CN108613742B - 一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪，将Sagnac干涉仪中的一个平面反射镜替换为直角反射镜，光线经过直角反射镜反射后，在垂直纸面方向(Z方向)上产生一个偏移量，使经过干涉仪后出射的光线与入射光线偏离开，从而在干涉仪的分束器两端均可进行干涉信息的采集，具有双通道探测的特点。本发明的突出优点是完全利用了入射光能量，提高了系统的能量利用率，可以实现双通道同时探测。

Description

一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪。

背景技术

干涉光谱成像技术通过获取被测目标的干涉强度信息，利用干涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系，经过傅里叶变换等数据处理过程复原出目标的光谱信息，因此又称为傅里叶变换光谱成像技术。根据干涉图获取方式的不同，干涉光谱成像技术可以分为时间调制型、空间调制型以及时空联合调制型三种方式。

时间调制型干涉光谱成像技术的干涉图是按时间序列获得的，通过干涉仪系统中动镜的运动，产生随时间变化的光程差，记录不同时刻不同光程差下的干涉强度获取目标的完整干涉图。典型的基于Michelson干涉仪的时间调制型干涉成像光谱仪方案中，通过干涉仪中动镜的移动获取目标的完整光程差干涉信息。由于系统中具有运动部件，干涉光路对运动部件的运动精度要求较高，相比于空间调制型干涉光谱成像技术稳定性较差，但是通过动镜的运动较容易实现大光程差即较高的光谱分辨率。

空间调制型干涉光谱成像技术的干涉图是按空间序列获得的，系统中无运动部件，具有很好的稳定性。空间调制型干涉光谱成像技术的典型分光方案是以Sagnac干涉仪为分光元件或双折射晶体等为分光元件得到空间调制的目标干涉信息并利用面阵探测器进行采集，探测器的不同位置对应同一目标点的不同的光程差，是一种点到面的成像关系，可实现一次成像获取目标的完整干涉信息。

时空联合调制型干涉光谱成像技术实际上是在普通成像系统中加入横向剪切干涉仪，使其获取的目标图像叠加了干涉信息，是一种面到面的成像关系，不同的地物目标点成像在探测器不同位置处，而探测器的不同位置又对应不同的光程差，因此，一次成像可以获取某一目标点的特定光程差干涉信息。通过飞行平台或摆镜对地物的连续推扫成像，可获取该点的完整干涉图，随后再进行傅里叶变换获取光谱信息。时空联合调制型干涉光谱成像技术的特点是系统中无狭缝，而且是面到面的成像关系，系统光通量高，其信噪比高于空间调制型干涉成像光谱仪。

在时空联合调制型干涉光谱成像技术中，有一种方案是基于Sagnac横向剪切干涉仪的大孔径静态干涉光谱成像技术(LASIS)，其原理如图1所示，系统主要包括：准直镜L1、Sagnac横向剪切干涉仪、成像镜L2、探测器D和数据处理系统。LASIS的Sagnac横向剪切干涉仪包括一个分束器BS，两个反射镜M1和M2，其中，反射镜M1与反射镜M2关于分束器的镜像位置M2’的偏移量为a。物面S上的某点发出的光经过准直镜L1准直后成为平行光进入干涉仪中，分束器BS将该平行光分为透射光和反射光两路，透射光先后经过M1和M2反射后回到分束器BS，反射光先后经过M2和M1反射后也回到分束器，两路光在分束器BS汇合后产生一个横向剪切量h，汇合后的光经过分束器后，一半的能量返回入射光路，另一半能量经过成像镜L2汇聚后成像在探测器D上。由于光线经过Sagnac干涉仪后形成具有一定横向剪切量的相干光，不同视场光线的光程差不同，在探测器D上形成叠加了干涉信息的目标图像。通过推扫成像并提取目标点在不同光程差下的完整干涉图，经过傅里叶变换等光谱复原过程后可获取目标的光谱信息。

现有的基于Sagnac干涉仪的大孔径静态干涉光谱成像技术中，光线经过横向剪切干涉仪后有一半的能量原光路返回，一半的能量经成像镜成像后被探测器接收，即探测器能够探测的能量只有入射能量的一半，极大地降低了系统的能量利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪，可实现入射能量的全部利用和双通道同时探测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪，包括：准直镜、横向剪切干涉仪、第一与第二成像镜、第一与第二探测器，以及数据处理系统；其中：所述横向剪切干涉仪包括：分束器、平面反射镜和直角反射镜；

物面S上的某点发出的光经过准直镜准直后成为平行光进入横向剪切干涉仪中，分束器将该平行光分为透射光和反射光两路，透射光依次经过平面反射镜与直角反射镜，在Z方向产生一个偏移量后返回分束器；反射光依次经过直角反射镜与平面反射镜，在Z方向产生一个偏移量后返回分束器；

在分束器汇合后的两路光在Z方向的偏移量相同，在XY平面内产生一个横向剪切量h；两路相干光经过分束器再次分束后，一半能量在分束器下方出射，通过第一成像镜与第一探测器进行干涉光强度的探测；另一半能量在分束器左侧出射，通过第二成像镜与第二探测器进行干涉光强度的探测，从而实现双通道的同时探测；

经过成像系统后在每一探测器上得到受干涉强度调制的目标点强度信息，每一探测器的不同位置处得到不同地物目标点的不同光程差信息，通过推扫成像和干涉图提取可以得到目标的完整干涉信息，最后通过数据处理系统进行光谱复原从而复原出原始光谱信息。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过在Sagnac干涉仪中引入一个直角反射镜，使经过干涉仪后出射的光线与入射光线偏移开，可在分束器的两侧同时进行干涉强度测量，即可实现入射能量的全部利用和双通道同时探测

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现有技术中大孔径静态干涉成像光谱仪的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪的示意图；

图3为本发明实施例提供的双通道输出示意图；

图4为本发明实施例提供的经过直角镜后的偏移量示意图。

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。

本发明提出一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪，是在大孔径静态干涉光谱成像技术中将Sagnac干涉仪中的一个反射镜替换成一个直角反射镜，从而将进入干涉仪的光线和出射干涉仪的光线分开，可以实现双光路同时探测，提高系统的能量利用率。

如图2所示，本发明实施例提供的一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪主要包括准直镜L1、横向剪切干涉仪、第一与第二成像镜、第一与第二探测器，以及数据处理系统；其中：所述横向剪切干涉仪包括：分束器BS、平面反射镜M1和直角反射镜RM2；

物面S上的某点发出的光经过准直镜L1准直后成为平行光进入横向剪切干涉仪中，分束器BS将该平行光分为透射光和反射光两路，透射光依次经过平面反射镜与直角反射镜，在Z方向(垂直纸面方向)产生一个偏移量后返回分束器；反射光依次经过直角反射镜与平面反射镜，在Z方向产生一个偏移量后返回分束器；

在分束器汇合后的两路光在Z方向的偏移量相同，在XY平面内产生一个横向剪切量h；两路相干光经过分束器再次分束后，一半能量在分束器下方出射，通过第一成像镜与第一探测器进行干涉光强度的探测；另一半能量在分束器左侧出射，通过第二成像镜与第二探测器进行干涉光强度的探测，从而实现双通道的同时探测；图2中为了绘制的方便，仅示出了第一成像镜L2与第一探测器D。

经过成像系统后在每一探测器上得到受干涉强度调制的目标点强度信息，每一探测器的不同位置处得到不同地物目标点的不同光程差信息，通过推扫成像和干涉图提取可以得到目标的完整干涉信息，最后通过数据处理系统进行光谱复原从而复原出原始光谱信息。

本发明实施例中，基于直角反射镜，使得横向剪切干涉仪具有双路输入双路输出功能，如图3所示，即具有两个输入端In1与In2，两个输出端Out1与Out2；以In1为输入端时，在Out1和Out2两个输出端输出相干光，实现干涉信息的测量；同样，以In2为输入端时，在Out1和Out2两个输出端输出相干光，进行干涉信息的测量；从而具有双路输入双路输出的特点。

本发明实施例中，直角反射镜由两片成90°夹角的平面反射镜组成，直角反射镜中两个平面镜的交线在纸面内，即XY平面内，平面反射镜与直角反射镜关于分束器的镜像位置RM2’的偏移量为a。

本发明实施例中，光线经过直角反射镜的偏移量与直角反射镜的顶点P偏离入射光线平面的距离相关；如图4所述，若顶点P与入射光线平面的距离为l，则光线经过直角反射镜反射后的出射光线与入射光线之间的偏移量为2l；即进入横向剪切干涉仪与出射横向剪切干涉仪的光线之间在Z方向上的偏移量为2l。

经过横向剪切干涉仪出射的两路光在Z方向的偏移量相同，经过每一成像镜汇聚后的干涉强度与两路光之间的横向剪切量h和像元与光轴的距离x相关，每一探测器上的干涉图表达式如下：

式中，σ为入射光波数，f为成像系统焦距；上式为去除直流分量后的干涉图表达式，经过逆傅里叶变换后，即可复原出目标点的光谱信息。

本发明实施例上述方案，将Sagnac干涉仪中的一个平面反射镜替换为直角反射镜，光线经过直角反射镜反射后，在垂直纸面方向(Z方向)上产生一个偏移量，使经过干涉仪后出射的光线与入射光线偏离开，从而在干涉仪的分束器两端均可进行干涉信息的采集，具有双通道探测的特点。本发明的突出优点是完全利用了入射光能量，提高了系统的能量利用率，可以实现双通道同时探测。

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)

1.一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪，其特征在于，包括：准直镜、横向剪切干涉仪、第一与第二成像镜、第一与第二探测器，以及数据处理系统；其中：所述横向剪切干涉仪包括：分束器、平面反射镜和直角反射镜；

物面S上的某点发出的光经过准直镜准直后成为平行光进入横向剪切干涉仪中，分束器将该平行光分为透射光和反射光两路，透射光依次经过平面反射镜与直角反射镜，在Z方向产生一个偏移量后返回分束器；反射光依次经过直角反射镜与平面反射镜，在Z方向产生一个偏移量后返回分束器；

在分束器汇合后的两路光在Z方向的偏移量相同，在XY平面内产生一个横向剪切量h；两路相干光经过分束器再次分束后，一半能量在分束器下方出射，通过第一成像镜与第一探测器进行干涉光强度的探测；另一半能量在分束器左侧出射，通过第二成像镜与第二探测器进行干涉光强度的探测，从而实现双通道的同时探测；

经过成像系统后在每一探测器上得到受干涉强度调制的目标点强度信息，每一探测器的不同位置处得到不同地物目标点的不同光程差信息，通过推扫成像和干涉图提取可以得到目标的完整干涉信息，最后通过数据处理系统进行光谱复原从而复原出原始光谱信息；

其中，直角反射镜由两片成90°夹角的平面反射镜组成，直角反射镜中两个平面镜的交线在纸面内，即XY平面内，平面反射镜与直角反射镜关于分束器的镜像位置的偏移量为a；

包含直角反射镜的横向剪切干涉仪具有双路输入双路输出功能，即具有两个输入端口In1与In2，两个输出端Out1与Out2；

以In1为输入端时，在Out1和Out2两个输出端输出相干光，实现干涉信息的测量；同样，以In2为输入端时，在Out1和Out2两个输出端输出相干光，进行干涉信息的测量。

2.根据权利要求1所述的一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪，其特征在于，光线经过直角反射镜的偏移量与直角反射镜的顶点P偏离入射光线平面的距离相关；若顶点P与入射光线平面的距离为l，则光线经过直角反射镜反射后的出射光线与入射光线之间的偏移量为2l；即进入横向剪切干涉仪与出射横向剪切干涉仪的光线之间在Z方向上的偏移量为2l。

3.根据权利要求1所述的一种双通道大孔径静态干涉成像光谱仪，其特征在于，经过横向剪切干涉仪出射的两路光在Z方向的偏移量相同，经过每一成像镜汇聚后的干涉强度与两路光之间的横向剪切量h和像元与光轴的距离x相关，每一探测器上的干涉图表达式如下：

式中，σ为入射光波数，f为成像系统焦距；上式为去除直流分量后的干涉图表达式，经过逆傅里叶变换后，即可复原出目标点的光谱信息。

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