CN103389160A - 推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置 - Google Patents

Abstract

推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置涉及光谱定标领域，该装置包括光源系统（1）、单色仪（2）、准直系统（3）和视场扫描系统（4）；光源系统（1）发出的光经单色仪（2）转换成单色光，再经准直系统（3）变为平行光，最后经视场扫描系统（4）折转不同角度后，由待定标成像光谱仪接收。本发明可以为待定标成像光谱仪提供不同视场角的平行光，以满足推扫式成像光谱仪全视场的光谱定标需要。本发明特别适用于在可见光及红外波段的色散型成像光谱仪的全视场光谱定标。

Description

推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置

技术领域

本发明涉及光谱定标技术领域，具体涉及一种推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置，它特别适用于在可见光及红外波段的色散型成像光谱仪的全视场光谱定标。

背景技术

成像光谱仪可同时获得探测物体的空间图像信息和光谱曲线信息，在化工、冶金、军事、科研、天文等领域都有着重要的应用，从国内外航空航天成像光谱仪的现状来看，推扫式色散分光型成像光谱仪成像光谱处于相对优势地位，成像光谱仪的性能在应用的过程中，会受到如天气、环境等很多外界影响而发生变化造成测量数据不准，测量数据也需要通过光谱定标的结果进行分析，最终实现判别成像地物目标特征的目的，随着对成像光谱仪图像分析能力要求的不断提高，必然对成像光谱仪的定标有着更高的要求。

成像光谱仪光谱定标的精度在很大程度上依赖于定标所用的谱线数量的多少，谱线数量太少可能会使定标误差较大，目前，成像光谱仪光谱定标系统基本上都采用单色仪和平行光管的组合，用此类光谱定标装置只能选取成像光谱仪的几个不同视场进行定标，不但耗时耗力，且不能清楚全面校准成像光谱仪的特性。总而言之，为达到对推扫型成像光谱仪全视场光谱定标的目的，现有的一些光谱定标装置已不能满足需求。

发明内容

为了解决现有推扫型成像光谱仪定标装置存在的不能进行全视场定标，耗时耗力且不能清楚全面校准成像光谱仪的技术问题，本发明提供一种推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置包括：光源系统、单色仪、准直系统和视场扫描系统；所述光源系统包括第一球面镜、第一平面镜、第二平面镜、第一灯具支架、第二灯具支架、第一光源和第二光源，第一光源安装在第一灯具支架上，第二光源安装在第二灯具支架上，第二光源用于对单色仪定标；所述准直系统包括第二球面镜和第三平面镜；第一光源发出的光先后经第一平面镜反射和第一球面镜准直后，入射到单色仪，经过单色仪后出射一束指定波长的单色光，该单色光经过第二球面镜准直后变为平行光出射，再经过第三平面镜反射后入射到视场扫描系统，由视场扫描系统折转光线到待定标的成像光谱仪，待定标的成像光谱仪接收到视场扫描系统提供的一个指定视场的平行光后，单色仪以一定步长连续出射单色光，光在待定标成像光谱仪的探测器的光谱维方向色散，成像光谱仪的CCD对光线进行响应，记录光谱响应值，完成该指定视场的光谱定标；然后，控制视场扫描系统为待定标成像光谱仪提供不同视场的平行光，进而完成全视场的光谱定标。

上述视场扫描系统包括折转镜、第一滑动导轨、第一直线电机、第二直线电机、第二滑动导轨、第二滑块、第一滑块、转动轴、弹簧、挡片、固定螺丝第一丝杠、第二丝杠、连接杆；折转镜与转动轴连接，转动轴与连接杆相连，连接杆与挡片相连，第二直线电机与第二丝杠相连，第二丝杠在第二滑动导轨上并与第二滑块相连接，第二滑块在第二滑动导轨上滑动，弹簧与固定螺丝和连接杆相连，第一直线电机与第一丝杠相连，第一丝杠在第一滑动导轨上并与第一滑块相连，第一滑块在第一滑动导轨上自由滑动。

本发明的光谱定标装置工作原理是：定标过程中，首先选择某一特定视场，即折转镜的转动角度，光源发出的光经过单色仪后出射某一波长的单色光，它的光束宽度要求可以充满成像光谱仪的瞬时视场，单色光经过第二球面镜准直后出射平行光经第三平面镜反射，由折转镜折转光线到待定标成像光谱仪，待定标成像光谱仪接收到折转镜提供的某一视场的平行光后，由计算机控制单色仪扫描电机带动光栅转动，单色仪会以一定步长连续出射单色光，光在探测器的光谱维方向色散，成像光谱仪的CCD对光线进行响应，记录光谱响应值，即可完成全通道的光谱定标，然后通过计算机控制折转镜的转动和滑动可以为待定标成像光谱仪提供不同视场的平行光，在折转镜的每个特定入射角度下单色仪进行扫描，这样，同一视场下不同波长的光谱像分布在探测器同一列像元上，单一波长的全视场狭缝像分布在探测器同一行像元上，记录探测器的响应值，经过拟合后，就可以测定系统的光谱响应函数，即可完成对待定标成像光谱仪的全视场的光谱定标。

本发明的有益效果是：用球面镜提供平行光，与使用两个电机带动的折转镜结合，可以为待定标成像光谱仪提供不同视场的平行光，满足对推扫式成像光谱仪全视场光谱进行定标的需要。

附图说明

图1是本发明推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置的结构示意图。

图2是本发明中的视场扫描系统的俯视结构示意图。

图3是本发明中的视场扫描系统的正视结构示意图。

图4是本发明中的视场扫描系统的后视结构示意图。

图5是本发明中的视场扫描系统的左视结构示意图。

图6是本发明中的视场扫描系统的右视结构示意图。

图中：1-光源系统，11-第一球面镜，12-第一平面镜，13-第二平面镜，14-第一灯具支架，15-第二灯具支架；2-单色仪；3-准直系统，31-第二球面镜，32-第三平面镜；4-视场扫描系统，41-折转镜，42-第一滑动导轨，43-第一直线电机，44-第二直线电机，45-第二滑动导轨，46-第二滑块，47-第一滑块，48-转动轴，49-弹簧、410-挡片、411-固定螺丝，412-第一丝杠，413-第二丝杠，414连接杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1至图6所示，本发明的推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置包括：光源系统1、单色仪2、准直系统3和视场扫描系统4。所述光源系统1包括第一球面镜11、第一平面镜12、第二平面镜13、第一灯具支架14、第二灯具支架15、第一光源和第二光源，第一光源安装在第一灯具支架14上，第二光源安装在第二灯具支架15上，第二光源用于对单色仪2定标。所述准直系统3包括第二球面镜31和第三平面镜32。所述视场扫描系统4包括折转镜41、第一滑动导轨42、第一直线电机43、第二直线电机44、第二滑动导轨45、第二滑块46、第一滑块47、转动轴48、弹簧49、挡片410、固定螺丝411、第一丝杠412、第二丝杠413、连接杆414；折转镜41与转动轴48连接，转动轴48与连接杆414相连，连接杆414与挡片47相连，第二直线电机44与第二丝杠412相连，第二丝杠412在第二滑动导轨45上并与第二滑块46相连接，第二滑块46可以在第二滑动导轨45上滑动，弹簧49与固定螺丝411和连接杆414相连，第一直线电机43与第一丝杠413相连，第一丝杠413在第一滑动导轨42上并与第一滑块47相连，第一滑块47可以在第一滑动导轨42上自由滑动。首先，通过控制视场扫描系统4使折转镜41固定在某一角度，将第一光源安置在第一灯具支架14上，第二光源安置在第二灯具支架15上。第一光源的发光光谱范围涵盖待定标成像光谱仪的工作谱宽，在可见和短波红外波段，采用卤钨灯作为第一光源，卤钨灯光谱范围为300nm-2500nm；第二光源用来对单色仪2定标，采用汞灯作为第二光源。首先要利用汞灯的特征光谱404.7nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm和871.6nm对单色仪2进行定标，点亮汞灯（即第二光源），控制单色仪2至零级光位置，从第二光源发出的光先后经第二平面镜13和第一球面镜11后，入射到单色仪2，单色仪2将第二光源发出的光转换成单色光，单色光经过第二球面镜31后变为平行光，再经过第三平面镜32的折转到达折转镜41，待定标成像光谱仪接收到信号后，控制单色仪2进行波长扫描，由成像光谱仪的CCD作为接收器对单色仪2出射的光进行响应，记录CCD对汞灯特征光谱有响应时单色仪2的步进数，从而得到单色仪2的步进数与出射光波长之间的关系，将此关系输入到计算机便可计算出单色仪2在不同位置输出的单色光波长。

熄灭汞灯，点亮第一光源，从第一光源发出的光先后经第一平面镜12和第一球面镜11后，入射到单色仪2，单色仪2将第一光源发出的光转换成单色光，单色光经过第二球面镜31后变为平行光，再经过第三平面镜32反射到达折转镜41，待定标成像光谱仪接收到信号，由于单色仪2的扫描，光在成像光谱仪CCD上的位置也是不断变化的，由计算机可以实时得到入射光在成像光谱仪上的响应位置，并监视此位置坐标，即成像光谱仪像素点坐标，记录该像素点对单色仪出射不同波长的响应值，即光谱响应值，扫描完成后，折转镜41在第一直线电机43的带动下在第一滑动导轨42上滑动，第二直线电机44推动第二滑动导轨45上的滑块46，从而带动与折转镜41相连接的挡片410运动，即推动折转镜41转动，变换光线到另一固定入射视场角，单色仪2再进行扫描，重复上述步骤即可完成全视场的光谱定标。采用板卡PCI9111实现对第一直线电机43和第二直线电机44的智能化控制，成像光谱仪探测系统的测量结果由计算机进行计算处理并显示。

第一球面镜11可以为自行设计加工，形状为方形，边长为3cm，面形要求为1/2波长；第一平面镜12可以为自行设计加工，形状为方形，边长为1.5cm，面形要求为1/2波长；第二平面镜13可以为自行设计加工，形状为方形，边长为1.5cm，面形要求为1/2波长。

单色仪2可以为自行研制，波段范围为400-1100nm，扫描步长为0.025nm，焦距为400nm，波长准确度为0.1nm，产生0.1nm光谱分辨率的单色光。

第二球面镜31可以为自行设计加工，焦距为120cm，形状为方形，边长为3.5cm，面形要求为1/2波长；第三平面镜32可以为自行设计加工，形状为方形，边长为3.5cm，面形要求为1/2波长。它将从单色仪2出射的单色光变为准直光后，又将光线折转到折转镜41上。

折转镜41为平面镜，可以为自行设计加工，形状为方形，边长为2.5cm，面形要求为1/2波长，转动范围为20°；第一滑动导轨42长度为190mm，第二滑动导轨45长度为55mm；第一直线电机43为外部驱动式直线步进电机，步距角为0.9°，步长为0.001524mm；第二直线电机44为外部驱动式直线步进电机，步距角为1.8°，步长为0.001524mm。视场扫描系统4可以将光线以任意角度入射到待定标成像光谱仪上，以达到对成像光谱仪全视场光谱定标的目的。

如上所述，推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置产生单色光后，经球面镜准直，再经折转镜折转光路后进入到待定标成像光谱仪中，实现成像光谱仪全通道、全视场的光谱定标。

Claims (3)

1.推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置，其特征在于，该装置包括光源系统（1）、单色仪（2）、准直系统（3）和视场扫描系统（4）；所述光源系统（1）包括第一球面镜（11）、第一平面镜（12）、第二平面镜（13）、第一灯具支架（14）、第二灯具支架（15）、第一光源和第二光源，第一光源安装在第一灯具支架（14）上，第二光源安装在第二灯具支架（15）上，第二光源用于对单色仪（2）定标；所述准直系统（3）包括第二球面镜（31）和第三平面镜（32）；第一光源发出的光先后经第一平面镜（12）反射和第一球面镜（11）准直后，入射到单色仪（2），经过单色仪（2）后出射一束指定波长的单色光，该单色光经过第二球面镜（31）准直后变为平行光出射，再经过第三平面镜（32）反射后入射到视场扫描系统（4），由视场扫描系统（4）折转光线到待定标的成像光谱仪，待定标的成像光谱仪接收到视场扫描系统（4）提供的一个指定视场的平行光后，单色仪以一定步长连续出射单色光，光在待定标成像光谱仪的探测器的光谱维方向色散，成像光谱仪的CCD对光线进行响应，记录光谱响应值，完成该指定视场的光谱定标；然后，控制视场扫描系统（4）为待定标成像光谱仪提供不同视场的平行光，进而完成全视场的光谱定标。

2.如权利要求1所述的推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置，其特征在于，所述视场扫描系统（4）包括折转镜（41）、第一滑动导轨（42）、第一直线电机（43）、第二直线电机（44）、第二滑动导轨（45）、第二滑块（46）、第一滑块（47）、转动轴（48）、弹簧（49）、挡片（410）、固定螺丝（411）、第一丝杠（412）、第二丝杠（413）、连接杆（414）；折转镜（41）与转动轴（48）连接，转动轴（48）与连接杆（414）相连，连接杆（414）与挡片（47）相连，第二直线电机（44）与第二丝杠（412）相连，第二丝杠（412）在第二滑动导轨（45）上并与第二滑块（46）相连接，第二滑块（46）在第二滑动导轨（45）上滑动，弹簧（49）与固定螺丝（411）和连接杆（414）相连，第一直线电机（43）与第一丝杠（413）相连，第一丝杠（413）在第一滑动导轨（42）上并与第一滑块（47）相连，第一滑块（47）在第一滑动导轨（42）上自由滑动。

3.如权利要求2所述的推扫式成像光谱仪全视场光谱定标装置，其特征在于，所述第二光源用于对单色仪（2）定标的过程包括如下步骤：从第二光源发出的光先后经第二平面镜（13）和第一球面镜（11）后，入射到单色仪（2），单色仪（2）将第二光源发出的光转换成单色光，单色光经过第二球面镜（31）后变为平行光，再经过第三平面镜（32）的折转到达折转镜（41），待定标的成像光谱仪接收到信号后，单色仪（2）进行波长扫描，由成像光谱仪的CCD作为接收器对单色仪（2）出射的光进行响应，记录CCD对第二光源特征光谱有响应时单色仪（2）的步进数，从而得到单色仪（2）的步进数与出射光的波长之间的关系，计算机根据此关系即可算出单色仪（2）在不同位置输出的单色光波长，进而完成对单色仪（2）的定标。

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