CN103913233B - 时空联合调制傅里叶变换红外成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，涉及对地观测成像光谱仪领域，解决现有成像光谱仪内部含有与空间分辨率有关的狭缝，限制了进入系统的光通量且实时性差的问题，包括前置光学成像系统、干涉系统、后置成像缩束系统和焦平面探测器，干涉系统包括平面反射镜、立方体分束器和多级阶梯微反射镜；目标光束经前置光学成像系统入射至立方体分束器分成两束光，一束光经立方体分束器反射至平面反射镜上成像为第一像点，另一束光经立方体分束器透射至多级阶梯微反射镜某个阶梯面成像为第二像点；所述第一像点和第二像点发出的光分别经立方体分束器透射和反射后入射至后置成像缩束系统成像，所述焦平面探测器接收成像信息；本发明大大提高了系统的光通量。

Description

时空联合调制傅里叶变换红外成像光谱仪

技术领域

本发明涉及对地观测成像光谱仪领域，具体涉及一种基于多级阶梯微反射镜新型时空联合调制红外傅里叶变换成像光谱仪系统。

背景技术

成像光谱仪是20世纪80年代在成像光谱技术基础上发展起来的新一代光学遥感仪器，它可以获得物体光谱信息和图像信息，因此其广泛的应用在空间遥感，军事目标探测，地质资源勘探，环境监测，气象分析等领域。按照工作原理的不同其主要分为色散型和傅里叶变换型两类。色散型成像光谱仪是以棱镜或光栅作为分光元件，在探测器上接受每个光谱元的辐射信息。其发展比较早，在航空航天领域应用比较广泛，但是光谱分辨率受狭缝的控制，因此其在探测红外弱辐射方面比较困难。傅里叶变换成像光谱仪是先获得物体的干涉图然后对干涉图做傅里叶变换变换获得物体的光谱信息。按照对干涉图的调制方式的不同，傅里叶变换成像光谱仪主要可分为时间调制型、空间调制型和时空联合调制型，时间调制型傅里叶变换成像光谱仪是基于迈克尔逊干涉仪结构，其采用驱动一个动镜来产生光程差，因此需要一套精密的驱动装置。而且完成一幅干涉图的测量需要一个周期的时间，其实时性比较差。空间调制傅里叶变换成像光谱仪其内部不含有可动部件，其利用空间位置的不同产生光程差，可以实现对迅变物体的光谱测量，其实时性比较好。但传统的空间调制傅里叶变成像光谱仪内部含有与空间分辨率有关的狭缝，限制了进入系统的光通量。时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪是基于像面干涉成像原理，获得是经干涉图调制后的目标物体的全景图像，其不含有狭缝和可动部件，因此具有光通量大和结构稳定的优点。

发明内容

本发明为解决现有成像光谱仪内部含有与空间分辨率有关的狭缝，限制了进入系统的光通量且实时性差的问题，提供一种时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪系统。

时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪系统，包括前置光学成像系统、干涉系统、后置成像缩束系统和焦平面探测器，所述干涉系统包括平面反射镜、立方体分束器和多级阶梯微反射镜；目标光束经前置光学成像系统入射至立方体分束器分成两束光，一束光经立方体分束器反射至平面反射镜上成像为第一像点，另一束光经立方体分束器透射至多级阶梯微反射镜某个阶梯面成像为第二像点；

所述第一像点和第二像点发出的光分别经立方体分束器透射和反射后入射至后置成像缩束系统成像，所述焦平面探测器接收成像信息；

所述设定多级阶梯微反射镜的阶梯高度为d，在第n个阶梯反射面所对应的视场角范围内，目标物体在第n个阶梯微反射面所成的像与目标物体在第n个阶梯反射面的镜像位置所成的虚像之间的光程差，用公式一表示为：

公式一、δ＝2nd；

设定多级阶梯微反射镜的反射面宽度为a，红外成像光谱仪的飞行高度为H，前置成像系统的焦距为f'，则相邻像点间的距离为a，获得相邻目标物体点间的距离用公式二表示为：

公式二、Δh＝Ha/f'；

设定多级阶梯微反射镜的对角线长度为h，前置成像系统的视场角为：

$2w=2\arctan \left(\frac{h}{{2f}^{\′}}\right).$

本发明的工作原理：本发明所述的系统为一个二次成像系统。地面目标某一点发出的光经前置成像系统成像后经由立方体分束器分成强度相同的两束相干光，一束光经由分束器反射后成像在平面镜上，另一束光束经由分束器透射之后成像在多级阶梯微反射镜上。整个系统的视场角由多级阶梯微反射镜的阶梯级数和前置成像系统的焦距共同来决定，不同视场的光成像在多级阶梯微反射镜的不同的反射面上。由于多级阶梯微反射镜的相邻的反射面之间具有固定的阶梯高度差，因此由多级阶梯微反射镜和平面镜反射回来的光就带有固定的位相差，然后经由后置成像缩束系统成像和缩束之后在焦平面CCD上获得地面目标物体某一点图像和相应的强度分布信息，经由一个窗扫模式之后对采集的多帧进行图像剪切和拼接，就可以获得地面目标物体的图像信息和相应干涉图，对干涉图进行傅里叶变换就可以获取地面目标物体相应的光谱信息。

本发明的有益效果：本发明所述的红外成像光谱仪是基于迈克尔逊干涉仪结构，其所不同的是用一个多级阶梯反射镜来代替系统中的动镜，以此来消除系统中的可动部件，在实现光程差空间调制的同时使系统的可靠性，可重复性，实时性都得到了很大的提高，并且系统不含有狭缝，与传统的空间调制傅里叶变换成像光谱仪相比大大提高了系统的光通量，在高的光谱分辨率下可以大大的提高系统的信噪比，解决了在高的光谱分辨率下系统信噪低的难题。

附图说明

图1为本发明所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪系统的结构示意图；

图2为本发明所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪系统中产生光程差的原理意图；

图3中图3a和图3b分别为本发明所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪系统中一个窗扫模式下的在多级阶梯微反射镜上的成像图，图3b为在一个窗扫模式下在CCD上的成像过程示意图；

图4为本发明所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪系统中前置成像系统的结构图；

图5为本发明所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪系统中后置成像缩束系统的结构图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，时空联合调制傅里叶变换红外成像光谱仪统，该系统结构由前置成像系统1、干涉系统2、后置成像缩束系统3和焦平面探测器4组成，所述干涉系统2包括平面反射镜5、立方体分束器6和多级阶梯微反射镜7；本实施方式中采用一个多级阶梯微反射镜7来代替传统的时间调制型傅里叶变换成像光谱仪中的动镜，使整个系统实现了静态化；地面目标某一点发出的光经前置成像系统1成像后经由立方体分束器6分成强度相同的两束相干光，一束光经由立方体分束器6反射后成像在平面反射镜5上，另一束光束经由立方体分束器6透射之后成像在多级阶梯微反射镜7上。其中多级阶梯微反射镜7的不同的反射面对应着地面物体一定的视场角范围内所成的像，成像在多级阶梯微反射镜7的某一反射面上的像和成像在对应的平面反射镜5的相应区域的像由于具有固定的阶梯高度会产生固定的位相差。两个一次像点作为两个相干的物源发出的光经后置成像缩束系统3成像之后就可以获得一幅经干涉图调制后的物体的图像。经过一个窗扫模式之后，对获得的多帧图像进行剪切和拼接之后就可以获得地面某一点物体的干涉图，然后对干涉图做傅里叶变换，就可以获得此物点的光谱图。

本实施方式所述的前置成像系统1和后置成像缩束系统3均由透射式球面镜组成，满足像质的情况下，为系统的设计，加工和装调带来了很大的便利。由于系统本身不含有狭缝，并且采用面阵CCD因此该系统采用窗扫的扫描方式。该成像光谱仪可以作为星载和机载的成像载荷使用。

本实施方式所述的光谱仪系统作为红外系统，所述的立方体分束器6的材料采用ZnSe，由两块红外直角三棱镜拼接而成，在拼接面蒸镀有光学薄膜，以实现反射及透射各约50%的效果；ZnSe块通过拉制或生长的方法制作，在通过光学粗加工及磨抛，达到所需形状和参数指标。在ZnSe块表面蒸镀有红外光学增透膜，以提高能量效率。ZnSe分束器的尺寸与多级阶梯微反射镜尺寸相匹配，所述多级微反射镜7的宽度要考虑衍射效应对干涉图及成像的影响。所述的多级微反射镜7的单个阶梯高度范围在1nm-50μm之间，采用MOEMS技术或光学加工方法制作，所述多级微反射镜7的阶梯高度误差小于阶梯高度的5%。采用MOEMS技术制作多级阶梯微反射镜时，为保证阶梯高度的均匀性，需采用旋转蒸镀法，用光控法控制阶梯高度。在多级阶梯微反射镜7表面采用射频溅射或电子束蒸发技术制备红外高反膜和保护膜，所述多级阶梯微反射镜阶梯高度、宽度和阶梯数决定成像光谱仪光谱分辨率及成像质量。

本实施方式所述的成像光谱仪系统的光程差是由多级阶梯微反射镜7的阶梯高度和前置成像系统1的视场角确定，多级阶梯微反射镜7的每一个阶梯面上所产生的光程差相同，结合图2，图中为第n个阶梯反射面与平面反射镜5所对应的成像过程；8为第n个阶梯反射面，B₁为目标物体在第n个阶梯微反射面所成的像，B₂为目标物体在第n个阶梯反射面相对于平面镜的镜像位置所成的虚像，B₁和B₂作为两个相干的物点经过后置成像缩束系统成像后，在后置红外CCD上发生干涉；设多级阶梯微反射镜的阶梯高度为d，ω_n为第n个阶梯反射面所对应的视场角范围，在视场角ω_n的范围之内，像点B₁和B₂之间的光程差用公式一表示为：

公式一、δ＝2nd

其中n为多级阶梯微反射镜第n个阶梯反射面，此时阶梯微反射面所对应的视场角为ω_n，在视场角ω_n的范围之内，系统所产生的光程差相同。

结合图3说明本实施方式，图3a为一个窗扫模式下本系统在多级阶梯微反射镜7上的成像过程，图中画出了五个阶梯镜的反射面，分别为A2、A1、A0、A-1和A-2，所述五个反射面分别代表地面相同的物点A在不同的时刻进入成像光谱仪系统的位置；A’2、A’1、A’0、A’-1和A’-2，分别为物点A在不同的时刻在多级阶梯微反射镜7的不同的反射面上所成的像点。取多级阶梯微反射镜7的反射面宽度为a,设系统的飞行高度为H，前置成像系统的焦距为f'，则像点A’2和A’1之间的距离为a，那么就可以求出相邻目标物体点A2和A1之间的距离，用公式二表示为：

公式二、Δh＝Ha/f'

如果此时成像光谱仪的运行速度为v，则对物体A进行拍摄取样的时间间隔用公式三表示为：

公式三、ΔT＝Δh/v。

图3b为一个窗扫模式下本系统在CCD上的成像过程，图中，☆代表的是物体在CCD上所成的像。在不同时刻取的是CCD的同一列，可以看出当物体刚进入一个扫描窗的时候，其经过成像光谱仪成像在CCD的一列的右边缘，然后经过一个窗扫模式之后其成像CCD同一列的左边缘。将这32幅图像进行剪切和拼接之后，就可以得到这一物体的干涉图，然后对其进行傅里叶变换就可以获得这一物体的光谱信息。

结合图4说明本实施方式，所述前置成像系统的主要作用是将物体经立方体分束器6之后分别成像在多级阶梯微反射镜7和平面反射镜5上。前置成像系统1成像质量的优劣直接影响到系统最终所获得地面目标物体图像的质量。为了保证多级阶梯微反射镜7的所有的面都能清晰的接收到目标物体的像，前置成像物镜需要有一定的视场角要求。前置成像系统1的焦距为f'，多级阶梯微反射镜7的对角线长度为h。前置成像成像系统1的视场角要求用公式四表示为：

公式四、 $2w=2\arctan \left(\frac{h}{{2f}^{\′}}\right)$

由于系统中立方体分束器6的存在，使得前置成像系统存在着经立方体分束器6反射和透射两个光路，但是两个光路是等效的，因此只对经过分束器透射的这一路光路作分析。在前置成像系统中，由于分束器处于非平行光路中，会产生除场曲以外的所有的像差，因此在设计的时候要将分束器和前置成像系统一起设计。为了加工和装调的方便，前置成像系统采用四片式透射式结构。设计结果表明：系统成像质量良好，MTF接近衍射极限，视场角满足要求。

结合图5说明本实施方式，所述后置成像缩束系统3的作用是将前置成像系统1成像在多级阶梯微反射镜7和平面反射镜5上的像清晰的成在其后置CCD上。因此在系统设计的时候将多级阶梯微反射镜7和平面反射镜5作为后置成像缩束系统的物来设计。由于立方体分束器的存在，后置成像缩束系统3也存在着两路光学系统，由于两路光学系统的等效性，因此只对平面镜一路进行分析。由于本成像光谱仪工作在中波红外波段，因此采用制冷型CCD，在后置成像缩束系统设计的时候将CCD的冷屏光阑作为整个后置成像缩束系统的孔径光阑，实现100%冷光阑匹配效率。与前置成像系统一样，立方体分束器存在非平行光路中，因此在设计的时候将其与后置成像缩束系统一起设计。其采用七片式球面透射式结构，系统成像质量良好。

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。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。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 (7)

1.时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，包括前置光学成像系统(1)、干涉系统(2)、后置成像缩束系统(3)和焦平面探测器(4)，其特征是，所述干涉系统(2)包括平面反射镜(5)、立方体分束器(6)和多级阶梯微反射镜(7)；目标光束经前置光学成像系统(1)入射至立方体分束器(6)分成两束光，一束光经立方体分束器(6)反射至平面反射镜(5)上成像为第一像点，另一束光经立方体分束器(6)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立方体分束器(6)透射和反射后入射至后置成像缩束系统(3)成像，所述焦平面探测器(4)接收成像信息；

设定多级阶梯微反射镜的阶梯高度为d，在第n个阶梯反射面所对应的视场角范围内，目标物体在第n个阶梯微反射面所成的像与目标物体在第n个阶梯反射面的镜像位置所成的虚像之间的光程差，用公式一表示为：

公式一、δ＝2nd；

设定多级阶梯微反射镜的反射面宽度为a，红外成像光谱仪的飞行高度为H，前置成像系统(1)的焦距为f'，则相邻像点间的距离为a，获得相邻目标物体点间的距离用公式二表示为：

公式二、Δh＝Ha/f'；

设定多级阶梯微反射镜(7)的对角线长度为h，前置成像系统(1)的视场角用公式四表示为：

公式四、 $2w=2arctan\left(\frac{h}{2f^{\′}}\right).$

2.根据权利要求1所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述前置成像系统(1)由四片透射式的球面镜组成。

3.根据权利要求1所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述后置成像缩束系统(3)由七片透射式球面镜组成。

4.根据权利要求1所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述焦平面探测器(4)采用制冷型CCD。

5.根据权利要求1所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述焦平面探测器(4)对接收的成像信息经一个窗扫模式采集后，对采集的多帧图像进行剪切和拼接，获得目标物体的干涉图，对干涉图进行傅里叶变换，获得目标的光谱图。

6.根据权利要求1所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述的多级阶梯微反射镜(7)的单个阶梯高度范围在1nm-50μm之间，采用MOEMS技术或光学加工方法制作，所述多级微反射镜(7)的阶梯高度误差小于阶梯高度的5％。

7.根据权利要求1所述的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述立方体分束器(6)的材料采用ZnSe，由两块直角三棱镜拼接而成，并在拼接面蒸镀有光学薄膜。