CN108051088A - 用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，解决传统的微透镜阵列光谱成像方法获取的视场较小，无法实现大视场下的高空间分辨，只能够实现在准确波长选择情况下的窄视场探测问题。该成像系统包括密封箱体、前置望远系统、分束器、第一成像镜组、灰度探测器、第一准直镜组、微透镜阵列单元、第二成像镜组、衍射光栅、光谱探测器，通过前置望远系统的光进入分束器，一路保持原入射方向透过，一路垂直于入射方向传播，第一成像镜组对垂直于入射方向的目标光进行收集并成像至灰度探测器；第一准直镜组、微透镜阵列单元、第二成像镜组、衍射光栅和光谱探测器依次设置，第一准直镜组是对沿入射方向透过的光进行准直。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像领域，具体涉及一种用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统。
背景技术
光谱成像技术是一种“谱像合一”的综合探测技术，既可获取目标影像信息，又可获取目标光谱信息，具备揭露伪装目标的能力，可实现战场环境下目标的准确探测与识别，被誉为光学仪器发展史的一次飞跃，已远超传统全色光学相机(仅能获取目标轮廓和灰度特征)，该技术已在环境监测、精细农业、矿物调查等领域被广泛应用，但是只有少数国家将该技术在海洋水下目标探测方面开展了应用和研究。快照型光谱成像探测技术不仅可以用于海底地形地貌、水下航道底质、海底沉积物调查、海底环境监测、海底矿物勘探、海底沉船搜救、输油管道漏油监测等方面，也可对表层图像无法识别的一些海底不明目标、移动目标等进行探测识别，同时也可为水下无人潜器(如潜艇)的停泊、转移、导航以及未来海底水下工作站的选址及建立等提供重要技术支持，具有重要的战略意义。
目前对海洋水下探测的光谱成像方法，按照数据立方体获取方式主要有两种，一是推扫型，二是快照型，推扫型光谱成像技术路线对运动目标不具备有效探测能力，针对快照型光谱成像技术路线可分为如下几种：
基于量子点的光谱成像探测成像方法：该原理是采用纳米材料领域的量子点技术，利用量子点的吸光特性，将其缩小至人的头发丝万分之一尺寸时，量子点的颜色随尺寸改变而改变，能在非常宽的颜色范围内连续的获得不同谱段的光谱，再在将量子点附着在探测器的每一个像素上，实现分光与信号获取，该方法缺点是制备较为复杂，波长选择的精度难以保证，信噪比偏低。
基于微窄带滤光的光谱芯片探测方法：该方法是在探测器光敏元上，设计基于微窄带滤光的超表面结构，再采用纳米压印光刻技术，实现分光与光谱信号的获取，该方法的缺点是空间探测视场较小、信噪比较低、加工制备的工艺较为复杂，实际应用难度大。
基于微透镜阵列的光谱成像探测方法：传统的微透镜阵列光谱成像方法是采用表面镀膜技术，在各个微透镜前端镀不同谱段的窄带滤光片，实现不同谱段的光谱信息准确获取，但该方法获取的视场较小，无法实现大视场下的高空间分辨，只能够实现在准确波长选择的情况下的窄视场探测。
发明内容
本发明的目的是解决传统微透镜阵列光谱成像方法获取的视场较小，无法实现大视场下的高空间分辨，只能够实现在准确波长选择情况下的窄视场探测问题，提供一种用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统。
本发明的技术方案是：
一种用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，包括密封箱体和设置在密封箱体内的前置望远系统、分束器、第一成像镜组、灰度探测器、第一准直镜组、微透镜阵列单元、第二成像镜组、衍射光栅、光谱探测器；所述密封箱体上设置有观察窗口和电源数据接口，所述前置望远系统通过观察窗口对目标进行观测，通过前置望远系统的光进入分束器，一路保持原入射方向透过，一路垂直于入射方向传播，第一成像镜组对垂直于入射方向的目标光进行收集并成像至灰度探测器，灰度探测器获取垂直于入射方向的目标光信号；所述第一准直镜组、微透镜阵列单元、第二成像镜组、衍射光栅和光谱探测器沿光路依次设置，所述第一准直镜组是对沿入射方向透过的光进行准直，并与微透镜阵列单元进行光路匹配，微透镜阵列单元用于对入射方向目标进行快照式画幅成像，第二成像镜组对经过微透镜阵列单元的入射方向目标光进行收集，经过第二成像镜组的目标光经衍射光栅分光后入射至光谱探测器，衍射光栅实现微透镜阵列对应图像阵列进行波段选择。
进一步地，所述前置望远系统包括依次设置的前置成像镜组、光阑和第二准直镜组。
进一步地，所述前置成像镜组为透射式成像光路结构、反射式光路结构或折反射式光路结构。
进一步地，所述第二准直镜组为透射式成像光路结构、反射式光路结构或折反射式光路结构。
进一步地，所述第一成像镜组为透射式成像光路结构、反射式光路结构或折反射式光路结构。
进一步地，所述第二成像镜组为透射式成像光路结构、反射式光路结构或折反射式光路结构。
本发明的优点为：
1.本发明系统增加一路大面阵灰度探测器光路(例如是光谱探测器N倍、具体为2倍大小)，此光路下的目标是与光谱探测器每一个小微透镜成像的目标是一致的，这样可以通过灰度大面阵探测器对小微透镜单元对应的同一目标进行高分辨的空间补偿，把每个小透镜单元对应的低空间分辨图像补偿成为高空间分辨率图像，采用的补偿手段是空间插值、邻域像元拟合，灰度探测器获取的图像空间分辨率高，光谱探测器在大视场成像探测时空间分辨率较低，此时通过灰度探测器的高空间分辨图像对光谱探测器的低空间分辨图像进行空间插值、邻域像元拟合等方法，可获取更高空间分辨的光谱图像。
2.本发明突破了传统微透镜阵列式的快照式光谱成像系统低空间分辨、低光谱分辨的缺点，将光谱探测器和灰度探测器获取的数据，按照基于空间目标精细配准方法，由灰度探测器来实现光谱探测器的空间高分辨，由衍射光栅实现高光谱分辨，在保留快照式光谱获取的基础上，实现了高光谱探测与高空间探测的有效结合。
3.本发明系统不存在运动部件，具有非常好的稳定性。
4.本发明通过微透镜阵列，实现了目标的快照探测，实现了高空间分辨率与高光谱分辨率的有效结合。
5.本发明采用微透镜阵列单元，实现了每个微透镜对应的光谱谱段的获取，又是同一空间目标(无穷远处)，因此无需推扫，便可以实现同一场景目标的多个光谱谱段(由光栅决定光谱谱段)，相比于传统推扫型光谱成像装置，具备对运动目标的探测能力。
附图说明
图1为本发明实施例系统结构图；
图2为本发明基于空间目标精细配准方法示意图。
附图标记：1-观察窗口，2-前置望远系统，21-前置成像镜组，22-光阑，23-第二准直镜组，3-分束器，4-第一成像镜组，5-灰度探测器，6-第一准直镜组，7-微透镜阵列单元，8-第二成像镜组，9-衍射光栅，10-光谱探测器，11-电源数据接口，12-密封箱体。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示的一种用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，包括密封箱体12和设置在密封箱体12内的前置望远系统2、分束器3、第一成像镜组4、灰度探测器5、第一准直镜组6、微透镜阵列单元7、第二成像镜组8、衍射光栅9、光谱探测器10；密封箱体12上设置有观察窗口1和电源数据接口11，前置望远系统2通过观察窗口1对目标进行观测，通过前置望远系统2的光进入分束器3，一路保持原入射方向透过，一路垂直于入射方向传播，第一成像镜组4对垂直于入射方向的目标光进行收集并成像至灰度探测器5，灰度探测器5获取垂直于入射方向的目标光信号。
第一准直镜组6、微透镜阵列单元7、第二成像镜组8、衍射光栅9和光谱探测器10沿光路依次设置，第一准直镜组6是对沿入射方向透过的光进行准直，并与微透镜阵列单元7进行光路匹配，微透镜阵列单元7是镀有不同谱段信息的阵列单元，用于对入射方向目标进行快照式画幅成像，第二成像镜组8对经过微透镜阵列单元7的入射方向目标光进行收集，经过第二成像镜组8的目标光经衍射光栅9分光后入射至光谱探测器10，衍射光栅9实现微透镜阵列对应图像阵列进行波段选择。微透镜阵列单元7是N维×N维的微小透镜阵列单元，用于对入射方向目标光线的调制，实现快照成像。
前置望远系统2包括前置成像镜组21、光阑22、第二准直镜组23，前置成像镜组21、第二准直镜组23、第一成像镜组4、第二成像镜组8可以是透射式成像光路结构也可以是反射式光路结构或者折反射式光路结构。前置成像镜组21，第二准直镜组23，第一成像镜组4、第二成像镜组8一般由具有正负光焦度的多组光学元件构成。前置望远系统2主要由前置成像镜组21构成，具体包括凸透镜和凹透镜，实现不同位置远距离的目标成像，第一成像镜组4与第二成像镜组8类似，主要是实现目标平行光的汇聚，在探测器上实现清晰的目标成像，第一准直镜组6主要实现目标光束准直，即目标光束的平行入射。
前置成像镜组的作用是对目标进行成像，同时，依据观测目标的距离选择合适的焦距；光阑22的作用是调节入瞳的光通量；分束器3的作用是对光束进行分光，一路保持原入射方向透过，一路垂直于入射方向传播，两束光的能量各占50％；第一成像镜组是对沿垂直于入射方向的目标光进行收集并成像至灰度探测器5，灰度探测器5是获取沿垂直于入射方向的目标光信号；第一准直镜组6是对沿入射方向透过的光进行准直，并与微透镜阵列单元7进行光路匹配，微透镜阵列单元7用于对入射方向目标进行快照式画幅成像；第二成像镜组是对沿入射方向的目标光进行收集；衍射光栅9实现与微透镜阵列对应图像阵列的波段选择；光谱探测器10接收入射方向目标分光后的光信号，观察窗口1是光谱仪入射的输入端口，密封箱体12的作用是对光谱仪进行有效防水密封，确保有效隔离水体介质，电源数据接口11的作用是为光谱仪工作提供供电接口、数据传输端口、串口控制端口。
如图2所示，空间目标精细配准方法，对应的光谱探测器在一个谱段的低空间分辨率图像，以2倍空间分辨为例，通过在相同空间位置按照邻域像元灰度值按比例计算相应灰度值，计算出的灰度值来插值到光谱探测器每个微镜阵列获得的图像相应位置中，实现空间的补偿。
工作原理：系统搭载水下平台在水下布放后，通过搭载平台供电，并控制光谱成像仪工作，此时，观察窗口1视场内目标，经过前置望远系统(成像系统)入射至分束器3，分光后，沿入射方向的光束，经过第一准直镜组、微透镜阵列单元7、再由第二成像镜组8，经衍射光栅9分光后，实现入射方向的色散光束入射至光谱探测器10；垂直于入射方向的光束经第一成像镜组4成像至灰度探测器5，两路光束在灰度探测器5和光谱探测器10获取的光束由数据端口传输至水下平台的存储设备，或实时传输至海上平台，由水下平台或者海上平台处理器，将光谱探测器10和灰度探测器5获取的数据，按照基于空间目标精细配准方法，由灰度探测器5来实现光谱探测器10的空间高分辨，由衍射光栅9实现高光谱分辨，在保留快照式光谱获取的基础上，实现了高光谱探测与高空间探测的有效结合。
传统上的微透镜阵列单元7是在探测器的靶面上，按照微透镜的数目进行分区，假设透镜阵列是2×2的，那么这四个透镜在靶面位置只占靶面区域的1/4(在120倍焦距之外，即无穷远处是同一地物目标)，这样在该区域的像素点数仅为探测器的1/4，即同一地物目标是用探测器靶面的1/4来描述，随着光谱谱段数的增加，微透镜阵列单元7的数目也在增加，这样每个小微透镜的对应同一目标地物下探测器靶面描述的像素点数就相对较少，从而空间分辨率大幅缩小，这是基于微透镜的快照型光谱成像探测技术原理的常见缺陷，本发明采用增加一路大面阵灰度探测器5光路(比如是光谱探测器10的2倍大小)，此光路下的目标是与光谱探测器10每一个小微透镜成像的目标是一致的，这样我们就可以通过灰度大面阵探测器对小微透镜对应的同一目标进行低分辨的空间补偿，把每个小透镜对应的低空间分辨图像补偿成为高空间分辨率的，采用的补偿手段是空间插值、领域像元拟合。
Claims (7)
1.一种用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，其特征在于：包括密封箱体(12)和设置在密封箱体(12)内的前置望远系统(2)、分束器(3)、第一成像镜组(4)、灰度探测器(5)、第一准直镜组(6)、微透镜阵列单元(7)、第二成像镜组(8)、衍射光栅(9)、光谱探测器(10)；
所述密封箱体(12)上设置有观察窗口(1)和电源数据接口(11)，所述前置望远系统(2)通过观察窗口(1)对目标进行观测，通过前置望远系统(2)的光进入分束器(3)，一路保持原入射方向透过，一路垂直于入射方向传播，所述第一成像镜组(4)对垂直于入射方向的目标光进行收集并成像至灰度探测器(5)，灰度探测器(5)获取垂直于入射方向的目标光信号；
所述第一准直镜组(6)、微透镜阵列单元(7)、第二成像镜组(8)、衍射光栅(9)和光谱探测器(10)沿光路依次设置，所述第一准直镜组(6)对沿入射方向透过的光进行准直，并与微透镜阵列单元(7)进行光路匹配，微透镜阵列单元(7)用于对入射方向目标进行快照式画幅成像，第二成像镜组(8)对经过微透镜阵列单元(7)的入射方向目标光进行收集，经过第二成像镜组(8)的目标光经衍射光栅(9)分光后入射至光谱探测器(10)，衍射光栅(9)实现与微透镜阵列对应图像阵列的波段选择。
2.根据权利要求1所述的用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，其特征在于：所述前置望远系统(2)包括依次设置的前置成像镜组(21)、光阑(22)和第二准直镜组(23)。
3.根据权利要求2所述的用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，其特征在于：所述前置成像镜组(21)为透射式成像光路结构、反射式光路结构或折反射式光路结构。
4.根据权利要求2或3所述的用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，其特征在于：所述第二准直镜组(23)为透射式成像光路结构、反射式光路结构或折反射式光路结构。
5.根据权利要求4所述的用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，其特征在于：所述第一成像镜组(4)为透射式成像光路结构、反射式光路结构或折反射式光路结构。
6.根据权利要求5所述的用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，其特征在于：所述第二成像镜组(8)为透射式成像光路结构、反射式光路结构或折反射式光路结构。
7.根据权利要求5所述的用于水下探测的高光谱高空间分辨积分视场光谱成像系统，其特征在于：所述电源数据接口(11)设置在密封箱体(12)的顶端。
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