，结构较简单，提高了红外吸收光谱定量和定性监测的精度。然而，这种系统的精确度仍然对干涉仪动镜横移较敏感，并且该干涉仪由于精度以及探测器积分时间对扫描速度的限制，仍然不能实现对快速移动目标的超光谱成像。

    由于常规基于迈克尔逊干涉仪的红外成像光谱仪存在以上提到的缺点，有必要开发一种能够克服干涉仪扫描动镜的倾斜和横移，并且能够对快速目标进行超光谱成像的傅里叶成像光谱仪。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种红外成像光谱仪及其对快速移动目标的超光谱成像方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种迈克尔逊干涉仪，其特征在于：它包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第一立体直角反射镜、第二立体直角反射镜、固定臂、活动臂、动镜驱动装置、分光镜、第一补偿板和第二补偿板；

其中固定臂设置在水平方向，活动臂设置在竖直方向，第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜的顶点分别固定安装在固定臂和活动臂上；活动臂由动镜驱动装置控制左右移动；

分光镜的中心面同时经过第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点，以及第一输出端光轴与第二输出端光轴的交点；第一补偿板和第二补偿板平行安装于分光镜两侧用于补偿各种波长之间光程差。

上述迈克尔逊干涉仪，所述的活动臂移动到最左端时第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜以分光镜的中心面成对称关系。

一种红外成像光谱仪，其特征在于：它包括上述迈克尔逊干涉仪，还包括第一光学望远系统、第二光学望远系统、第一聚焦透镜、第一中波面阵红外探测器、第二聚焦透镜、第二中波面阵红外探测器和控制系统；

其中第一光学望远系统沿光轴方向安装在迈克尔逊干涉仪的第一输入端口前方，用于输入目标辐射的光信号；第二光学望远系统沿光轴方向安装在迈克尔逊干涉仪的第二输入端口前方，用于输入背景辐射的光信号；

从第一输出端口和第二输出端口射出的干涉光分别经过第一聚焦透镜和第二聚焦透镜聚焦后，分别被第一中波面阵红外探测器和第二中波面阵红外探测器接收转换为模拟电信号并传输给控制系统；控制系统用于将模拟电信号转换为数字信号，并进行目标提取、空间窗口调整和傅里叶变换，生成超光谱立方图像；

所述迈克尔逊干涉仪的动镜驱动装置由控制系统控制。

红外成像光谱仪，它还包括由控制系统控制的制冷机，用于给两个中波面阵红外探测器的焦平面制冷。

一种利用上述红外成像光谱仪实现的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）设置迈克尔逊干涉仪零光程差：

动镜驱动装置控制活动臂定位，使得第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜以分光镜的中心面成对称关系；

2）参数设置和调试：

    在零光程差位置，控制系统将接收到的两路模拟信号分别转换成两幅数字图像信号，并将两幅数字图像信号融合成红外图像；连续获取若干帧图像，并采用目标提取算法，获取每帧红外图像中目标的位置并估算出目标的移动速度；根据目标移动的速度调整活动臂移动的最大距离以及最终输出的超光谱图像的窗口大小；

3）图像数据采集：

以零光程差位置为起始点，控制活动臂向右移动，设置移动步长d，至活动臂移动到最右端位置结束，为一个周期；在一个周期内，每移动一次，控制系统采集一次信号，将接收到的两路模拟信号分别转换成两幅数字图像信号，将两幅数字图像信号融合成红外图像并保存；

4）超光谱成像：

对步骤3）这一周期内获取的一系列红外图像对应步骤2）设置的窗口内每个像素位置的数据进行傅里叶变换，得到每个像素位置对应的超光谱成像，最终得到窗口内目标的超光谱立方图像。

按上述方法，在所有步骤中，增加制冷机，对两个中波面阵红外探测器制冷，使其工作在低温稳定的环境中。

按上述方法，所述活动臂的移动步长d小于或等于250nm。

按上述方法，所述步骤2）中，目标的移动速度越快，活动臂的最大移动距离越小，超光谱图像的窗口越小。

按上述方法，所述步骤3）设目标辐射的光信号经过第一红外光学望远系统后的光信号为I ₁ ，背景辐射的光信号经过第二红外光学望远系统后的光信号为I ₂ ；信号的采集过程如下：

I ₁ 经过分光镜后被分为两束光分别为I ₁₁ 和I ₁₂ ，I ₂ 经过分光镜后被分为两束光分别为I ₂₁ 和I ₂₂ ，其中I ₁₁ 和I ₁₂ 的光程差为2dn，I ₂₁ 和I ₂₂ 的光程差也为2dn，n为活动臂向右移动的次数；两个补偿板用于补偿各种波长之间光程差；

I ₁₁ 和I ₁₂ 分别经过第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜反射后再次回到分光镜，经过分光，最终输出两束干涉光O ₁₁和O ₁₂；I ₂₁ 和I ₂₂ 分别经过第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜反射后再次经过分光镜分光，最终输出两束干涉光O ₂₁和O ₂₂；

O ₁₁和O ₂₁叠加后经过第一聚焦透镜聚焦，由第一中波面阵红外探测器接收；O ₁₂和O ₂₂叠加后经过第二聚焦透镜聚焦，由第二中波面阵红外探测器接收；两个中波面阵红外探测器将接收到的光信号转换为模拟电信号并传输给控制系统。

本发明的有益效果为：

1、本发明迈克尔逊干涉仪采用特殊的结构设计，提高了扫描精度，获得精确的干涉图像，减少动镜扫描时倾斜或横移带来的干涉误差。

2、本发明红外成像光谱仪采用双输入双输出的工作方式，一个输入端接收目标的辐射光，另一个输入端接收目标场景的背景的辐射光，通过将两束光相减可以消去背景辐射光对目标探测的影响，从而提高目标超光谱成像的精度；采用双输出方式，可以让两个探测器同时接受目标干涉图像，有效提高图像的动态范围。

3、本发明方法可以调节空间分辨率和光谱分辨率，当对于静态目标或缓慢移动的目标成像时候可以采用高的空间分辨率和高的光谱分辨率对目标进行超光谱成像，当对快速移动的目标进行成像的时候可以降低空间分辨率或者降低光谱分辨率从而有效提高光谱仪的帧频，获得快速移动目标的光谱图像。

附图说明

图1为本发明一实施例的红外成像光谱仪结构示意图。

图2为本发明一实施例的方法框图。

图中：1.第一光学望远系统，2.第二光学望远系统，3.迈克尔逊干涉仪，3.1.第一立体直角反射镜，3.2.第二立体直角反射镜，3.3.固定臂，3.4.活动臂，3.5.动镜驱动装置，3.6.分光镜，3.7.第一补偿板，3.8.第二补偿板，4.第一聚焦透镜，5.第一中波面阵红外探测器，6. 第二聚焦透镜，7.第二中波面阵红外探测器，8.制冷机，9.控制系统。 

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明一实施例的红外成像光谱仪结构示意图，它包括迈克尔逊干涉仪3、第一光学望远系统1、第二光学望远系统2、第一聚焦透镜4、第一中波面阵红外探测器5、第二聚焦透镜6、第二中波面阵红外探测器7和控制系统9。

其中迈克尔逊干涉仪包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第一立体直角反射镜3.1、第二立体直角反射镜3.2、固定臂3.3、活动臂3.4、动镜驱动装置3.5、分光镜3.6、第一补偿板3.7和第二补偿板3.8；其中固定臂3.3设置在水平方向，活动臂3.4设置在竖直方向，第一立体直角反射镜3.1和第二立体直角反射镜3.2的顶点分别固定安装在固定臂3.3和活动臂3.4上；活动臂3.4由动镜驱动装置3.5控制左右移动；分光镜3.6的中心面同时经过第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点，以及第一输出端光轴与第二输出端光轴的交点；第一补偿板3.7和第二补偿板3.8平行安装于分光镜3.6两侧用于补偿各种波长之间光程差。本实施例中，所述的活动臂移动到最左端（也可根据实际情况而设定此位置）时第一立体直角反射镜3.1和第二立体直角反射镜3.2以分光镜3.6的中心面成对称关系。

第一光学望远系统1沿光轴方向安装在迈克尔逊干涉仪3的第一输入端口前方，用于输入目标辐射的光信号；第二光学望远系统2沿光轴方向安装在迈克尔逊干涉仪3的第二输入端口前方，用于输入背景辐射的光信号。从第一输出端口和第二输出端口射出的干涉光分别经过第一聚焦透镜4和第二聚焦透镜6聚焦后，分别被第一中波面阵红外探测器5和第二中波面阵红外探测器7接收转换为模拟电信号并传输给控制系统9；控制系统9用于将模拟电信号转换为数字信号，并进行目标提取、空间窗口调整和傅里叶变换，生成超分辨率立方图像； 所述迈克尔逊干涉仪3的动镜驱动装置3.5由控制系统9控制。系统各个部件所需的偏压以及各种控制信号均由控制系统9控制。

本实施例中，红外成像光谱仪还包括由控制系统9控制的制冷机8，用于给两个中波面阵红外探测器的焦平面制冷。

一种利用上述红外成像光谱仪实现的对快速移动目标的超光谱成像方法如图2所示，它包括以下步骤：

1）设置迈克尔逊干涉仪零光程差：

动镜驱动装置3.5控制活动臂3.4定位，使得第一立体直角反射镜3.1和第二立体直角反射镜3.2以分光镜3.6的中心面成对称关系。

2）参数设置和调试：

在零光程差位置，控制系统9将接收到的两路模拟信号分别转换成两幅数字图像信号，并将两幅数字图像信号融合成红外图像；连续获取若干帧图像，并采用目标提取算法，获取每帧红外图像中目标的位置并估算出目标的移动速度；根据目标移动的速度调整活动臂移动的最大距离以及最终输出的超光谱图像的窗口大小。

具体的设定方式为：目标的移动速度越快，活动臂3.4的最大移动距离越小，超光谱图像的窗口越小。如果目标是静止或缓慢移动的，则可以控制活动臂3.4最大移动距离相对较大，并且窗口大小可以设置为整个视场的大小，如果目标是快速移动的，则可以控制窗口尺寸为目标的大小，并且减小活动臂3.4最大移动距离，这样可以获得更快的帧频。

3）图像数据采集：

以零光程差位置为起始点，控制活动臂3.4向右移动，设置移动步长d（本实施例设定d小于或等于250nm，也可根据实际情况调节），至活动臂3.4移动到最右端位置结束，为一个周期；在一个周期内，每移动一次，控制系统采集一次信号，将接收到的两路模拟信号分别转换成两幅数字图像信号，将两幅数字图像信号融合成红外图像并保存。

设目标辐射的光信号经过第一红外光学望远系统后的光信号为I ₁ ，背景辐射的光信号经过第二红外光学望远系统后的光信号为I ₂ 。信号的采集过程如下：

I ₁ 经过分光镜后被分为两束光分别为I ₁₁ 和I ₁₂ ，I ₂ 经过分光镜3.6后被分为两束光分别为I ₂₁ 和I ₂₂ ，其中I ₁₁ 和I ₁₂ 的光程差为2dn，I ₂₁ 和I ₂₂ 的光程差也为2dn，n为活动臂3.4向右移动的次数；两个补偿板用于补偿各种波长之间光程差；

I ₁₁ 和I ₁₂ 分别经过第一立体直角反射镜3.1和第二立体直角反射镜3.2反射后再次回到分光镜3.6，经过分光，最终输出两束干涉光O ₁₁和O ₁₂；I ₂₁ 和I ₂₂ 分别经过第一立体直角反射镜3.1和第二立体直角反射镜3.2反射后再次经过分光镜3.6分光，最终输出两束干涉光O ₂₁和O ₂₂；

O ₁₁和O ₂₁叠加后经过第一聚焦透镜4聚焦，由第一中波面阵红外探测器5接收；O ₁₂和O ₂₂叠加后经过第二聚焦透镜聚焦6，由第二中波面阵红外探测器7接收；两个中波面阵红外探测器将接收到的光信号转换为模拟电信号并传输给控制系统9。

4）超光谱成像：

对步骤3）这一周期内获取的一系列红外图像对应步骤2）设置的窗口内每个像素位置的数据进行傅里叶变换，得到每个像素位置对应的超光谱成像，最终得到窗口内目标的超光谱立方图像。

可选的，在上述所有步骤中，增加制冷机，对两个中波面阵红外探测器制冷，使其工作在低温稳定的环境中。

Claims (5)

1.一种对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：它采用红外成像光谱仪，红外成像光谱仪包括迈克尔逊干涉仪（3）、第一光学望远系统（1）、第二光学望远系统（2）、第一聚焦透镜（4）、第一中波面阵红外探测器（5）、第二聚焦透镜（6）、第二中波面阵红外探测器（7）和控制系统（9）；其中第一光学望远系统（1）沿光轴方向安装在迈克尔逊干涉仪（3）的第一输入端口前方，用于输入目标辐射的光信号；第二光学望远系统（2）沿光轴方向安装在迈克尔逊干涉仪（3）的第二输入端口前方，用于输入背景辐射的光信号；从第一输出端口和第二输出端口射出的干涉光分别经过第一聚焦透镜（4）和第二聚焦透镜（6）聚焦后，分别被第一中波面阵红外探测器（5）和第二中波面阵红外探测器（7）接收转换为模拟电信号并传输给控制系统（9）；控制系统（9）用于将模拟电信号转换为数字信号，并进行目标提取、空间窗口调整和傅里叶变换，生成超光谱立方图像；

所述的迈克尔逊干涉仪包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第一立体直角反射镜（3.1）、第二立体直角反射镜（3.2）、固定臂（3.3）、活动臂（3.4）、动镜驱动装置（3.5）、分光镜（3.6）、第一补偿板（3.7）和第二补偿板（3.8）；其中固定臂（3.3）设置在水平方向，活动臂（3.4）设置在竖直方向，第一立体直角反射镜（3.1）和第二立体直角反射镜（3.2）的顶点分别固定安装在固定臂（3.3）和活动臂（3.4）上；活动臂（3.4）由动镜驱动装置（3.5）控制左右移动；分光镜（3.6）的中心面同时经过第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点，以及第一输出端光轴与第二输出端光轴的交点；第一补偿板（3.7）和第二补偿板（3.8）平行安装于分光镜（3.6）两侧用于补偿各种波长之间光程差；

所述迈克尔逊干涉仪（3）的动镜驱动装置（3.5）由控制系统（9）控制；

该方法包括以下步骤：

1）设置迈克尔逊干涉仪零光程差：

动镜驱动装置控制活动臂定位，使得第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜以分光镜的中心面成对称关系；

2）参数设置和调试：

    在零光程差位置，控制系统将接收到的两路模拟电信号分别转换成两幅数字图像信号，并将两幅数字图像信号融合成红外图像；连续获取若干帧图像，并采用目标提取算法，获取每帧红外图像中目标的位置并估算出目标的移动速度；根据目标移动的速度调整活动臂移动的最大距离以及最终输出的超光谱图像的窗口大小；

3）图像数据采集：

以零光程差位置为起始点，控制活动臂向右移动，设置移动步长d，至活动臂移动到最右端位置结束，为一个周期；在一个周期内，每移动一次，控制系统采集一次信号，将接收到的两路模拟电信号分别转换成两幅数字图像信号，将两幅数字图像信号融合成红外图像并保存；

4）超光谱成像：

对步骤3）这一周期内获取的一系列红外图像对应步骤2）设置的窗口内每个像素位置的数据进行傅里叶变换，得到每个像素位置对应的超光谱成像，最终得到窗口内目标的超光谱立方图像。

2.根据权利要求1所述的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：在所有步骤中，增加制冷机，对两个中波面阵红外探测器制冷，使其工作在低温稳定的环境中。

3.根据权利要求1或2所述的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：所述活动臂的移动步长d小于或等于250nm。

4.根据权利要求1或2所述的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：所述步骤2）中，目标的移动速度越快，活动臂的最大移动距离越小，超光谱图像的窗口越小。

5.根据权利要求1或2所述的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：所述步骤3）设目标辐射的光信号经过第一光学望远系统后的光信号为I ₁ ，背景辐射的光信号经过第二光学望远系统后的光信号为I ₂ ；信号的采集过程如下：

I ₁ 经过分光镜后被分为两束光分别为I ₁₁ 和I ₁₂ ，I ₂ 经过分光镜后被分为两束光分别为I ₂₁ 和I ₂₂ ，其中I ₁₁ 和I ₁₂ 的光程差为2dn，I ₂₁ 和I ₂₂ 的光程差也为2dn，n为活动臂向右移动的次数；两个补偿板用于补偿各种波长之间光程差；

I ₁₁ 和I ₁₂ 分别经过第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜反射后再次回到分光镜，经过分光，最终输出两束干涉光O ₁₁和O ₁₂；I ₂₁ 和I ₂₂ 分别经过第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜反射后再次经过分光镜分光，最终输出两束干涉光O ₂₁和O ₂₂；

O ₁₁和O ₂₁叠加后经过第一聚焦透镜聚焦，由第一中波面阵红外探测器接收；O ₁₂和O ₂₂叠加后经过第二聚焦透镜聚焦，由第二中波面阵红外探测器接收；两个中波面阵红外探测器将接收到的光信号转换为模拟电信号并传输给控制系统。