CN105823558A - 变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种变间隙法布里‑珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统，包括前端成像物镜、变间隙法布里‑珀罗干涉仪、中继镜、长波红外探测器和信号处理系统；法布里‑珀罗干涉仪由对称楔板和平行平板构成，形成的干涉腔的空气间隙渐变。该干涉仪相较于现有干涉仪，具有直线光路、体积紧凑的优点。搭载平台处于凝视状态时，通过在垂直于光轴方向平移干涉仪，获取视场内目标点在不同相位处干涉信息，对其傅里叶变换得到目标的光谱信息；搭载平台处于推扫模式时，干涉仪垂直于光轴对称放置，整个系统随着搭载平台对目标场景进行推扫，通过重排获取视场内目标点在不同相位处的干涉信息，对其傅里叶变换得到目标的光谱信息。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像领域，特别是涉及一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统。
背景技术
干涉光谱成像技术通过在成像系统中加入干涉仪获取成像目标的干涉光强信息，利用傅里叶变换复原出成像目标的光谱数据立方体，可实现高光通量探测，从而具有高空间分辨率和高光谱分辨率的优点，在遥感成像、资源勘探、环境监测等领域具有很大的应用潜力。近年来，国内外对该类光谱成像技术进行了研究。根据选取干涉仪的不同，分为Michelson干涉式、Sagnac干涉仪、Mach-Zehnder干涉式等光谱成像系统。由于长波红外波段探测器相较于可见光波段灵敏度较低，因此要求匹配的光学系统F#较小，为此上述经典的干涉成像光谱技术，一般需要体积较大的干涉仪，同时还可能需要多个物镜进行干涉成像，因此光机系统较难实现轻小型化。
国外期刊APPLIEDOPTICSVol.47，No.28发表的一篇论文《Performanceofalong-waveinfraredhyperspectralimagerusingaSagnacinterferometerandanuncooledmicrobolometerarray》中介绍了一种由三面反射镜及一个分束镜构成的Sagnac干涉式长波红外光谱成像系统，该系统通过旋转分束镜产生横向剪切量，整个系统通过整体推扫获得每个目标点完整的干涉信息，经傅里叶变换得到目标点光谱信息。该光谱成像仪的主要缺点是：首先，该系统在F#＝5的条件下，体积已经较大，若该技术用于近距离目标光谱探测，由于Sagnac干涉仪需放置在准直光路中，此时系统需要两个成像物镜和一个准直物镜，仪器的体积受这些物镜的限制，更难实现小型化；其次，射入Sagnac干涉仪的一束光经过三面反射镜的反射和分束镜的透射进行分光，系统不是直线光路，结构体积难以紧凑，且反射镜和分束镜的轻微位移就会影响系统性能；此外，该系统只能适用于搭载平台的推扫工作模式，若搭载平台工作于凝视状态，系统将无法获取目标点不同相位处的干涉信息，即无法获取目标的光谱信息。
国外期刊SPIEVol.7474发表的一篇论文《NovelminiaturizedhyperspectralsensorforUAVandspaceapplication》中介绍了一种基于法布里-珀罗干涉仪的光谱成像系统，工作于可见光近红外波段。该系统可在RGB相机上不同区域处获得三个不同波长的二维图像，通过改变法布里-珀罗干涉仪的空气间隙来改变其出射的三个波长值，从而获得二维空间中不同目标点在不同波长处的光谱信息。该光谱成像仪的主要缺点是：首先，该系统工作于可见光近红外波段，无法满足无色毒气等在长波红外波段具有特征峰的目标探测；其次，系统是通过改变法布里-珀罗干涉仪的空气间隙来改变其出射的波长值，从而获得二维空间中不同目标点在不同波长处的信息，因此需要一个精确的传输机构控制法布里-珀罗干涉仪的空气间隙；此外，搭载平台处于推扫工作模式时，该系统在改变法布里-珀罗干涉仪的空气间隙的同时，视场内的目标也在改变，无法获取同一目标点在不同波长处的光谱信息，因此，该系统仅适用于搭载平台的凝视工作模式。
发明内容
本发明的目的是实现长波红外光谱成像系统小型化、轻量化，同时进一步还能够适用于搭载平台凝视和推扫两种工作模式，为此，本发明提出了一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统。
本发明的技术方案为：
所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统，其特征在于：包括前端成像物镜、变间隙法布里-珀罗干涉仪、中继镜、长波红外探测器和信号处理系统；
所述变间隙法布里-珀罗干涉仪由一块对称楔板和一块平行平板组成，对称楔板的顶棱与平行平板中心接触，对称楔板的底平面与平行平板平行；对称楔板和平行平板采用在长波红外波段具有38％～48％反射率的材料；
前端成像物镜、变间隙法布里-珀罗干涉仪、中继镜、长波红外探测器沿光路依次布置；前端成像物镜、中继镜和长波红外探测器的光轴重合；当所述长波红外光谱成像系统搭载平台处于推扫工作模式时，变间隙法布里-珀罗干涉仪光轴与前端成像物镜光轴重合；当所述长波红外光谱成像系统搭载平台处于凝视工作模式时，能够沿垂直于变间隙法布里-珀罗干涉仪对称面方向移动变间隙法布里-珀罗干涉仪，且移动过程中变间隙法布里-珀罗干涉仪光轴与前端成像物镜光轴平行；
前端成像物镜对目标进行一次成像；变间隙法布里-珀罗干涉仪进行干涉分光；中继镜会聚光束实现二次成像并产生干涉条纹；长波红外探测器获取目标空间信息和干涉信息，信号处理系统对长波红外探测器获取的目标空间信息和干涉信息进行处理和显示。
进一步的优选方案，所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：还包括平移台；变间隙法布里-珀罗干涉仪固定在所述平移台上，平移台能够控制变间隙法布里-珀罗干涉仪沿垂直于变间隙法布里-珀罗干涉仪对称面方向移动。
进一步的优选方案，所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：对称楔板和平行平板采用锗材料。
进一步的优选方案，所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：对称楔板楔角为37mrad。
进一步的优选方案，所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：对称楔板的入射面和平行平板的出射面镀有增透膜。
进一步的优选方案，所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：变间隙法布里-珀罗干涉仪尺寸为20×20×5mm。
进一步的优选方案，所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：前端成像物镜焦距75mm，F#为1，视场±5°。
进一步的优选方案，所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：中继镜焦距25mm，F#为1，物像距满足放大倍数β＝1.2:1。
进一步的优选方案，所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：长波红外探测器采用像素数为640×480，像元大小17μm×17μm，帧频50Hz，响应波段为8～12μm的长波红外非制冷热像仪。
有益效果
本发明的整体技术效果体现在以下几个方面。
(一)本发明的变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统，选用的变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉仪由一个楔角为37mrad的对称楔板和一个平行平板构成，形成干涉腔的空气间隙渐变。楔板和平行平板的材料选取在长波红外波段具有40％反射率的锗，楔板的前表面和平行平板的后表面镀增透膜。通过前端成像物镜成像进入干涉仪的光束在空气间隙中多次反射，最终经过中继镜在探测器上形成多光束干涉条纹和二维空间图像。整个变间隙法布里-珀罗干涉仪的尺寸为20×20×5mm。与采用三面反射镜及一个分束镜构成的Sagnac干涉式长波红外光谱成像系统的现有技术相比，首先，本发明的系统F#＝1，在保证系统灵敏度的前提下，整个系统体积较小，且只需通过调焦或更换前端成像物镜就可实现近距离目标探测，不需要额外的准直物镜；其次，F-P干涉仪具有直线光路、体积紧凑、调节简易、抗震性强等优点。与工作于可见光近红外波段，基于法布里-珀罗干涉仪的光谱成像系统的现有技术相比，本发明选用的变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉仪不需要精确的传输机构控制法布里-珀罗干涉仪的空气间隙，通过对目标干涉信息的傅里叶变换，获取目标的光谱信息。
(二)本发明的变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统，工作于长波红外波段，光学镜头及干涉仪所选材料均为长波红外波段材料，探测器选用的是响应波段为8～12μm的长波红外非制冷热像仪。与工作于可见光近红外波段，基于法布里-珀罗干涉仪的光谱成像系统的现有技术相比，本发明工作于长波红外波段，提升了系统对隐身、伪装目标及化学毒气的光谱成像探测能力。
(三)本发明的变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统，可同时适用于搭载平台凝视和推扫两种工作模式。当搭载平台处于凝视工作状态时，可通过在垂直于干涉仪对称面方向平移F-P干涉仪，获取视场内每个目标点在不同相位处的干涉信息，并对其进行傅里叶变换得到每个目标的光谱信息；当搭载平台处于推扫工作模式时，F-P干涉仪垂直于光轴对称放置，相对整个系统保持固定，整个系统随着搭载平台对目标场景进行推扫，通过重排获取视场内每个目标点在不同相位处的干涉信息，并对其进行傅里叶变换得到每个目标的光谱信息。与Sagnac干涉式长波红外光谱成像系统的现有技术相比，本发明可同时适用于搭载平台的凝视工作模式；与工作于可见光近红外波段，基于法布里-珀罗干涉仪的光谱成像系统的现有技术相比，本发明可同时适用于搭载平台的推扫工作模式。
附图说明
图1是本发明变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统组成及光路示意图。
图2是本发明中变间隙法布里-珀罗干涉仪与电动平移台的结构示意图；
其中：1、前端成像物镜；2、变间隙法布里-珀罗干涉仪；3、中继镜；4、长波红外探测器；5、信号处理系统；2-1、对称楔板的入射面；2-2楔面；2-3、平行平板入射面；2-4、平行平板出射面；2-5、电动平移台。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
本发明的目的是要实现长波红外光谱成像系统小型化、轻量化，并且能够同时适用于搭载平台凝视和推扫两种工作模式，为此，本发明提出了一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统，包括前端成像物镜1、变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉仪2、中继镜3、长波红外探测器4和信号处理系统5。
本发明的核心是变间隙法布里-珀罗干涉仪，如图2所示，变间隙法布里-珀罗干涉仪由一块楔角较小的对称楔板和一块平行平板组成，对称楔板的顶棱与平行平板中心接触，对称楔板的底平面与平行平板平行，形成干涉腔的空气间隙渐变。为满足系统波数分辨率的要求，本发明优选实施例中，对称楔板的楔角为37mrad。为了使通过前端成像物镜1进入干涉仪的光束在空气间隙中多次反射，最终经过中继镜3在长波红外探测器4上形成多光束干涉条纹和二维空间图像，对称楔板和平行平板采用在长波红外波段具有38％～48％反射率的材料，而本发明优选实施例中，选取在长波红外波段具有40％反射率的锗，并且在对称楔板的入射面2-1和平行平板的出射面2-4镀有增透膜。在满足系统视场和结构件装夹余量，以及搭载平台凝视状态下所需的干涉仪平移行程的前提下，本发明优选实施例中，整个干涉仪的尺寸为20×20×5mm。F-P干涉仪相较于Michelson干涉仪、Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪，具有直线光路、体积紧凑的优点。
前端成像物镜、变间隙法布里-珀罗干涉仪、中继镜、长波红外探测器沿光路依次布置；前端成像物镜、中继镜和长波红外探测器的光轴重合。当所述长波红外光谱成像系统搭载平台处于推扫工作模式时，变间隙法布里-珀罗干涉仪光轴与前端成像物镜光轴重合，相对整个系统保持固定，整个系统随着搭载平台对目标场景进行推扫，通过重排获取视场内每个目标点在不同相位处的干涉信息，并对其进行傅里叶变换得到每个目标的光谱信息。当所述长波红外光谱成像系统搭载平台处于凝视工作模式时，能够沿垂直于变间隙法布里-珀罗干涉仪对称面方向移动变间隙法布里-珀罗干涉仪，且移动过程中变间隙法布里-珀罗干涉仪光轴与前端成像物镜光轴平行，获取视场内每个目标点在不同相位处的干涉信息，并对其进行傅里叶变换得到每个目标的光谱信息；在搭载平台凝视状态下，为使得干涉仪可沿垂直于对称面方向来回平移，本发明优选实施例中，将整个干涉仪固定在一个80×65×20mm的电动平移台2-5上；为满足采样速度和采样精度要求，本发明优选实施例中，所选电动平移台的最小平移速度不低于2mm/s，平移位置精度≥1μm。
前端成像物镜1实现对目标一次成像的功能，在与变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉仪2匹配视场和满足整个系统灵敏度要求的前提下，为使整个系统小型化，本发明优选实施例中，前端成像物镜1的焦距为75mm，F#为1，视场±5°。
正如图1所示，中继镜3会聚光束实现二次成像和产生干涉条纹的作用。在满足与前端成像物镜光瞳匹配和整个系统灵敏度要求的前提下，为使整个系统小型化，本发明优选实施例中，中继镜3的焦距为25mm，F#为1；为满足2倍采样频率的要求，本发明优选实施例中，中继镜3的物像距需满足放大倍数β＝1.2:1；为使整个系统在8～12μm波段范围内像质清晰，本优选例中，整个光学系统(包括前端成像物镜1和中继镜3)像质优化结果为，均方根弥散圆在三个视场(0视场、0.7视场和1视场)均小于一个像元，在探测器像元对应的30线对处MTF均大于0.5，三个视场的畸变小于1％。
正如图1所示，探测器4可实现目标空间信息和干涉信息的同时获取和记录功能。为满足系统视场和空间分辨率要求，本发明优选实施例中，选取的长波红外非制冷热像仪的像素数为640×480，像元大小为17μm×17μm；为满足采样速度的要求，本发明优选实施例中，选取的长波红外非制冷热像仪的帧频为50Hz。
正如图1所示，信号处理系统5实现热像仪获取的图像信号的处理和显示功能。本发明优选实施例中，信号处理系统5主要实现的信号处理功能包括：图像的采集、重排，干涉条纹的提取、切趾、光谱反演和相位校正，整个系统的光谱定标和辐射定标。
最终本实施例得到的整个系统波数分辨率为10cm-1；F#＝1；波长范围：8～12μm；视场：±5°。本发明为长波红外光谱成像轻小型化，及可适应更多应用平台提供了一种有效技术途径。
Claims (9)
1.一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统，其特征在于：包括前端成像物镜、变间隙法布里-珀罗干涉仪、中继镜、长波红外探测器和信号处理系统；
所述变间隙法布里-珀罗干涉仪由一块对称楔板和一块平行平板组成，对称楔板的顶棱与平行平板中心接触，对称楔板的底平面与平行平板平行；对称楔板和平行平板采用在长波红外波段具有38％～48％反射率的材料；
前端成像物镜、变间隙法布里-珀罗干涉仪、中继镜、长波红外探测器沿光路依次布置；前端成像物镜、中继镜和长波红外探测器的光轴重合；当所述长波红外光谱成像系统搭载平台处于推扫工作模式时，变间隙法布里-珀罗干涉仪光轴与前端成像物镜光轴重合；当所述长波红外光谱成像系统搭载平台处于凝视工作模式时，能够沿垂直于变间隙法布里-珀罗干涉仪对称面方向移动变间隙法布里-珀罗干涉仪，且移动过程中变间隙法布里-珀罗干涉仪光轴与前端成像物镜光轴平行；
前端成像物镜对目标进行一次成像；变间隙法布里-珀罗干涉仪进行干涉分光；中继镜会聚光束实现二次成像并产生干涉条纹；长波红外探测器获取目标空间信息和干涉信息，信号处理系统对长波红外探测器获取的目标空间信息和干涉信息进行处理和显示。
2.根据权利要求1所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：还包括平移台；变间隙法布里-珀罗干涉仪固定在所述平移台上，平移台能够控制变间隙法布里-珀罗干涉仪沿垂直于变间隙法布里-珀罗干涉仪对称面方向移动。
3.根据权利要求1所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：对称楔板和平行平板采用锗材料。
4.根据权利要求1或3所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：对称楔板楔角为37mrad。
5.根据权利要求4所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：对称楔板的入射面和平行平板的出射面镀有增透膜。
6.根据权利要求1所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：变间隙法布里-珀罗干涉仪尺寸为20×20×5mm。
7.根据权利要求1所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：前端成像物镜焦距75mm，F#为1，视场±5°。
8.根据权利要求1所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：中继镜焦距25mm，F#为1，物像距满足放大倍数β＝1.2:1。
9.根据权利要求1所述一种变间隙法布里-珀罗干涉式长波双模红外光谱成像系统，其特征在于：长波红外探测器采用像素数为640×480，像元大小17μm×17μm，帧频50Hz，响应波段为8～12μm的长波红外非制冷热像仪。
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