CN104165694B - 一种空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，当探测器光谱维行数不能满足系统设计对干涉图采样点数要求时，可通过在像面前设置反射镜面用以在光谱方向分割像面，用N个探测器(N≥2)分别采集转换干涉图；再利用干涉图在零光程差位置两侧对称分布的特性，将多个探测器输出图像拼接后获得满足数据处理要求的干涉图像。本发明解决了光电探测器面阵规格不能满足高光谱分辨率要求的技术问题。

Description

一种空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法

技术领域

本发明涉及一种光谱成像技术，尤其涉及一种干涉光谱成像技术。

背景技术

光谱成像技术融合了光谱技术与成像技术，同时获得目标的几何特性与辐射特性，实现目标特性的综合探测与识别。随着空间遥感应用对目标特性的精细识别要求的不断提高，光谱成像仪器的光谱分辨率、空间分辨率指标不断提升。

应用于空间遥感的光谱成像技术主要有色散型和干涉型两种技术原理。干涉光谱成像技术具备高灵敏度、高光谱分辨率与高通量的特点，能满足高空间分辨率和高光谱分辨率要求。

空间调制静态干涉光谱成像技术能在连续谱段上对同一目标同时成像，无运动部件，一次成像获得视场内一维地物目标图像及光谱信息；同时通过飞行器平台飞行推扫获得另一维地物目标图谱信息。因此，空间调制静态干涉光谱成像技术使用大面阵光电探测器，一次曝光获得一幅地物目标干涉图。

根据干涉光谱成像技术原理，高光谱分辨率指标要求空间调制静态干涉光谱成像仪在光谱方向增加采样点数，使得光电探测器面阵规格成为制约光谱分辨率提高的瓶颈，限制了高光谱分辨率干涉光谱成像仪应用。

发明内容

本发明目的是提供一种空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其解决了背景技术中光电探测器面阵规格不能满足高光谱分辨率要求的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

该空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法包括以下步骤：

1]将目标信号分成两束完全相干的光线，然后对两束光线进行干涉成像处理，产生目标干涉信号；目标干涉信号为目标光谱信息的逆傅里叶变换信号；目标干涉信号以零光程差位置为中心呈对称分布；

2]利用经步骤1处理所得的目标干涉信号生成干涉图像；

3]将步骤2生成的干涉图像沿光谱方向分割成N个干涉图子图，N为像面分割数，N为自然数且N≥2；

4]分别采集经步骤3处理所得的干涉图子图，将干涉图子图拼接获得满足最大光程差、采样点数要求的目标干涉图。

上述步骤1中将目标信号分成两束完全相干的光线是采用分束器完成。

上述步骤1中对两束光线进行干涉成像处理是采用光谱成像仪完成。光谱成像仪光谱范围决定干涉图采样最大光程差范围；光谱分辨率要求决定干涉图采样点数；由干涉图进行复原光谱数据处理时要求获得满足最大光程差范围和采样点数要求的干涉图，并包含零光程差位置另一侧部分干涉图作为相位修正过零量。

上述步骤2中生成干涉图像是通过光电探测器完成。

上述步骤3中将干涉图像沿光谱方向分割成N个子图是通过在干涉图像面位置附近设置N个反射镜面完成，像面分割数N优选为2、3或其他整数，视具体指标和探测器规格确定。

上述步骤4中分别采集干涉图子图是利用N个光电探测器对N个干涉图子图单独采集。

上述分束器为横向剪切分束器或角剪切分束器；横向剪切分束器包括SAGNAC分束器、双角反射体分束器、基于Savart偏光镜的双折射型分束器；角剪切分束器包括基于Wollaston棱镜的双折射角分束器。

本发明具有如下优点：

1、极大的降低了对光电探测器光谱维面阵规格的要求。本发明采用干涉图拼接技术，采用N个探测器分别采集干涉图不同部分，N倍降低了对光电探测器光谱维行数规格的要求。

2、本发明应用于空间调制静态干涉光谱成像仪后，可以使得光谱分辨率大幅提高，有效的克服现有光谱成像仪光谱分辨率受光电探测器面阵规格制约的现状。

附图说明

图1为空间调制静态干涉光谱成像仪原理说明图；

图2为空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图分割原理说明图；

图3(a)为空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图拼接原理说明的像面未分割时干涉图；

图3(b)为空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图拼接原理说明的像面未分割时采样区间示意图；

图3(c)为空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图拼接原理说明的像面分割位置示意图；

图3(d)为空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图拼接原理说明的像面分割后拼接方法示意图；

附图标记说明：

1—前置光学系统，2—狭缝，3—SAGNAC干涉仪，4—傅里叶成像镜，5—柱面镜，6—干涉图，7—探测器，8—像面分割前位置，9—第一探测器，10—第二探测器，11—像面分割镜面。

具体实施方式

本发明的原理是：当探测器光谱维行数不能满足系统设计对干涉图采样点数要求时，可通过在像面前设置反射镜面用以在光谱方向分割像面，用N个探测器(N≥2)分别采集转换干涉图；再利用干涉图在零光程差位置两侧对称分布的特性，将多个探测器输出图像拼接后获得满足数据处理要求的干涉图像。

本发明的具体实施方法如下：

该空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法包括以下步骤：

1]将目标信号分成两束完全相干的光线，然后对两束光线进行干涉成像处理，产生目标干涉信号；目标干涉信号为目标光谱信息的逆傅里叶变换信号；目标干涉信号以零光程差位置为中心呈对称分布；

2]利用经步骤1处理所得的目标干涉信号生成干涉图像；

3]将步骤2生成的干涉图像沿光谱方向分割成N个干涉图子图，N为像面分割数，N为自然数且N≥2；

4]分别采集经步骤3处理所得的干涉图子图，将干涉图子图拼接获得满足最大光程差、采样点数要求的目标干涉图。

以下结合具体实施例对本发明进行详述：

空间调制静态干涉光谱成像仪光谱分辨率指标为180谱段，仪器光谱范围为0.45um～0.90um。在上述指标下，波数分辨率为61.729cm^-1，最大光程差为0.0081cm；根据奈奎斯特采样定理，仪器采样间隔为2.25×10^-5cm，因此单边采样时需要光电探测器光谱维行数为360；为保证光谱数据处理精度需进行干涉图过零采样，过零量取15％时为54行；同时为避免出现欠采样，取15％的过采样，对应为54行采样点数。因此仪器指标要求在单边过零采样时光电探测器光谱维行数为468行。

当实际光电探测器光谱维最大行数为256行时，不能满足180谱段光谱分辨率指标对采样点数的要求。通过本发明采用的光学拼接方法，用2片光电探测器进行光学拼接共可获得最大512个采样点，满足系统指标要求的468行采样点数。

图1为空间调制静态干涉光谱成像仪原理说明，其中干涉仪为SAGNAC型横向剪切干涉仪，通过剪切成像在探测器上获得干涉图。图2为空间调制静态干涉仪干涉图分割原理说明，在原像面位置之前设置像面分割镜面7，使得干涉图分割为2部分，分别被第一探测器9和第二探测器10接收。

图3(a)为空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图拼接原理说明的像面未分割时干涉图；系统设计要求光谱维有468个采样点，如图3(a)所示需采集AB之间414个采样点，加上AC之间54个过零采样点后，共需采集BC之间共468个采样点。

在单片探测器光谱维最大采样点数为256时，可在图3(c)所示D处设置分割反射面，CD间距为10个采样点，是为避免采样起始点C距离分割面过近而影响像质。因此如图3(d)所示，第一探测器采集CE之间共256个采样点数据；将EB区间的对称位置向零光程差位置A扩展10个像元后得到区间FG，共222个采样点作为第二探测器的采样区间。此时，2个探测器共采样478个采样点，超过系统设计要求468个采样点数；10个冗余采样点为CE和FG重叠区间，用来进行图像配准修正。

因此，通过用2个分割面进行分割拼接后，实现了2片光谱方向256元探测器拼接成像，满足光谱通道数180的采样要求，而单片光谱方向256元的探测器，最大能满足该谱段范围内光谱通道数120的采样点数要求。

本发明解决了空间调制静态干涉光谱成像技术中探测器件光谱维行数不能满足系统设计对干涉图采样点数需求的技术问题，有效克服了现有空间调制静态干涉光谱成像技术中光谱分辨率受探测器面阵规格制约的现状，从而使得光谱分辨率的提高成为可能，拓展了空间调制干涉光谱成像仪的应用范围及应用前景。

Claims (9)

1.一种空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其特征在于：

1]将目标信号分成两束完全相干的光线，然后对两束光线进行干涉成像处理，产生目标干涉信号；

2]利用经步骤1处理所得的目标干涉信号生成干涉图像；

3]将步骤2生成的干涉图像沿光谱方向分割成N个干涉图子图，N为像面分割数，N为自然数且N≥2；其中，将干涉图像沿光谱方向分割成N个干涉图子图是通过在干涉图像面位置附近设置N个反射镜面完成；

4]分别采集经步骤3处理所得的干涉图子图，将干涉图子图拼接获得满足最大光程差、采样点数要求的目标干涉图。

2.根据权利要求1所述的空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其特征在于：所述步骤1中将目标信号分成两束完全相干的光线是采用分束器完成。

3.根据权利要求1所述的空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其特征在于：所述步骤1中对两束光线进行干涉成像处理是采用光谱成像仪完成。

4.根据权利要求1所述的空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其特征在于：所述步骤2中生成干涉图像是通过光电探测器采集完成。

5.根据权利要求1所述的空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其特征在于：所述步骤4中分别采集干涉图子图是利用N个光电探测器对N个干涉图子图单独采集。

6.根据权利要求2所述的空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其特征在于：所述的分束器为横向剪切分束器或角剪切分束器。

7.根据权利要求1至6任一所述的空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其特征在于：所述步骤1中目标干涉信号为光谱信息的逆傅里叶变换信号；目标干涉信号以零光程差位置为中心呈对称分布。

8.根据权利要求3所述的空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其特征在于：设系统指标要求光谱维样点数为M，光电探测器光谱维行数为S，像面分割数为N，满足N*S>M的关系。

9.根据权利要求7所描述的空间调制静态干涉光谱成像仪干涉图光学拼接方法，其特征在于：所述步骤4具体是采用N个探测器同时获得干涉图光谱方向上不同区域的子图，利用干涉图像对称分布特性，通过设置重叠并经过探测器之间图像配准后得到满足光谱信息处理要求的干涉图。