CN106338342A - 准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统及方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统及方法和应用。所述系统如下：红外热辐射信号通过红外光学窗口1到达摆扫反射镜3，产生时间调制信号，时间调制信号通过空间调制干涉具4，同时产生时间、空间混合调制成像干涉，经傅里叶透镜15汇聚收集光信号，光信号进入探测器组件6后输出电信号，电信号通过高速成像处理电路7成像出红外图像序列，并通过数字图像数据接口8输入到CUDA架构并行计算机9，形成干涉数据立方体，干涉数据立方体通过数据立方体经过并行快速傅立叶变换算法10转换，然后经过处理在图像显示器14显示信息。所述成像系统没有狭缝，光通量大，可以实现自主干涉信号采集和准实时成像光谱气体探测。
Description
技术领域
本发明涉及红外干涉光谱成像技术领域，尤其涉及一种准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统及方法和应用。
背景技术
红外光谱探测技术是用仪器对一段距离外的目标物进行观测，是一种不直接接触目标物而能收集红外光谱辐射信息，对其进行识别、分析、判断的高自动化程度的监测手段。
目前市场主流的光谱仪主要分为成像光谱仪和非成像光谱仪两大类。
非成像光谱仪，主要采用单元探测器。具有光谱分辨率高、遥测距离远、分析结果准确等优点。但是传统的光谱仪在气体探测方面无法显示气体的扩散流动方向和分布的范围。
红外光谱成像探测技术是一种利用焦平面探测器对目标进行遥感探测的技术，可以同时获得包含随波长分布的光谱辐射信息和二维空间信息，形成数据立方体。
红外光谱成像仪技术途径主要有干涉、滤波和色散等三种，由于滤波和色散采用了滤光片和狭缝光栅等分光元件，光能利用率较低；因此，化学气体探测以干涉型红外成像光谱仪为主流研究方向。
干涉型红外成像光谱仪一般有两种技术途径，时间调制型干涉和空间调制型干涉。时间调制型干涉是基于迈克尔逊干涉仪的原理，通过动镜的移动或者角镜的高频率小幅度摆动来产生光程差，在探测器焦面上产生受时间调制的干涉信号。目前，国际上商品化的红外成像光谱仪以德国BRUKER公司的HI90和加拿大TELOPS的Hyper-CAM-LW等两种时间调制型干涉为代表，具有高分辨率的特点，可以达到0.01个波数的精度，但是实现条件比较苛刻。缺点是对于振动环境的光学敏感度较高，特别是外场使用中，由于动镜组的存在使得其易受到震动冲击的影响。难以承受空中悬停这样剧烈的振动环境。空间调制型干涉是利用阵列式探测器，使得入射光线到达不同的像元的空间距离不同产生光程差。因此，在探测器焦面上产生空间调制的干涉信号。由于探测器敏感元信号缺乏时间变量，空间调制干涉要依靠精确的装载平台运动，产生窗扫信号输出。优点是没有机械运动组件，不受外场恶劣的实验环境影响。但是分辨率受限于探测器规模，无法达到时间调制的高度。而且，这种精确可控运动和稳定的平台难以获得，所以空间调制干涉原理应用很少，主要运行在太空轨道星载环境中。如美国航天局NASA支持的美国夏威夷大学和太平洋技术公司组合等研究团队，都在固定翼机载平台上演示了高光谱探测功能。
申请号为CN201410086329.4的中国专利公开了一种基于多级微反射镜的时空联合调制红外成像光谱仪，涉及成像光谱探测技术领域，为解决现有时间调制干涉成像光谱技术中稳定性不强与空间调制干涉成像光谱技术中光通量不高的技术问题，包括前置成像系统、分束器、平面反射镜、多级微反射镜、后置成像系统和面阵探测器；目标光束经前置成像系统入射至分束器分成两束光，一束光经分束器反射至平面反射镜上成像为第一像点，另一束光经分束器透射至多级阶梯微反射镜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分束器透射和反射后入射至后置成像系统成像，所述焦平面探测器接收成像信息；该专利设计光路实现了空间调制，但时间调制由平台运动完成，无法实现自主的干涉信息采集。没有提出实时信息处理实现方法。
光谱成像探测技术获得的数据立方体信息包含大量光谱数据，如何快速采集干涉立方体数据，进行快速处理形成光谱立方体，并对目标信号的光谱立方体进行光谱辐射特征识别，如何通过技术集成，达到气体探测准实时的现场使用要求，是目前需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统及方法和应用。本发明在干涉具空间调制的基础上增加了时间精确控制的摆扫，由此实现了探测器敏感元电信号的时间空间混合调制，优点是没有狭缝，光通量大，可以实现自主的干涉信号采集。
本发明的技术方案如下：一种准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统，所述成像系统包括以下结构：红外光学窗口1，摆扫反射镜3，空间调制干涉具4，成像干涉光学镜组5，探测器组件6，高速热成像电路7，数字图像数据接口8和CUDA架构并行计算机9，图像气体特征鉴别单元12和图像显示器14，其中：
背景及目标光信号通过红外光学窗口1到达摆扫反射镜3，摆扫反射镜(3)的控制电路产生时间信号，且摆扫反射镜3扫描后的光信号再通过空间调制干涉具4产生双光束空间调制光程差，并经成像干涉光学镜组5汇聚收集光信号，光信号进入探测器组件6后输出电信号，电信号传递至高速成像处理电路7；摆扫反射镜3控制电路产生的时间信号触发高速成像处理电路7产生时间积分同步信号；电信号和时间积分同步信号在高速成像处理电路7产生时空混合调制的红外热图像序列；红外热图像序列通过数字图像数据接口8输入到CUDA架构并行计算机9形成光谱数据立方体，再经过成像光谱定标后，由图像气体特征鉴别单元12处理，最终在图像显示器14显示出成像气体特征与景物热图叠加信息。
所述探测器组件6包括探测器61和探测器电路62，光信号在探测器61的焦平面上产生空间调制干涉条纹，探测器电路62将空间调制干涉条纹光信号转化为可读的电信号。
所述探测器为长波320×256制冷MCT探测器、中波640×512制冷探测器或非制冷探测器。
所述空间调制干涉具4为空间调制迈克尔逊干涉具或三角共光路SAGNAC干涉具。
所述红外光学窗口1处集成有红外光学望远镜2进行变换视场，并将准平行光投射到摆扫反射镜3。
本发明的工作原理如下：本发明采用了空间调制干涉加时间调制的新思想，技术上具体采用面阵超长波红外焦平面器件和CUDA架构并行处理计算的技术方案。背景及目标光信号由红外窗口进入，通过红外光学望远镜变换视场，将准平行光投射到摆镜，摆镜按列摆动扫描产生时间调制。再通过红外空间调制干涉具，由分光镜产生双光束空间调制光程差，经过成像干涉光学镜组，将光信号传递到红外焦平面探测器组件，在探测器焦平面上产生空间调制干涉条纹，将光信号转化为可读出的电信号；由高速热成像电路产生时空混合调制的红外热图像序列。摆镜应完成两倍的空间调制干涉具视场FOV的扫描，确保探测器阵列的每列敏感元扫过场景的所有物方列，其中的干涉条纹位置固定不动。剔除了冗余数据后，经由数字图像数据接口，将采集到的数据电信号传输给CUDA架构并行高速处理计算机，由并行数据立方体处理算法进行。在CUDA架构并行计算机中剔除了冗余数据后，重组干涉数据立方体，经过CUDA架构计算机的高速运算，将FFT变换形成的光谱数据立方体信号经成像光谱的定标，成像光谱的定标运算，同样是通过CUDA架构的并行数据立方体处理算法高速运算完成，其定标结果返回到成像气体特征鉴别算法中，最终输出场景快视热图与特征鉴别叠加图像结果。
本发明还提供所述准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统的成像方法，所述成像方法如下：
步骤(1)背景及目标的红外热辐射信号投射到摆扫反射镜，摆扫反射镜按列摆动扫描产生时间调制；
步骤(2)背景及目标的红外热辐射信号经过摆扫反射镜扫描再通过空间调制干涉具产生双光束空间调制光程差，双光束空间调制光程差经过成像干涉光学镜组传递到探测器组件，在探测器焦平面上产生空间调制干涉条纹，探测器电路将干涉条纹光信号转化为电信号；
步骤(3)摆扫反射镜的控制电路触发高速成像处理电路产生时间积分同步信号，步骤(2)产生的电信号也传递到高速成像处理电路中，积分同步信号和电信号在高速成像处理电路中产生时空混合调制的红外热图像序列；
步骤(4)红外热图像序列输入到CUDA架构并行计算机中形成干涉数据立方体，剔除冗余数据后重组干涉数据立方体，再通过并行处理反演算法形成光谱数据立方体，经过成像光谱定标后，由图像气体特征鉴别处理，最终在显示器显示出成像气体特征与景物热图叠加信息。
所述摆扫反射镜应完成两倍的空间调制干涉具视场FOV的扫描，以确保探测器阵列的每列敏感元扫过场景的所有物方列。
由于系统采取了光谱与成像相结合的技术，数据采集量巨大，通常需要采集上百帧的图像，为非成像探测光谱仪采集数据量的几十万倍，并以数据立方体的方式存在，故实现准实时性能存在运算速度的难题。若采用传统非成像探测光谱仪处理成像光谱仪的数据立方体时，往往需要十几个小时的运算量，这样就无法达到准实时探测的要求。本发明采用采用了CUDA架构并行计算机和数据立方体并行快速傅立叶变换算法，实现了成像光谱特征的准实时探测识别；CUDA并行架构的运算方式结合GPU的多通道数据处理特点，极大的缩短了运算时间，实现了秒级的准实时化学气体探测。
本发明还提供所述时空混合调制红外干涉光谱成像系统在化学毒剂和工业有毒有害气体准实时探测中的应用。所述成像系统能够获得含有化学毒剂和工业有毒有害气体信息的时间空间混合调制干涉信号的数据立方体，解决了处理大量复杂数据消耗时间过长和获得成像光谱信息时间滞后的问题，故可应用在化学毒剂和工业有毒有害气体的二维空间监测领域，有助于提高化学防护的检测效率，迅速定位化学污染的源头。本发明能够快速采集干涉立方体数据，进行快速处理形成光谱数据立方体，并对目标信号的光谱立方体进行光谱辐射特征识别，且能够达到气体探测准实时的现场使用要求。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用了时间空间混合调制红外干涉成像系统，不需要平台运动或转动产生窗扫，在干涉具空间调制的基础上增加了时间精确控制的摆扫，由此实现了探测器敏感元电信号的时间空间混合调制，所述成像系统没有狭缝，光通量大，可以实现自主的干涉信号采集。
附图说明
图1是红外干涉光谱成像系统的结构框图；
图2是长波红外成像光谱技术实现流程图；
图3是长波红外成像光谱技术数据立方体采集与处理过程实例；
图4是数据立方体的采集图像序列实例；
图5是场景一加氨气探测干涉图；
图6是图5对应的氨气探测结果与热像叠加，圆圈中红色区域表示探测结果与热像叠加图；
图7是场景二加SF6气体探测干涉图；
图8是图7对应SF6气体探测结果与热像叠加，圆圈中蓝色区域表示探测结果与热像叠加图；
图9是场景三加氨气探测干涉图；
图10是图9对应场景三加氨气探测结果与热像叠加，圆圈中红色区域表示探测结果与热像叠加图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
由图1、图2可知，所述成像系统包括：红外光学窗口1，红外光学望远镜2，摆扫反射镜3，空间调制干涉具4，成像干涉光学镜组(傅立叶透镜)5，探测器组件6，高速热成像电路7，数字图像数据接口8和CUDA架构并行高速处理计算机9、图像气体特征鉴别单元12、图像显示器14，红外光学望远镜2集成在红外光学窗口1上；
探测器组件6包括探测器61和探测器接口电路62；
在本实施例中，所述探测器为长波320×256制冷MCT探测器，所述空间调制干涉具4为迈克尔逊干涉具；数字图像数据接口8为Cameralink数字视频接口。
从图1和图2可以看出，目标和背景的红外热辐射通过红外光学窗口1到达摆扫反射镜3，当摆扫反射镜3运动扫描时，光信号通过空间调制迈克尔逊干涉具4，产生双光束空间调制光程差，双光束调制光程差再经过成像干涉光学镜组5(傅立叶透镜)汇聚收集光信号，进入长波320×256制冷MCT探测器61，由探测器接口电路62转化、输出电信号，通过高速成像处理电路7成像出200Hz16bit的高速高精度图像序列，通过Cameralink数字视频接口输入CUDA架构并行计算机，其间，由摆扫反射镜3的控制电路对高速成像处理电路7产生积分同步信号，实现时间、空间混合调制，然后在CUDA架构并行计算机9形成干涉数据立方体，通过并行处理反演算法形成光谱数据立方体，经过成像光谱定标后，由图像气体特征鉴别单元12处理，最终在显示器14显示出成像气体特征与景物热图叠加信息。
实施例2
利用实施例1中的时空混合调制红外干涉光谱成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤(1)背景及目标的红外热辐射信号投射到摆扫反射镜，摆扫反射镜按列摆动扫描产生时间调制；
步骤(2)背景及目标的红外热辐射信号经过摆扫反射镜扫描再通过空间调制干涉具产生双光束空间调制光程差，双光束空间调制光程差经过成像干涉光学镜组传递到探测器组件，在探测器焦平面上产生空间调制干涉条纹，探测器电路将干涉条纹光信号转化为电信号；
步骤(3)摆扫反射镜的控制电路对高速成像处理电路产生时间积分同步信号，步骤(2)产生的电信号也传递到高速成像处理电路，积分同步信号和电信号在高速成像处理电路中产生时空混合调制的红外热图像序列；
步骤(4)红外热图像序列输入到CUDA架构并行计算机中，剔除冗余数据后重组干涉数据立方体，再通过并行处理反演算法形成光谱数据立方体，经过成像光谱定标后，由图像气体特征鉴别处理，最终在显示器显示出成像气体特征与景物热图叠加信息。
所述摆扫反射镜应完成两倍的空间调制干涉具视场FOV的扫描，以确保探测器阵列的每列敏感元扫过场景的所有物方列。
图3展示了长波红外成像光谱技术数据立方体采集与处理过程，其中由于采用长波320×256制冷MCT探测器，光谱维数320，取2列为一个干涉条纹周期；空间维数是256。在一个光谱成像周期中采集的640幅原始干涉图需经过整理重组，剔除了冗余数据后，成为320×256×320的干涉数据立方体，再经过快速傅里叶变换(FFT)，处理成320×256×((320-N)/2)的光谱数据立方体。
图4左侧展示了在一个光谱成像周期中采集的640幅干涉图序列实例，其中的干涉条纹位置固定不动，零级条纹固定在第20列(第N列)；右侧反映a.第1帧的第320列与b.第320帧的第1列对应了相同的位置场景；为保证探测器的每列敏感元扫过场景的所有物方列，需完成2倍光谱维列数的扫描，即采集640幅以上的图像序列。一个光谱成像周期中采集640幅干涉图的时间是3.2秒，经并行处理运算和鉴别，完成光谱成像周期的时间是3.7秒，达到了秒级的准实时要求。其中，CUDA架构计并行计算机的运算平台选用了英伟达公司的Tesla-C2075并行计算GPU板卡，该板卡具有超强的浮点运算能力，共使用了448个CUDA运算核，工作频率达到1.15GHz，整板的双精度浮点运算能力达到515G flops，单精度浮点运算能力达到了1030GFlops(每秒1万亿(1012)次浮点运算)。
上述实施例提供的红外干涉光谱成像系统在场景一、场景二和场景三中分别用于氨气和SF6气体等的探测，结果见图5～图10。
由于系统采取了光谱与成像相结合的技术，数据采集量巨大，通常需要采集上百帧的图像，是非成像探测光谱仪采集数据量的几十万倍，并以数据立方体的方式存在，故实现准实时性能存在运算速度的难题。采用传统非成像探测光谱仪处理成像光谱仪的数据立方体时，往往需要10几个小时的运算量，这样就无法达到准实时探测的要求。本发明采用CUDA并行架构的运算方式结合GPU的多通道数据处理特点，极大的缩短了运算时间，实现了秒级的准实时化学气体探测。
应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。例如以上例举的实例中探测器采用了长波320×256制冷MCT探测器，也可根据需要，使用中波640×512制冷MCT探测器，或非制冷探测器等其他规格组件；图中前置红外光学望远镜可用可不用，根据情况选择；红外空间调制干涉具采用了迈克尔逊干涉具，也可以采用其他形式，如三角共光路SAGNAC干涉具等；窗扫的方向也可以反过来。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统，其特征在于，所述成像系统包括以下结构：红外光学窗口(1)，摆扫反射镜(3)，空间调制干涉具(4)，成像干涉光学镜组(5)，探测器组件(6)，高速热成像电路(7)，数字图像数据接口(8)和CUDA架构并行计算机(9)，图像气体特征鉴别单元(12)和图像显示器(14)，其中：
背景及目标光信号通过红外光学窗口(1)到达摆扫反射镜(3)，摆扫反射镜(3)的控制电路产生时间信号，且摆扫反射镜(3)扫描后的光信号再通过空间调制干涉具(4)产生双光束空间调制光程差，并经成像干涉光学镜组(5)汇聚收集光信号，光信号进入探测器组件(6)后输出电信号，电信号传递至高速成像处理电路(7)；摆扫反射镜(3)控制电路产生的时间信号触发高速成像处理电路(7)产生时间积分同步信号；电信号和时间积分同步信号在高速成像处理电路(7)产生时空混合调制的红外热图像序列；红外热图像序列通过数字图像数据接口(8)输入到CUDA架构并行计算机(9)形成光谱数据立方体，再经过成像光谱定标后，由图像气体特征鉴别单元(12)处理，最终在图像显示器(14)显示出成像气体特征与景物热图叠加信息。
2.如权利要求1所述的准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统，其特征在于，所述探测器组件(6)包括探测器(61)和探测器电路(62)，光信号在探测器(61)的焦平面上产生空间调制干涉条纹，探测器电路(62)将空间调制干涉条纹光信号转化为可读的电信号。
3.如权利要求2所述的准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统，其特征在于，所述探测器为长波320×256制冷MCT探测器、中波640×512制冷探测器或非制冷探测器。
4.如权利要求1所述的准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统，其特征在于，所述空间调制干涉具(4)为空间调制迈克尔逊干涉具或三角共光路SAGNAC干涉具。
5.如权利要求1所述的时空混合调制红外干涉光谱成像系统，其特征在于，所述红外光学窗口(1)处集成有红外光学望远镜(2)进行变换视场，并将准平行光投射到摆扫反射镜(3)。
6.一种准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统的成像方法，其特征在于，所述成像方法如下：
步骤(1)背景及目标的红外热辐射信号投射到摆扫反射镜，摆扫反射镜按列摆动扫描产生时间调制；
步骤(2)背景及目标的红外热辐射信号经过摆扫反射镜扫描再通过空间调制干涉具产生双光束空间调制光程差，双光束空间调制光程差经过成像干涉光学镜组传递到探测器组件，在探测器焦平面上产生空间调制干涉条纹，探测器电路将干涉条纹光信号转化为电信号；
步骤(3)摆扫反射镜的控制电路触发高速成像处理电路产生时间积分同步信号，步骤(2)产生的电信号也传递到高速成像处理电路，积分同步信号和电信号在高速成像处理电路中产生时空混合调制的红外热图像序列；
步骤(4)红外热图像序列输入到CUDA架构并行计算机中，剔除冗余数据后重组干涉数据立方体，再通过并行处理反演算法形成光谱数据立方体，经过成像光谱定标后，由图像气体特征鉴别处理，最终在显示器显示出成像气体特征与景物热图叠加信息。
7.如权利要求6所述的准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统的成像方法，其特征在于，摆扫反射镜应完成两倍的空间调制干涉具视场FOV的扫描，以确保探测器阵列的每列敏感元扫过场景的所有物方列。
8.如权利要求1～5任一所述的准实时的时空混合调制红外干涉光谱成像系统在化学毒剂和工业有毒有害气体准实时探测中的应用。
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