CN104568152B - 横向剪切干涉扫描傅里叶变换成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种横向剪切干涉扫描傅里叶变换成像光谱仪，能更好地实现地面凝视状态或稳定跟踪状态下的光谱成像探测，主要包括：基于角锥型麦克尔逊横向剪切双光束干涉仪，用于在目标景物的成像像面上产生直线干涉条纹；动镜扫描机构，用于驱动所述横向剪切双光束干涉仪中的一个动镜轴向移动，实现干涉图在像面上的一维扫描；傅里叶光学成像物镜，用于将来自横向剪切双光束干涉仪出射光聚焦到所述像面；CCD面阵相机，用于探测干涉调制的景物目标图像；图像数据处理器，用于记录、处理CCD面阵相机输出的图像数据；控制系统，用于协调控制动镜扫描机构、CCD面阵相机及图像数据处理器工作。本发明还提供一种利用该光谱仪进行光谱成像的方法。

Description

横向剪切干涉扫描傅里叶变换成像光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光学干涉成像光谱仪，也即傅里叶变换光谱仪。

背景技术

成像光谱仪是上个世纪八十年代发展起来的新型成像技术，其所获得的图像数据是包含了两维空间信息和一维光谱信息的数据立方体。

成像光谱仪特别适合于从移动的卫星平台机载平台或地基平台上观察地物，以进行地质地矿的研究，环境保护的应用，远距离目标的探测以及军事目标的探测。

已经有很多种成像光谱仪在使用，它们的光学系统有很大的不同，根据所获得的光谱的方法成像光谱仪可分为三大类：

第一类成像光谱仪是采用滤光片技术以获取图像的光谱数据；

第二类成像光谱仪采用色散技术来获取一幅图像的光谱数据；

最后一类是采用傅里叶变换光谱技术的干涉成像光谱仪。

傅里叶变换光谱仪除了多通道同时测量这个优点之外还有一个高通量的优点，它对于微弱目标信号也能做出响应，应此它已成了现代变换光谱技术的代表和一个重要发展方向。尤其是在红外、近红外光谱区的高精度、高光谱分辨率、高灵敏度航天遥感的大气观测应用中，傅里叶变换光谱仪几乎成了唯一的选择。

傅里叶变换光谱技术从实现的方式上又可以分为时间调制干涉光谱技术、空间调制干涉光谱技术和时空联合调制干涉光谱技术。

时间调制干涉光谱技术最著名的仪器是Michelson干涉仪，具体而言这种设备包含一个半透半反光学表面作为分束器，将一束光分为两束不同方向的光，一束光从平面参考镜反射回分束器，参考镜的位置通常是不变的(通常称之为静镜)；另一束光从第二块反射镜的表面返回到分束器然后再合并。第二块反射镜的光程长度是可变化的，称为动镜，随着动镜的扫描，干涉调制形成随时间记录的强度变化自相关函数。

在Michelson干涉仪中，探测器测量到的调制强度在所有的时间里非常接近平均强度，这种优点被称为多通道优点或通量优点。

Michelson干涉仪由于其通量优势和可获得极高分辨率的技术特点而得到了广泛的研究和应用。早期的Michelson干涉仪采用的是平面反射镜，由于平面镜的倾斜对干涉图的调制度产生非常灵敏的影响，而干涉图的调制度是获取高质量光谱的最重要指标，如何保证平面镜的高精度无倾斜移动工程师们化了大量的时间和精力，在这种情况下，(直角)角锥反射镜被用来取代平面反射镜，角锥反射镜的使用彻底解决了干涉图的调制度的问题，被广泛地使用在Michelson干涉仪中，因而这种型式的干涉仪也被称为角锥干涉仪。

Michelson干涉仪被更多地使用在大光程差光谱系统中，在这种情况下，自相关条纹产生的区域很小，由于这个原因Michelson干涉仪傅里叶变换光谱仪主要用于点光源的测量，在通常的装置中探测器放置在两束光的重合处并垂直于光束的传播方向，其所获得的干涉图是圆环状的，光程差的分布是两维视场的余弦变量。

空间调制成像光谱技术的主要光路是：目标光束首先被前置物镜会聚于其焦面狭缝处，光束经狭缝后进入横向剪切干涉仪，来自于狭缝的目标光源在垂直于狭缝方向上被准直，在垂直于狭缝方向上产生干涉条纹，在另外一个方向上狭缝被再一次成像到探测器阵列上，也即探测器阵列的其中一维提供空间维，另一维提供干涉光谱维，通过垂直于狭缝方向的推扫获取目标空间的两维图像以形成数据立方体。

空间调制成像光谱技术多基于Sagnac型具有循环光路的干涉仪结构，这种循环光路干涉仪最重要的特性是由于两束光经过共同的路径，其路程长度是相等的，这使得仪器能在白光下形成稳定的干涉条纹。不同于迈克尔逊干涉仪，这一类仪器需要一个狭缝，因而不像常用的傅里叶变换光谱仪具有通量优势。

时空联合调制干涉光谱技术也称为大孔径静态干涉光谱技术，简单而言就是在普通照相系统中加入横向剪切干涉仪，从而得到目标的干涉图像。这种干涉图像的特点是两维的空间图像成像于探测器上，不同光程差的位置与视场相关，同一目标的干涉图需要经过推扫获得(即通过景物目标的移动得到相关干涉图)，形成与时间相关的干涉图序列，由于目标需要扫过整个视场才能得到所需干涉图，这种技术也被称为窗扫式干涉光谱技术。同样时空联合调制干涉光谱技术也具有通量优势，其光谱分辨率则主要受探测器单元数的制约。

对于大孔径静态干涉光谱技术而言，其完整的数据立方体是通过搭载平台的运动(推扫)来完成的，因而在地面应用中就需要在系统前端加反射镜来进行扫描或转动整个系统来实现推扫，而这种的扫描和转动往往是大尺寸和大角度的，会带来质心及转动惯量的变化从而影响仪器的正常使用。

当上述几种技术应用于地面凝视状态下较大范围的固定景物尤其是基于靶场目标的跟踪方式下的光谱成像探测时往往是受限甚至是难以实现的，因而希望有更好的技术手段来实现地面凝视状态或稳定跟踪状态下的光谱成像探测。

发明内容

为了能够更好地实现地面凝视状态或稳定跟踪状态下的光谱成像探测，本发明提出一种新的横向剪切扫描傅里叶变换成像光谱仪。

本发明提出了一种横向剪切干涉扫描成像的技术思想，使用一个横向剪切的Michelson角锥干涉仪，在探测器像面上形成直条纹的干涉图，通过其中一个动镜进行轴向微量扫描，使得直条纹干涉图沿探测器的一维方向线性扫过整个成像于探测器上的景物图像，获得从零光程差到最大光程差的干涉图时间序列，采样并数据处理得到干涉图强度调制信号序列，作傅里叶变换，即形成三维的光谱数据立方体。

该横向剪切干涉扫描傅里叶变换成像光谱仪的系统结构，主要包括：

基于角锥型麦克尔逊横向剪切双光束干涉仪，用于在目标景物的成像像面上产生直线干涉条纹；

动镜扫描机构，用于驱动所述横向剪切双光束干涉仪中的一个动镜轴向移动，实现干涉图在像面上的一维扫描，使得像面上对应于各个景物单元依次获得从零光程差到最大光程差的干涉图时间序列；

傅里叶光学成像物镜，用于将来自横向剪切双光束干涉仪出射光聚焦到所述像面；

CCD面阵相机，用于探测干涉调制的景物目标图像；这里，CCD面阵相机可以替换为FPA光电探测器，两者对于本发明来说属于等同的技术特征，即采用FPA光电探测器的方案也应视为本发明的权利要求保护方案；

图像数据处理器，用于记录、处理CCD面阵相机输出的图像数据，最终生成三维的光谱数据立方体；

控制系统，用于协调控制动镜扫描机构、CCD面阵相机及图像数据处理器工作。

为了便于准确记录一个扫描周期的干涉图时间序列，该横向剪切干涉扫描傅里叶变换成像光谱仪还可以增加一个零位信号定标系统，用于记录干涉图时间序列的起始点并向所述图像数据处理器提供定标数据。

基于上述系统结构，进行光谱成像的方法，包括以下环节：

1)所述动镜轴向移动一个扫描周期，这个扫描周期限定在所述基于角锥型麦克尔逊横向剪切双光束干涉仪的光程差范围之内，实现干涉图在像面上的一维扫描，使得像面上对应于各个景物单元依次获得从零光程差到最大光程差的干涉图时间序列；

2)采样所述干涉图时间序列，采样的每一帧直条纹干涉图对应于动镜的一个扫描位置，最大采样时间应满足记录干涉图明暗变化的一个周期；

3)记录对应于动镜各个扫描位置的直条纹干涉图，进行图像数据处理，得到对应于每一个目标景物单元的干涉图强度调制信号序列；

4)通过对该强度调制信号的傅里叶变换，得出各个目标景物单元的相关光谱，最终形成三维的光谱数据立方体。

本发明的技术效果如下：

本发明巧妙地利用了横向剪切的Michelson角锥干涉仪的固有特点，通过简单的动镜轴向扫描过程形成干涉图在像面上的一维扫描，使像面上对应于各个景物单元依次获得从零光程差到最大光程差的干涉图时间序列，通过对这样的干涉图时间序列采样处理、傅里叶变换最终得到三维的光谱数据立方体。该系统结构简明，无需在系统前端加反射镜来进行扫描或转动整个系统进行推扫，避免了大尺寸和大角度的复杂动作带来的误差因素。

本发明能够实现地面凝视状态或稳定跟踪状态下的光谱成像探测，光谱覆盖仅受限于光学材料和探测器的响应，其光谱分辨率与大孔径静态干涉光谱技术相当，仅受限于探测器单元数的制约。

附图说明

图1为本发明的傅里叶变换光谱仪系统原理框图。

图2为角锥Michelson横向剪切干涉仪原理示意图。

图3为零位时横向剪切干涉仪成像光路原理示意图。

图4为动镜扫描产生的光程差光路原理示意图。

图5为动镜扫描过程示意图。

图6为采用立方棱镜分束器的两种光路布局。

图7为采用平板分束器的两种光路布局。

具体实施方式

如图1所示，横向剪切扫描傅里叶变换成像光谱仪由七部分组成，图示是原理性框图，其组成部分包括了沿光轴依次设置的一个双光束横向剪切扫描干涉仪1、一个傅里叶成像物镜2、一个CCD面阵相机3；以及一个动镜扫描驱动机构4；一套控制系统5；一个零位信号触发定标系统6；一个图像数据处理器7。以下结合公知的原理(如双光束横向剪切扫描干涉仪、干涉图数据傅里叶变换等)，详细阐述本发明。

角锥型Michelson横向剪切分束器是干涉仪的核心，如图2所示，干涉仪在零位时角镜M1和M2是相对于入射光轴和分束面镜像对称放置的，当干涉仪的一个角镜沿垂直于入射光轴方向偏移量为d时，则出射光束被等光程地分成两束横向剪切量s＝2d的互相平行的相干光。

对于横向剪切干涉成像光谱仪而言，在满足正弦条件下垂直于剪切方向的视场点具有相同的位相关系，因而横向剪切干涉仪在像面处产生的干涉图是直线条纹的干涉图。因此只针对平行于剪切方向的视场点的光程差关系展开说明。

参考图3所示，当干涉仪角镜在零位产生横向剪切时，目标景物波前被平行地剪切成两个波面，这两束光对于前面的分束器来说，等光程面是垂直于光轴方向的，对于轴上点这两个等光程面是重合的，对应于零光程差的位置，而对于视场角ω不为0的轴外物点p点，这两个等光程面是不重合的，当两束平行的相干光会聚到傅里叶成像物镜的后焦面P点上同一点时就存在着光程差，从而产生生干涉调制。

设被剪切开的两束光之间的横向距离(沿垂直于光铀方向度量)为s，则它们在象面P点上干涉时的光程差ΔL为

ΔL＝s sinω

傅里叶透镜满足正弦条件

因此有

对应的干涉图的强度可表示为

式中υ₁、υ₂分别表示目标光源所包含的最小和最大波数.根据博里叶变换光谱学的基本关系式，目标光源的光谱分布可由干涉图的傅里叶变换来求得，即

公式中ΔL_m为横向剪切干涉仪所对应的最大光程差，y_m为最大光程差所对应的CCD像元位置。

因此，要获得目标点的光谱分布，必须记录与物点的光谱分布相对应的干涉图序列。

参考图3，当横向剪切干涉仪角镜处于零位时，轴上点o的两个剪切波面是等光程的，会聚到傅里叶成像物镜的后焦面o点时光程差为零，对应于零光程差的位置，而对于视场角ω不为0的轴外物点p点，两个剪切波面是不重合的，会聚到傅里叶成像物镜的后焦面P点上时就存在着光程差，光程差的大小是探测器的位置函数，并且与傅里叶成像物镜焦距相关，其光程差的大小由公式确定

参考图4，当横向剪切干涉仪其中一个角镜沿光轴方向扫描时，两个剪切波面产生轴向的光程差，所产生的光程差是角镜移动距离的2倍。如果动镜移动产生的光程差为ΔL时，轴上点的干涉强度为

而轴外点p点的两个剪切波面此时在一个平面内等光程，其光程差在像面处为零，零光程差的位置此时位于p点处。因此，当干涉仪动镜沿光轴方向扫描时，直线状的干涉图便在像面上产生横向扫描，像面上对应的每一个物点便可依次获得从零光程差到最大光程差的干涉图序列。

由于不同的扫描位置对应着不同的光程差，因此记录像面上不同时刻扫描位置探测器输出的干涉强度，将得到与物点的光谱分布相对应的干涉图序列。

如果动镜的扫描速度为v，则扫描光程差的变化为

ΔL＝2v·Δt

Δt为CCD阵列每一帧的读出时间间隔。

干涉图的最大采样时间应满足记录干涉图明暗变化的一个周期，也即光程差每变化1/2λ记录一次干涉图。因此干涉图的强度变化可表示为动镜扫描的时间的记录关系：

通过对上式的逆傅里叶变换，可得到成像于CCD靶面的目标景物光谱：

进一步解释横向剪切扫描干涉仪的原理，参考图5，当干涉仪只产生横向剪切而没有纵向扫描光程差时，零光程差的位置在轴上点，当动镜开始扫描时，干涉仪在轴向产生了光程差，对应的零光程差位置是横向剪切所产生的光程差和扫描所产生的光程差相等时的轴外点，因此，动镜在零位前后扫描至横向剪切干涉仪所产生的最大光程差的位置时，干涉图便从中心位置扫描至CCD靶面的左右最边缘位置，动镜扫描光程每变化1/2λ时，CCD记录一次干涉图，动镜扫过整个光程差后，CCD相机便记录了整个靶面上景物目标图像的干涉图序列，再经傅里叶变换后便可获得成像景物的光谱分布。

对于横向剪切干涉仪所能实现的最大剪切量应满足Nyquist采样定理：

式中s为干涉仪剪切量，f_ftl为傅里叶成像物镜焦距，D_p为CCD像元间隔，υ_m为系统所探测目标的光谱的最高频率。

横向剪切干涉仪所能实现的最大光程差取决于CCD靶面的像元数：式中N是CCD相机的像元数。

扫描光程差在剪切所产生的光程差范围内时，所产生的干涉图是平行等距的直线条纹，因此，扫描光程差是界定在横向剪切干涉仪所产生的光程差之内的。

本发明中的横向剪切干涉仪是基于角锥型Michelson干涉仪来实现的，其基本的组成是包含一个分束器和一对角锥反射镜，角锥反射镜是一个由三个平面镜互成直角而形成，具有对光线定向反射及横向偏移的光学特性，通常情况下，角锥反射镜是相对于分束面和入射光轴对称放置的，这样就形成了经典的Michelson干涉仪的光路，而当角锥干涉仪的角反射镜在垂直光轴方向有偏移时，则形成了横向剪切干涉仪。

来自目标景物辐射的平面波前经干涉仪后被等光程地分成两束互相平行的相干光，当两束光经傅里叶成像透镜聚焦在焦面处时产生垂直于剪切方向的直线干涉图样，不同视场的目标景物单元对应着不同的光程差，为了得到视场内所有目标单元的相关光谱，干涉图必须扫描过整个像面视场，当干涉仪其中一个角反射镜沿光轴前后移动时，便可实现干涉图在视场内的横向扫描，光电探测器记录扫描镜每一个位置的干涉图便可获得对应目标景物单元的强度调制信号，通过对该强度调制信号的傅里叶变换便可得到该目标景物单元的相关光谱。

傅里叶成像物镜是将来自无穷远目标景物的光线直接聚焦到像面上，其光学元件可以是折射的，反射的或是组合的。在这里，目标景物也可以是有限距离的，可通过前置望远光学系统将其准直。

动镜扫描机构是用来实现干涉仪中其中一个角反射镜沿光轴方向精密移动的部件，横向剪切干涉仪所产生的干涉图是与视场相关的，也即干涉图沿列的方向对应于不同的光程差点的位置，为了建立每个目标景物单元的全部光谱自相关记录，干涉图必须沿着ccd像元列方向扫描，当动镜扫描机构驱动干涉仪中其中一个角反射镜沿光轴方向精密移动时，便可实现干涉图在视场内沿ccd像元列的方向的扫描。动镜的扫描机构可以是连续的也可以是步进的。

零位信号触发定标系统用于干涉图起始点的记录，基于双边采样的干涉图的初始状态是零光程差条纹位于视场中心，整个扫描过程中零光程差条纹从视场中心扫至视场边缘，然后回至视场中心，再扫至另一个视场边缘后回到视场中心，此为一个完整的扫描周期，零位信号触发定标系统用于探测零光程差位置并输出信号以确定一个扫描周期的干涉图记录的开始与结束。

CCD面阵相机可以是一个标准的两维阵列成像探测器，用于记录产生在像平面上的干涉调制景物。在一个扫描周期内多个单帧的图像数据用来建立对应于每一个目标元的自相关记录，在这里，每一帧图像对应于一个扫描镜位置，光电探测器记录扫描镜每一个位置的干涉图便可获得对应目标景物单元的强度调制信号，通过对该强度调制信号的傅里叶变换便可得到该目标景物单元的相关光谱。

控制系统有效地关联着动镜扫描机构、零位信号触发定标系统和CCD相机的工作，用来同步零位信号触发定标系统和扫描机构机CCD读出电路，开始和停止数据采集工作。

图像数据处理器用于记录成像的干涉图数据阵列，进行数据校准与重新排列以形成对应于每一个目标景物元的自相关函数信息，然后对其进行傅里叶变换，从而形成三维的光谱数据立方体。

Claims (3)

1.横向剪切干涉扫描傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，包括：

基于角锥型麦克尔逊横向剪切双光束干涉仪，用于在目标景物的成像像面上产生直线干涉条纹；

动镜扫描机构，用于驱动所述横向剪切双光束干涉仪中的一个动镜轴向移动，实现干涉图在像面上的一维扫描，使得像面上对应于各个景物单元依次获得从零光程差到最大光程差的干涉图时间序列；

傅里叶光学成像物镜，用于将来自横向剪切双光束干涉仪出射光聚焦到所述像面；

CCD面阵相机，用于探测干涉调制的景物目标图像；

图像数据处理器，用于记录、处理CCD面阵相机输出的图像数据，最终生成三维的光谱数据立方体；

控制系统，用于协调控制动镜扫描机构、CCD面阵相机及图像数据处理器工作。

2.根据权利要求1所述的横向剪切干涉扫描傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述横向剪切干涉扫描傅里叶变换成像光谱仪还包括零位信号定标系统，用于记录干涉图时间序列的起始点并向所述图像数据处理器提供定标数据。

3.基于权利要求2所述的横向剪切干涉扫描傅里叶变换成像光谱仪，进行光谱成像的方法，包括以下环节：

1)所述动镜轴向移动一个扫描周期，这个扫描周期限定在所述基于角锥型麦克尔逊横向剪切双光束干涉仪的光程差范围之内，实现干涉图在像面上的一维扫描，使得像面上对应于各个景物单元依次获得从零光程差到最大光程差的干涉图时间序列；

2)采样所述干涉图时间序列，采样的每一帧直条纹干涉图对应于动镜的一个扫描位置，最大采样时间应满足记录干涉图明暗变化的一个周期；

3)记录对应于动镜各个扫描位置的直条纹干涉图，进行图像数据处理，得到对应于每一个目标景物单元的干涉图强度调制信号序列；

4)通过对该强度调制信号的傅里叶变换，得出各个目标景物单元的相关光谱，最终形成三维的光谱数据立方体。