CN103913232A - 基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，涉及成像光谱探测技术领域，为解决现有时间调制干涉成像光谱技术中稳定性不强与空间调制干涉成像光谱技术中光通量不高的技术问题，包括前置成像系统、分束器、平面反射镜、多级微反射镜、后置成像系统和面阵探测器；目标光束经前置成像系统入射至分束器分成两束光，一束光经分束器反射至平面反射镜上成像为第一像点，另一束光经分束器透射至多级阶梯微反射镜某个阶梯反射面成像为第二像点；所述第一像点和第二像点发出的光分别经分束器透射和反射后入射至后置成像系统成像，所述焦平面探测器接收成像信息；本发明具有稳定性好、可靠性强、光通量大、信噪比高的特点。

Description

基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪

技术领域

本发明涉及成像光谱探测技术领域，涉及一种成像光谱仪器，具体的说是涉及一种以基于多级微反射镜的干涉系统为核心的静态大孔径时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪器。

背景技术

成像光谱技术为成像技术与光谱技术的有机结合，是近年来发展比较迅速的一项融光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一体的高新科技。成像光谱仪作为在成像光谱技术的基础上发展起来的新一代光学遥感器，既可获取目标的图像信息，又可从获得的光谱图像数据中得出物质的光谱特征，从而揭示各种目标的光谱特性、存在状况以及物质成份。成像光谱仪的光学系统一般由望远系统和光谱仪系统组成，在其成像焦平面上用面阵列探测器采集数据，航天器沿飞行轨迹方向推扫成像。经典的成像光谱仪主要是棱镜色散和光栅色散型成像光谱仪，新型的成像光谱仪主要是傅里叶变换成像光谱仪。

傅里叶变换成像光谱仪根据其干涉图调制方式的不同，主要有时间调制傅里叶变换成像光谱仪和空间调制傅里叶变换成像光谱仪。时间调制型傅里叶变换成像光谱仪通过一个定镜和一个动镜扫描对干涉级次进行时间调制，经过一个扫描周期之后，每一个像素就可以获得一个完整的光谱。时间调制型傅里叶变换成像光谱仪由于需要一套高精度的动镜驱动系统，对扰动比较敏感，对机械扫描精度要求也高，从而降低了仪器的稳定性和可靠性。而对于空间调制傅里叶变换成像光谱仪，其目标的狭缝像在与狭缝像垂直的方向上展开为各个干涉级次的干涉图，从而每一行与狭缝垂直方向的像素就可以获得狭缝上每一点的光谱信息。空间调制傅里叶变换成像光谱仪由于需要一个约束目标空间分辨率的狭缝，从而限制了系统的光通量，降低了系统的信噪比。

本发明提出的基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，是一种在成像系统中加入改进迈克尔逊干涉仪的成像光谱仪器，由于取消了时间调制型傅里叶变换成像光谱仪的动镜驱动系统和空间调制型傅里叶变换成像光谱仪中的狭缝，因此具有稳定性好、可靠性强、光通量大、信噪比高等优点。

发明内容

本发明为解决现有时间调制干涉成像光谱技术中稳定性不强与空间调制干涉成像光谱技术中光通量不高的技术问题，提供一种基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪。

基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，包括前置成像系统、分束器、平面反射镜、多级微反射镜、后置成像系统和面阵探测器；目标光束经前置成像系统入射至分束器分成两束光，一束光经分束器反射至平面反射镜上成像为第一像点，另一束光经分束器透射至多级阶梯微反射镜某个阶梯反射面成像为第二像点；所述第一像点和第二像点发出的光分别经分束器透射和反射后入射至后置成像系统成像，所述焦平面探测器接收成像信息；

设定多级微反射镜的阶梯步长为d，阶梯宽度为a，阶梯长度为L，则多级微反射镜的第n级阶梯面与平面反射镜之间的距离为nd，实像点A1与虚像点A2之间的光程差为2nd；

设定系统的光谱带宽为BW，系统的光谱分辨率为Δν，则根据采样定理，多级微反射镜的阶梯步长d与总的阶梯级数N应分别满足如下公式

$d\≤\frac{1}{4\mathrm{BW}},N\≥\frac{2\mathrm{BW}}{\mathrm{\Δv}}.$

本发明的有益效果：本发明的基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，干涉系统采用多级微反射镜对光程差进行调制，避免了时间调制干涉系统中高精度的动镜驱动系统的制作与控制困难，静态结构增加了系统的稳定性与可靠性，延长了了系统的使用寿命；并且由于多级微反射镜对光程差同步采样，提高了系统的实时性。

本发明的基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，利用多级微反射镜和平面镜接收前置成像系统所成的目标像，取消了空间调制干涉成像光谱仪中的狭缝，大的相对孔径增加了系统的光通量，提高了系统的信噪比。

附图说明

图1是本发明的基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪原理结构图；

图2是图1中所示具体实施方式中的前置光学系统像方远心光路示意图；

图3是图1中所示具体实施方式中的平面镜与第n个阶梯镜所对应的一次成像过程示意图；

图4是图1中所示具体实施方式中的多级微反射镜的立体图；

图5是图1中所示具体实施方式中的后置成像系统双远心光路示意图；

图6是图1中所示具体实施方式中的平面镜与第n个阶梯镜所对应的二次成像过程示意图；

图7是图1中所示具体实施方式中的面阵探测器上的成像示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图7说明本实施方式，基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，包括前置成像系统1、分束器2、平面反射镜3、多级微反射镜4、后置成像系统5和面阵探测器6。前置成像系统1对来自目标的入射光束进行成像，分束器2将成像光束分为强度相等的两束相干光，一束光被分束器反射后成像到平面反射镜3上，另一束光透过分束器成像到多级微反射镜4附近。由于这两个像点来自于同一个目标，因此是相干的。它们作为两个相干物点，其出射光束分别被平面反射镜3和多级微反射镜4反射后在分束器2上相遇，经过后置成像系统5，成像于面阵探测器6同一位置的两个二次像点发生干涉。多级微反射镜4的结构引起两个一次像点之间的光程差变化，再次成像干涉后，干涉像点携带有一定的位相差信息。来自不同视场的光束，成像在多级微反射镜4的不同阶梯附近，而不同的阶梯引起不同的光程差变化，从而导致不同视场的干涉像点具有不同的干涉级次。因此，探测器6像面上沿阶梯方向形成同一干涉级次的干涉像点，垂直于阶梯方向形成不同干涉级次干涉像点，结合图1，将成像光谱仪沿垂直于阶梯的方向做推扫，每次步进一个阶梯宽度，每次步进记录一帧干涉图像。将所记录的图像剪切为不同干涉级次的图像单元，将同一级次的图像单元按时间顺序进行拼接，就可以获得一幅图像；将同一目标的图像单元按级次顺序进行拼接，就可以获得同一物点不同级次的干涉图像，对其做傅里叶变换可以得到这一物点的光谱信息。

本实施方式所述的分束器2由分束板与补偿板构成，位于前置成像系统1的像方成像光路中。平面反射镜3和多级微反射镜4的零级阶梯均位于前置成像系统1的像方焦面上，接收并反射经前置成像系统1出射的成像光束；多级微反射镜4的其余级阶梯位于前置成像系统的像方焦面附近，接收并反射经前置成像系统出射的成像光束，并且实现两成像光束光程差的调制。所述多级微反射镜4的阶梯高度决定了被分束器分开的两成像光束的光程差的采样间隔，多级微反射镜的阶梯级数决定了被分束器分开的两成像光束的光程差的采样长度。所述平面反射镜3和探测器6分别位于后置成像系统5的共轭位置。

本实施方式所述的前置成像1为一次成像系统，其将被探目标成像到平面镜上和多级微反射镜附近，从而得到两个相干像点。为了保证每一个阶梯面所对应的相干像点具有恒定的光程差，会聚于每一个阶梯上的成像光束的主光线必须垂直于每一个阶梯面。因此，前置成像系统采用像方远心光路结构。具体结合图2说明，前置成像系统1由前置成像系统的前组透镜1-1和前置成像系统的后组透镜1-2组成，其中后组透镜1-2的物方焦距为f，令后组透镜1-2的前焦点位于前组透镜1-1上，在光学系统的物方焦点处放置光阑1-3，前组透镜1-1也就是光阑位置，使得像方的出射光瞳位于无限远，从而轴外光束的主光线与光轴平行，与像面垂直，形成像方远心光路。

本实施方式所述的分束器2位于前置成像系统1的像方成像光路中，将成像光束分为强度相等的两束相干光，从而得到两个相干像点。平面反射镜3与多级微反射镜4的第零级阶梯分别位于前置成像系统的像方焦面及像方焦面相对于分束器的镜像位置处，平面反射镜3与多级微反射镜4的n级阶梯所对应的成像过程，结合图3，从两个相干像点成像过程的实质来看，其中一个像点成像于平面反射镜3上，是一个实像点A1；而另一个像点则成像于平面反射镜3相对于多级微反射镜4的镜像位置7，是一个虚像点A2。因此，虚像面是平面反射镜3的实像面关于多级微反射镜4的镜像平面7。

结合图4说明本实施方式，设定多级微反射镜4的阶梯步长4-1为d，阶梯宽度4-2为a，阶梯长度4-3为L，则多级微反射镜4的第n级阶梯与平面反射镜3之间的距离为nd，实像点A1与虚像点A2之间的光程差为2nd。设系统的光谱带宽为BW，系统的光谱分辨率为Δν，则根据采样定理，多级微反射镜4的阶梯步长d与阶梯级数N应分别满足如下关系

$d\≤\frac{1}{4\mathrm{BW}}---\left(1\right)$

$N\≥\frac{2\mathrm{BW}}{\mathrm{\Δv}}---\left(2\right)$

设前置成像系统1的像方焦距为f′，作用距离为H，地面像元分辨率为GSD，面阵探测器6利用m行像元接收一个阶梯宽度，则系统的焦距为

$f^{\′}=\frac{\mathrm{Ha}}{m\×\mathrm{GSD}}---\left(3\right)$

全视场为

$\mathrm{FOV}=2\×\arctan \left(\frac{\mathrm{Na}}{2f^{\′}}\right)---\left(4\right)$

由于来自不同视场的目标成像于多级微反射镜4的不同阶梯上，因此不同的视场对应着不同的采样光程差。通过计算，第n个光程差所对应的瞬时视场角为

$\mathrm{\ω}\left(n\right)\∈\left[\arctan \right[\frac{(-0.5N+n)a}{f^{\′}+\mathrm{nd}}],\arctan [\frac{(-0.5N+n+1)a}{f^{\′}+\mathrm{nd}}\left]\right]---\left(5\right)$

其中后置成像系统5为中继成像系统，将平面反射镜3与多级微反射镜4所对应的两个一次像点再次成像到面阵探测器6上。为了保持光程差的不变性，入射光束的主光线必须垂直于多级微反射镜4的阶梯平面，出射光束的主光线必须垂直于面阵探测器6的探测平面。因此，后置成像系统5采用双远心光路（物方和像方均为远心光路），结合图5，后置成像系统5由后置成像系统的前组透镜5-1和后置成像系统的后组透镜5-2组成，其中前组透镜5-1的物方焦距为f1，前组透镜5-1的像方焦距为f1′，后组透镜5-2的物方焦距为f2，后组透镜5-2的像方焦距为f2′。令前组透镜5-1的后焦点与后组透镜5-2的前焦点相重合，并把这个焦点重合的位置作为光阑5-3位置。平面反射镜3位于前组透镜5-1的前焦面上，面阵探测器位于后组透镜5-2的后焦面附近。双远心光路使成像光束的主光线平行于光轴，从而使探测器上的干涉像点具有恒定的光程差。

设面阵探测器6的像元尺寸为c，系统利用m行像元接收一个阶梯宽度a，则后置成像系统5的垂轴放大倍率为β=mc/a。由于前置成像系统1的两个相干像点A1与A2为后置成像系统5的两个相干物点，并且两物点之间的距离为2nd，则结合图6，平面反射镜3上物点A1经过后置成像系统5成像于像平面8上像点A1′，多级微反射镜4上物点A2经过后置成像系统5成像于像平面9上像点A2′。设像点A1′与A2′之间的距离为x，后置成像系统5的轴向放大率为α，则x=α×2nd。由于α=β²，所以二次像点A1′与A2′之间的距离为

$x=\mathrm{\α}\×2\mathrm{nd}=2\mathrm{nd}{\mathrm{\β}}^2=\frac{2\mathrm{nd}{m}^2{c}^2}{a^2}----\left(6\right)$

前置成像系统1的两个像点作为后置成像系统5的两个物点，具有相同的入射孔径角u，则当其通过后置成像系统5后，两个二次像点具有相同的出射孔径角u′。设后置成像系统5的角放大率为γ，则tanu′=γtanu。由于γ=1/β，两个二次像点的出射孔径角为

$\tan u^{\′}=\mathrm{\γ}\×\tan u=\frac{\tan u}{\mathrm{\β}}=\frac{a\tan u}{\mathrm{mc}}---\left(7\right)$

结合图7说明本实施方式，图7为平面反射镜3物面与多级微反射镜4第n级阶梯所对应的物面经过后置成像系统5后的成像过程，平面反射镜3物面的高斯像面8为A1′，第n级阶梯所对应的物面的高斯像面9为A2′。两个像面之间的距离为x=α×2nd=2ndβ²。为了平衡两个高斯像面上的二次像点在同一探测平面上弥散斑的尺寸，需要将面阵探测器6放在两个高斯像面的中间位置。为了得到较高的图像质量，弥散斑的尺寸要小于一个像元的尺寸，即

$2r=2\×\frac{x}{2}\tan u^{\′}=x\tan u^{\′}\≤c---\left(8\right)$

所以，后置成像系统的出射孔径角应满足如下关系

$\tan u^{\′}\≤\frac{c}{x}=\frac{a^2}{2\mathrm{nd}{m}^{2}c}---\left(9\right)$

并且，后置成像系统的入射孔径角应满足如下关系

$\tan u=\mathrm{\β}\tan u^{\′}\≤\frac{a}{2\mathrm{ndm}}---\left(10\right)$

为了平衡两个高斯像面上的二次像点在同一探测平面上弥散斑的尺寸，需要将面阵探测器6放在两个高斯像面的中间位置。

本实施方式所述的成像光谱仪中的多级微反射镜4，其阶梯高度和阶梯级数是决定其干涉图像采样间隔与采样长度的重要因素，多级微反射镜的设计要综合考虑系统的光谱带宽与光谱分辨率。系统可探测的光谱带宽为多级微反射镜阶梯高度的倒数的四分之一，而系统可探测的光谱分辨率为多级微反射镜阶梯长度的倒数，通过平衡多级微反射镜阶梯高度与阶梯级数之间的关系，可以满足光谱带宽与分辨率要求的探测需要。通过减小多级微反射镜的阶梯高度，可以探测较宽的光谱带宽；并且通过增加阶梯级数，可以获得较高的光谱分辨率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。只要功能未改变，时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪在上述说明的基础上，其基本元件就可做出其它不同形式的变化或变动而不超出本公开的范围，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，包括前置成像系统（1）、分束器（2）、平面反射镜（3）、多级微反射镜（4）、后置成像系统（5）和面阵探测器（6）；目标光束经前置成像系统（1）入射至分束器（2）分成两束光，一束光经分束器（2）反射至平面反射镜（3）上成像为第一像点，另一束光经分束器（2）透射至多级阶梯微反射镜（7）某个阶梯反射面成像为第二像点；

所述第一像点和第二像点发出的光分别经分束器（2）透射和反射后入射至后置成像系统（5）成像，所述焦平面探测器（6）接收成像信息；其特征是，

设定多级微反射镜的阶梯步长（4-1）为d，阶梯宽度（4-2）为a，阶梯长度（4-3）为L，则多级微反射镜（4）的第n级阶梯面与平面反射镜（3）之间的距离为nd，实像点A1与虚像点A2之间的光程差为2nd；

设定系统的光谱带宽为BW，系统的光谱分辨率为Δν，则根据采样定理，多级微反射镜（4）的阶梯步长（4-1）d与总的阶梯级数N应分别满足如下公式

$d\≤\frac{1}{4\mathrm{BW}},N\≥\frac{2\mathrm{BW}}{\mathrm{\Δv}}.$

2.根据权利要求1所述的基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，其特征在于，所述前置成像系统（1）采用像方远心光路结构。

3.根据权利要求1所述的基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，其特征在于，所述分束器（2）由分束板与补偿板构成，位于前置成像系统的像方成像光路中。

4.根据权利要求1所述的基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，其特征在于，平面反射镜（3）和多级微反射镜（4）的零级阶梯均位于前置成像系统的像方焦面上，接收并反射经前置成像系统（1）出射的成像光束；多级微反射镜（4）的其余级阶梯位于前置成像系统的像方焦面附近，接收并反射经前置成像系统（1）出射的成像光束，并且实现两成像光束光程差的调制。

5.根据权利要求1所述的基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，其特征在于，所述多级微反射镜（4）的阶梯高度决定了被分束器分开的两成像光束的光程差的采样间隔，多级微反射镜（4）的阶梯级数决定了被分束器（2）分开的两成像光束的光程差的采样长度。

6.根据权利要求1所述的基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，其特征在于，所述平面反射镜（3）和面阵探测器（6）分别位于后置成像系统（5）的共轭位置。

7.根据权利要求1所述的基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，其特征在于，所述后置成像系统（5）为中继成像系统，采用双远心光路结构。

8.根据权利要求1所述的基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，其特征在于，设定前置成像系统1的焦距为f′，作用距离为H，地面像元分辨率为GSD，所述面阵探测器（6）利用m行像元接收一个阶梯宽度，则系统的焦距为：

$f^{\′}=\frac{\mathrm{Ha}}{m\×\mathrm{GSD}}$

全视场为：

$\mathrm{FOV}=2\×\arctan \left(\frac{\mathrm{Na}}{2f^{\′}}\right)$

所述不同视场的目标成像于多级微反射镜（4）的不同阶梯反射面上，不同的视场对应着不同的采样光程差，获得第n个光程差所对应的瞬时视场角为：

$\mathrm{\ω}\left(n\right)\∈\left[\arctan \right[\frac{(-0.5N+n)a}{f^{\′}+\mathrm{nd}}],\arctan [\frac{(-0.5N+n+1)a}{f^{\′}+\mathrm{nd}}\left]\right].$

9.根据权利要求1所述的基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，其特征在于，设定面阵探测器（6）的像元尺寸为c，系统利用m行像元接收一个阶梯宽度a，则后置成像系统（5）的垂轴放大倍率为β=mc/a。