CN104266758B - 一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数定标方法，该方法包括：利用一波数与所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数一致的激光器发射光线；所述激光器的发射光线经由准直系统后射入所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪中；采集所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱并利用光谱复原算法实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标。本发明公开的方法可以准确实现大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标，该方法复杂度较低、且可靠易行。

Description

一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数定标方法

技术领域

本发明涉及光谱成像仪定标技术领域，尤其涉及一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数定标方法。

背景技术

干涉光谱成像技术从调制方式上来分可分为时间调制、空间调制和时空联合调制三种方式，干涉光谱成像仪的定标分为辐射定标和光谱定标两种类型，而光谱定标又分为实验室定标和在轨定标两部分。现有的干涉光谱成像仪光谱定标一般采用现有的光谱仪对已知光谱特征的目标进行采集、获取光谱，然后再用研制的仪器对相同的目标进行图像采集，并通过特定的数据处理方法来获得光谱曲线，最后将标准产品所获取的谱线与自行研制的仪器获取的谱线进行对比便可以完成对研制的新仪器的标定工作。

传统调制方式的干涉光谱成像仪的工作波数范围均为0～σ_max，因此理论上来说其光谱定标需要从0波数开始直至最大工作波数(σ_max)，但是实际上其波数范围还受到探测器的响应的影响，其最小工作波数一般由探测器的响应频率范围来确定，因此一般的干涉光谱成像仪定标的波数范围为σ_min～σ_max，其最小波数(σ_min)可以通过查阅探测器技术手册来确定，其最大工作波数由探测器谱段范围和系统的采样频率共同决定，采样定理要求系统的采样频率必须大于等于2倍信号的最大频率，对于干涉仪光谱仪来说可以表示为：σ_s≥2·σ_max，进一步可以得到其采样点数必须满足

大孔径空间外差干涉光谱成像技术是基于外差探测原理的光谱成像技术，通过设计仪器的工作波数范围变为σ_min～σ_max，一般情况下Δσ＝σ_max-σ_min是一个较小的值，其中最小波数σ_min不再是0或者由探测器的响应来确定，而是通过仪器的设计来保证，一般称其为系统基准波数。大孔径空间外差干涉光谱成像技术采样点数与传统的干涉光谱成像技术也存在区别，采样点数只需满足大孔径空间外差干涉光谱成像技术带来了采样点数下降的优点，但是却增加了基准波数的定标方法，这与传统的干涉光谱成像技术存在明显区别。

现有的干涉光谱技术其理论最小工作波数均从0波数开始，因此现有的干涉光谱成像技术不存在基准波数定标的问题。典型代表有迈克尔逊干光谱涉仪，其原理如图1所示，物面上一狭缝发出的光线经过准直镜后被准直成平行光线，每一束光线经过分束器被分成透射光和反射光两部分，透射光经过固定的反射镜M2被原路返回到分束器上并经分束器反射经过成像镜到达探测器上，反射光经过移动的反射镜M1被原路反射回到分束器上，透过分束器后再经过成像镜并成像在探测器上，由于透射光和反射光到达探测器上所走过的光程不同，因此将在探测器上产生干涉，获得干涉图，迈克尔逊干涉光谱仪获得的干涉图表达式为： $I\left(x\right)=\underset{{\mathrm{\σ}}_{\min }}{\overset{{\mathrm{\σ}}_{\max }}{\∫}}B\left(\mathrm{\σ}\right)\cos (2\mathrm{\π\σ}\·\mathrm{OPD}\left(x\right))\mathrm{d\σ},$ 式中B(σ)是输入光谱，σ是波数，OPD(x)是反射光和透射光之间的光程差，光程差在不同时刻由于动镜M1的位置不同而不同，对干涉图进行傅里叶变换便可以获得光谱曲线。其波数范围的确定需结合标准光源和探测相关参数来完成，如果探测的波数响应范围为σ₁～σ₂，那么干涉光谱成像仪的最小工作波数一般为σ₁，而最大波数由系统的采样频率和σ₂共同决定，如果系统的采样频率σ_s≥2·σ₂，则系统的最大工作波数为σ₂，否则系统的最大工作波数为σ_s/2。

另外，现有的光谱定标技术一般针对谱段范围较宽的光谱仪定标，其定标内容是对谱段范围内的每一个波数的响应进行标定，定标系统一般由标准光源系统、光源处理系统、积分球、标准光谱仪、被定标仪器以及数据处理系统组成。普通的光谱成像技术不存在基准工作波数的概念，因此一般根据探测器的响应范围来选定最小的波数来进行定标。如图2所示，为现有光谱仪的典型光谱定标系统，标准光源发出的光线经过滤光片之类的光源处理系统处理后进入到积分球，积分球的作用的是使得出射的光线为均匀的面光源，将被定标仪器放置在光线出口处采集标准光源的光线并通过数据处理系统获得其光谱，将获得的光谱与已知曲线进行比对便可以实现对光谱仪的定标，如果采用的光源谱线结构未知，则可以通过先将标准的光谱仪放置在光线出口处获得谱线，然后再与被定标仪器所获得谱线进行比对。确定其波数范围则是通过将标准光源换成仪器可响应的最小波长的单色光如单色仪，获得其光谱曲线，最小波数和最大波数均可以通过该种方法来进行确定。

然而，现有的干涉光谱成像技术不存在基准波数的定标方法，因此无法解决大孔径空间外差干涉光谱成像技术的定标问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数定标方法，可以准确实现大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数定标方法，该方法包括：

利用一波数与所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数一致的激光器发射光线；

所述激光器的发射光线经由准直系统后射入所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪中；

采集所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱并利用光谱复原算法实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标。

进一步的，所述利用光谱复原算法实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标包括：

通过所述光谱复原算法从所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱中获得激光器发射光线的光谱，并与已知光谱线对比，确定所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的实际最小波数，从而实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标。

进一步的，当所述激光器的波数等于所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数时，所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱为近似的直流分量；若不相等，则输出明暗相间的干涉条纹。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，根据基准波数的干涉图的性质，并利用一波数与所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数一致的激光器来确定仪器的真实基准波数，完成仪器的基准波数标定工作，该方法复杂度较低、且可靠易行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的迈克尔逊干光谱涉仪的原理示意图；

图2为本发明背景技术提供的现有光谱仪的典型光谱定标系统的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数定标方法的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪的示意图；

图5为本发明实施例提供激光器的波数等于基准波数时的干涉图示意图；

图6为本发明实施例提供激光器的波数不等于基准波数时的干涉图示意图；

图7为本发明实施例提供的大孔径空间外差干涉光谱技术基准波数定标系统的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图3为本发明实施例提供的一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数定标方法的示意图。如图3所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、利用一波数与所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数一致的激光器发射光线；

步骤12、所述激光器的发射光线经由准直系统后射入所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪中；

步骤13、采集所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱并利用光谱复原算法实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标。

进一步的，所述利用光谱复原算法实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标包括：

通过所述光谱复原算法从所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱中获得激光器发射光线的光谱，并与已知光谱线对比，确定所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的实际最小工作波数，从而实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标。

进一步的，当所述激光器的波数等于所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数时，所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱为近似的直流分量；若不相等，则输出明暗相间的干涉条纹。

为了便于理解本发明，下面结合附图4-7对本发明做进一步的说明。

如图4所示，大孔径空间外差干涉光谱成像仪包括前置光学系统、准直系统、分束器、反射镜M1、反射镜M2、闪耀光栅1、闪耀光栅2、成像镜、探测器。所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪所获得的干涉图由 $I\left(x\right)=\underset{{\mathrm{\σ}}_{\min }}{\overset{{\mathrm{\σ}}_{\max }}{\∫}}B\left(\mathrm{\σ}\right)\cos (2\mathrm{\π}(\mathrm{\σ}-{\mathrm{\σ}}_0)\·\mathrm{OPD}\left(x\right))\mathrm{d\σ},$ 决定，OPD(x)与探测器上的位置以及波数相关，通过干涉图的表达式可以看出当σ＝σ₀的情况下，无论光程差的值如何变化，干涉强度I(x)将是一个常数可以称之为直流分量，此时的波数σ₀称为基准波数。大孔径空间外差干涉光谱成像技术正是由于基准波数的存在，可以使得采样点数大大减少，并且通过较少的采样点数实现极高的光谱分辨率。

如图5-6所示，当激光器的波数等于大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数的时候，实验室的情况下我们采集到的将是近似的直流分量(图5)，而输入的光线不是基准波数时，我们将可以获得明暗相间的干涉条纹(图6)。

所述大孔径空间外差干涉光谱成像技术的基准波数σ₀是通过仪器的相关参数来确保的，但是设计完成后其真实值则需要通过实验室定标的方法来确定，这也是本发明的关键所在。通过干涉图的表达式可以看出，当入射光为基准波数时，我们在探测器上获得的干涉图将是直流分量。由于大孔径空间外差干涉光谱成像技术的工作波数范围窄，一般的单色仪光源已经无法满足定标的要求，因此需要通过带宽很窄的激光器来实现对其定标。

本发明实施例中，基于上原理没有采用积分球等复杂的定标系统，而采用一波数与基准波数一致的激光器来实现，定标框图如图7所示。由激光器、准直系统、大孔径空间外差干涉光谱成像仪以及光谱采集和复原系统组成。激光器的波长满足准直系统的作用是将激光器发出的光线进行扩束准直，使得光线可以充满整个视场，光谱采集及复原是通过特定的光谱复原算法来获得输入光的光谱结构并与已知谱线结构进行对比，从而确定实际的基准波数σ₀。

本发明实施例根据基准波数的干涉图的性质，并利用一波数与所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数一致的激光器来确定仪器的真实基准波数，完成仪器的基准波数标定工作，该方法复杂度较低、且可靠易行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数定标方法，其特征在于，该方法包括：

利用一波数与所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数一致的激光器发射光线；

所述激光器的发射光线经由准直系统后射入所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪中；

采集所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱并利用光谱复原算法实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标。

2.根据权利要求1所述定标方法，其特征在于，所述利用光谱复原算法实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标包括：

通过所述光谱复原算法从所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱中获得激光器发射光线的光谱，并与已知光谱线对比，确定所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的实际最小波数，从而实现对所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪基准波数的定标。

3.根据权利要求1或2所述定标方法，其特征在于，

当所述激光器的波数等于所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的基准波数时，所述大孔径空间外差干涉光谱成像仪的输出光谱为近似的直流分量；若不相等，则输出明暗相间的干涉条纹。