CN103792005A - 宽谱段二维色散高速成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种宽谱段二维色散高速成像光谱仪包含一个望远镜、一个色散系统、一个成像镜头、一个面阵探测器、和数据处理系统；色散系统包括三个棱镜(即第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜)；第一棱镜主要对近红外波段沿竖直方向进行色散；第二棱镜主要对中波红外波段沿水平方向进行色散；第三棱镜对近红外至中波红外波段沿与竖直方向夹角为ω的方向进行色散；第三棱镜主要用于控制第一棱镜和第二棱镜所引起的光束偏转以及畸变放大率。这种二维色散成像光谱仪结构采用无源凝视模式，可获得二维色散图、被测目标的光谱-时间特征，可得到目标的空间位置和光谱成分。这种成像光谱仪可对多个目标进行实时探测与定位，具有宽光谱范围、高定位精度、高时间分辨率、无运动部件、结构紧凑、体积小等优点，适用于对光谱特征和空间位置快速变化的目标进行实时探测、定位与识别。

Description

宽谱段二维色散高速成像光谱仪

技术领域

本发明涉及一种成像光谱仪，具体涉及一种应用于对光谱特征和空间位置快速变化的目标进行实时探测、定位与识别的宽谱段二维色散高速成像光谱仪。

背景技术

空间探测是现代空间信息获取的重要途径，空间成像技术是目前空间信息获取和保障的主要技术手段，而光谱成像技术则是空间成像技术中的前沿技术。

传统的光谱成像技术均是利用扫描技术获取二维空间信息和一维光谱信息的数据立方体：要么把光谱成分分散在一个二维的面上并通过按时间扫描构成图像(例如色散成像光谱仪和空间调制成像光谱仪)，要么获取全帧图像并按时间扫遍光谱成分(例如傅里叶变换成像光谱仪，法布里-珀罗、声光可调滤光片成像光谱仪)。

传统的光谱成像技术适用于空间位置不发生变化的静态目标的探测，可以很好地探测空间位置已知的目标，但当一个目标的空间位置与发生时间均未知时，必须在整个视场范围内进行快速扫描以获取目标特征，则任何一个给定像素的积分时间受到限制、探测器噪声将湮没信号，从而使仪器的信噪比大大降低。另一方面，当目标光谱特征随时间快速变化时，由于传统的光谱成像技术是利用扫描技术获取空间信息和光谱信息，则传统的光谱成像技术无法对光谱特征快速变化的目标进行实时探测与识别。

总之，传统的光谱成像技术不适用于对空间位置和光谱特征快速变化的目标(如爆炸、快速燃烧等)进行实时探测、定位与识别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽谱段二维色散高速成像光谱仪，其解决了背景技术中对光谱特征和空间位置快速变化目标进行实时探测、定位与识别的技术问题。宽谱段二维色散高速成像光谱仪是一种采用新原理的光谱成像技术，它采用无源凝视模式，可获得二维色散图、对目标进行实时定位，并记录下被测目标的光谱-时间特征，从而将目标识别并分类。宽谱段二维色散高速成像光谱仪可对多个目标进行实时探测与定位，并具有宽光谱范围、高定位精度、高时间分辨率、无运动部件、结构紧凑、体积小等优点。

本发明的技术解决方案是：

一种宽谱段二维色散高速成像光谱仪，包括设置在入射光束光路上的一个望远镜；还包括设置在上述望远镜出射光束光路上的一个色散系统；还包括设置在上述色散系统出射光束光路上的一个成像镜头；还包括面阵探测器、以及数据处理系统；

其特征在于：

所述的色散系统包括三个棱镜；所述的第一棱镜为一个主要对近红外波段沿竖直方向进行色散的棱镜；所述的第一棱镜对中波红外波段色散较小；所述的第二棱镜为一个主要对中波红外波段沿水平方向进行色散的棱镜；所述的第二棱镜对近红外波段色散较小；所述的第三棱镜为一个对近红外至中波红外波段沿与竖直方向夹角为ω的方向进行色散的棱镜；所述的第三棱镜主要用于控制第一棱镜和第二棱镜所引起的光束偏转以及畸变放大率。

上述的宽谱段二维色散高速成像光谱仪可为：所述的第一棱镜的材料为硫化锌(ZnS)或硒化锌(ZnSe)；所述的第二棱镜的材料为蓝宝石(Al₂O₃)；所述的第三棱镜的材料为氟化钙(CaF₂)；所述的面阵探测器为InSb探测器。

本发明的优点在于：

1.可同时对多个目标进行实时探测、定位，只需一帧数据即可确定多个目标的位置。

2.宽光谱范围(1.0-5.5μm)。

3.高定位精度，可获得亚像素定位精度。

4.高时间分辨率，因该二维色散成像光谱仪采用无源凝视模式。

5.无运动部件。

6.结构紧凑，体积小，重量轻。

7.不进行传统意义上的成像，不依赖于被测目标的空间特性，其孔径尺寸不受空间分辨率要求的限制，可使仪器体积小，同时可提高仪器的信噪比。

附图说明

图1为本发明结构原理示意图。

图2为硒化锌(ZnSe)、蓝宝石(Al₂O₃)、氟化钙(CaF₂)在近红外至中波红外波段的色散曲线。

图3为该宽谱段二维色散高速成像光谱仪可获得的二维色散图。

图4为二维色散图与非色散成像位置(NDIL)之间的关系图。

图5为同时探测两个目标时，一帧数据中两个目标的二维色散图。

图6为同时探测三个目标时，一帧数据中三个目标的二维色散图。

具体实施方式

宽谱段二维色散高速成像光谱仪包含一个望远镜、一个色散系统、一个成像镜头、一个面阵探测器、和数据处理系统；色散系统包括三个棱镜(即第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜，如图1所示)；第一棱镜主要对近红外波段沿竖直方向进行色散；第二棱镜主要对中波红外波段沿水平方向进行色散；第三棱镜对近红外至中波红外波段沿与竖直方向夹角为ω的方向进行色散；第三棱镜主要用于控制第一棱镜和第二棱镜所引起的光束偏转以及畸变放大率。

实施方式1：第一棱镜的材料为硒化锌(ZnSe)；第二棱镜的材料为蓝宝石(Al₂O₃)；第三棱镜的材料为氟化钙(CaF₂)；面阵探测器为InSb探测器。

实施方式2：第一棱镜的材料为硫化锌(ZnS)；第二棱镜的材料为蓝宝石(Al₂O₃)；第三棱镜的材料为氟化钙(CaF₂)；面阵探测器为InSb探测器。

对于上述任何一种实施方式，被测目标发出的辐射光谱经望远镜收集并转化为平行光束，该平行光束经色散系统色散后、由成像镜头成像在面阵探测器上，这些色散波长成像位置形成一个二维色散图，参见图3，同时记录下各个波长在探测器上所成像点的强度值，可得到被测目标的光谱-时间特征；尔后由数据处理系统进行相关数据处理，可得到目标的空间位置和光谱成分，从而达到对目标进行实时探测、定位与识别。

当被测目标发出的辐射光谱经过色散系统时，第一棱镜主要对近红外波段沿竖直方向进行色散、对中波红外波段色散较小；第二棱镜主要对中波红外波段沿水平方向进行色散、对近红外波段色散较小；第三棱镜对近红外至中波红外波段进行色散、其色散方向与竖直方向夹角为ω；第三棱镜主要用于控制第一棱镜和第二棱镜所引起的光束偏转以及畸变放大率。

假设α为第一棱镜的顶角，β为第二棱镜的顶角，γ为第三棱镜的顶角；n₁(λ_i)为第一棱镜对波长λ_i的折射率，n2(λ_i)为第二棱镜对波长λ_i的折射率，n₃(λ_i)为第三棱镜对波长λ_i的折射率；f为成像镜头的焦距；φ为望远镜出射光束与光轴在子午面内的夹角，

为望远镜出射光束与光轴在弧矢面内的夹角。

在面阵探测器上，色散波长成像位置的y轴坐标为

$y\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=f\frac{\mathrm{\ψ}-\cos \mathrm{\ω}\tan \mathrm{\γ}\sqrt{{1-\mathrm{\ψ}}^2}}{\mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\ω}\tan \mathrm{\γ}+\sqrt{1-{\mathrm{\ψ}}^2}}---\left(1\right)$

其中

$\mathrm{\ψ}=n_3\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\left(\frac{\cos \mathrm{\ω}\sin \mathrm{\γ}\sqrt{1-{\mathrm{\ψ}}_1^2}-{\mathrm{\ψ}}_1\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\γ}+{\cos }^2\mathrm{\ω}{\sin }^2\mathrm{\γ}}}\right)---\left(2\right)$

${\mathrm{\ψ}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2\cos \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\α}\sqrt{1-{\mathrm{\ψ}}_2^2}}{n_3\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ψ}}_2=\sin \mathrm{\α}\sqrt{n_1^2\left({\mathrm{\λ}}_i\right)-{\sin }^2\mathrm{\φ}}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\φ}---\left(4\right)$

在面阵探测器上，色散波长成像位置的x轴坐标为

$x\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=f\frac{\sin \mathrm{\ω}\tan \mathrm{\γ}\sqrt{1-k^2}-k}{\sqrt{1-k^2}+k\sin \mathrm{\ω}\tan \mathrm{\γ}}---\left(5\right)$

其中

$k=n_3\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\left(\frac{\sin \mathrm{\ω}\sin \mathrm{\γ}\sqrt{1-k_1^2}-k_1\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\γ}+{\sin }^2\mathrm{\ω}{\sin }^2\mathrm{\γ}}}\right)---\left(6\right)$

$k_1=\frac{k_2\cos \mathrm{\β}-\sin \mathrm{\β}\sqrt{1-k_2^2}}{n_3\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}---\left(7\right)$

当本发明提供的二维色散高速成像光谱仪结构中去掉色散系统时，目标的成像位置被称为非色散成像位置(NDIL)。对于同一个目标，每一个非色散成像位置(NDIL)对应于一个目标位置。

非色散成像位置(NDIL)的y轴坐标为

y₀＝f tan φ                (9)

非色散成像位置(NDIL)的x轴坐标为

二维色散图与非色散成像位置(NDIL)之间的关系如图4所示。

对于同一个宽谱段二维色散高速成像光谱仪，二维色散图与非色散成像位置(NDIL)之间的相对位置关系是固定不变的，参见图4、图5和图6。由于对于同一个目标，每一个非色散成像位置(NDIL)对应于一个目标位置，因此，对于同一个目标，每一个二维色散图位置对应于一个目标位置。

只有一个被测目标时，每帧数据只得到一个二维色散图；有两个被测目标(即Target1、Target2)时，每帧数据得到两个二维色散图，参见图5；有三个被测目标(即Target1、Target2、Target3)时，每帧数据得到三个二维色散图，参见图6。总之，宽谱段二维色散高速成像光谱仪只需一帧数据即可确定多个目标的位置。

因为对于同一个宽谱段二维色散高速成像光谱仪，二维色散图与非色散成像位置(NDIL)之间的位置关系是固定不变的，通过仪器校准可以得到一个二维色散图模板。将此二维色散图模板与被测目标的二维色散图进行比对与匹配，即可估算被测目标的位置。

被测目标的位置估算可由以下卷积式完成

$c_{m,n}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{d}_{i,j}{t}_{i-m,j-n}---\left(11\right)$

式中c为卷积图像数据，d为测量二维色散图数据，t为通过仪器校准得到的二维色散图模板。

被测目标的光谱特征提取可由下式完成

e＝U^-1d               (12)

式中e为光谱特征向量，U为二维色散高速成像光谱仪的光学系统的系统传递函数矩阵，d为测量二维色散图数据构成的向量。

Claims (2)

1.一种宽谱段二维色散高速成像光谱仪，包括设置在入射光束光路上的一个望远镜；还包括设置在上述望远镜出射光束光路上的一个色散系统；还包括设置在上述色散系统出射光束光路上的一个成像镜头；还包括面阵探测器、以及数据处理系统；

其特征在于：

所述的色散系统包括三个棱镜(即第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜)；所述的第一棱镜为一个主要对近红外波段沿竖直方向进行色散的棱镜；所述的第一棱镜对中波红外波段色散较小；所述的第二棱镜为一个主要对中波红外波段沿水平方向进行色散的棱镜；所述的第二棱镜对近红外波段色散较小；所述的第三棱镜为一个对近红外至中波红外波段沿与竖直方向夹角为ω的方向进行色散的棱镜；所述的第三棱镜主要用于控制第一棱镜和第二棱镜所引起的光束偏转以及畸变放大率。

2.根据权利要求1所述的宽谱段二维色散高速成像光谱仪，其特征在于：所述的第一棱镜的材料为硫化锌(ZnS)或硒化锌(ZnSe)；所述的第二棱镜的材料为蓝宝石(Al₂O₃)；所述的第三棱镜的材料为氟化钙(CaF₂)；所述的面阵探测器为InSb探测器。

Images