CN109186759A - 一种光栅光谱仪像质测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度光栅光谱仪像质测量方法和装置，其中所述装置包括：一个经过积分球匀化的单色光源，一个带有狭缝靶标的平行光管，一个被测成像光谱仪和一个数据处理系统。狭缝靶标由微动位移台控制可沿垂直于被测光谱仪狭缝方向平移，被测光谱仪可接收该单色光源经过狭缝靶标的信号。通过分析计算光谱仪上某一组像元光强变化和狭缝移动量的关系得到光谱仪的线扩散函数，去除狭缝靶标宽度对测试结果的影响，经过傅里叶变换解算出系统光谱方向的MTF。通过将物狭缝旋转90度扫描，可以测试空间方向的MTF。此种方法解决了成像光谱仪光谱方向的传递函数无法测试的问题，实现了成像光谱仪像质的精确测试。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种光栅光谱仪像质测量方法和装置。
背景技术
随着光学遥感技术的发展，光谱测量技术在物质成分分析，环境监测，地质测量和军事侦察等方面得到了应用和发展，尤其是星载或机载光谱成像仪在空间探测方面得到了广泛的应用，成像光谱仪能够同时获取目标的二维空间图像和一维光谱信息，既能直观反映被测目标的几何形貌，又能提供目标的理化属性，是一种图谱结合的探测手段。上个世纪八十年代以来，光谱成像技术开始被广泛应用于航天航空遥感成像，通过飞行器搭载，在矿产与石油资源探测、水质及大气污染监测、精准农业和林业等领域取得了瞩目成就。获得了越来越广泛的研究与运用。成像光谱仪在星载或机载空间探测应用方面，在满足光谱分辨率要求的基础上，还要求光谱维和空间维两维方向上的空间分辨，因此要求系统装调测试过程中，能对两维的空间分辨率进行精确测试。对于传统的成像系统，测试传递函数的方法为对比度法，如图1所示，由矩形靶标产生亮暗条纹，经平行光管出射，由被测成像系统接收,通过数据处理系统分析得到的亮暗条纹的对比度实现光学传递函数测试。对于成像光谱仪，空间方向传递函数测试可以采用此种方法，光谱方向受到狭缝的限制，狭缝宽度和探测器像元大小相当，矩形靶标的亮暗条纹只能有一个亮线或暗线通过，导致光谱方向的传递函数无法测试。对于其他的测试方法如刃边法，也由于成像光谱仪狭缝的限制，无法形成有效的边缘扩展函数无法应用于成像光谱仪光谱方向的光学传递函数测试。目前成像光谱仪光谱方向无有效测试方法，一般采用空间方向的光学传递函数预估光谱方向的光学传递函数，并结合光谱方向的光谱分辨率综合判定光谱方向的光学传递函数。而成像光谱仪的光学传递函数是一项重要指标，直接影响系统的空间分辨率，对仪器能否达到识别目标的目的至关重要，因此需要一种高精度成像光谱仪像质的测量方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光栅光谱仪像质测量方法和装置，克服了成像光谱仪狭缝的限制，实现了对光谱仪的高精度像质检测。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种光栅光谱仪像质测量装置，包括：单色光源、平行光管、狭缝靶标、微动位移台、成像光谱仪和数据采集系统；其中，所述单色光源发出均匀单色光，然后照射在狭缝靶标上，狭缝靶标固定在微动位移台上，狭缝靶标位于平行光管的焦平面上，经过狭缝靶标发出的光经平行光管准直后照射在成像光谱仪上形成光斑，并传输给数据采集系统，数据采集系统分析得到光斑的强度分布；所述微动位移台带动所述狭缝靶标沿垂直于所述成像光谱仪的方向移动，所述数据采集系统自动记录所述成像光谱仪的特定像元上的光强变化，并根据移动量和相对应的像元强度变化之间的对应关系，拟合得到线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数。
上述光栅光谱仪像质测量装置中，所述成像光谱仪包括聚焦镜、成像镜、狭缝和面阵探测器；其中，经过狭缝靶标发出的光经过聚焦镜聚焦后通过狭缝，并经过成成像镜形成光斑成像在面阵探测器上。
上述光栅光谱仪像质测量装置中，所述单色光源包括谱线灯和积分球。
上述光栅光谱仪像质测量装置中，均匀单色光的光谱带宽小于成像光谱仪光谱带宽的1/10。
上述光栅光谱仪像质测量装置中，所述微动位移台每次移动量为狭缝靶标宽度的1/30～1/60。
上述光栅光谱仪像质测量装置中，所述微动位移台带动所述狭缝靶标沿垂直于所述成像光谱仪的方向移动，所述数据采集系统自动记录所述成像光谱仪的特定像元上的光强变化，并根据移动量和相对应的像元强度变化之间的对应关系，拟合得到线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数包括：微动位移台控制狭缝靶标沿垂直于狭缝方向向下扫描，其中，扫描步长为Δx；当面阵探测器上的狭缝靶标的像从狭缝的上端移动到下端的过程中，面阵探测器上的第一像元、第二像元和第三像元上均得到一组光强值，第一像元、第二像元和第三像元每个像元均得到相对应的光强随位移量的变化曲线；将三个像元上的光强随位移量的变化曲线转化到同一个坐标系下得到一个光强随位移量的变化曲线，由这一个光强随位移量的变化曲线得到线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数。
上述光栅光谱仪像质测量装置中，扫描步长为Δx＝D/m×τ，其中，m为30～60的整数，τ＝f1/f2，τ为放大率，f1为平行光管的焦距，f2为成像光谱仪的焦距。
一种光栅光谱仪像质测量方法，所述方法包括如下步骤：
微动位移台控制狭缝靶标沿垂直于狭缝方向向下扫描，其中，扫描步长为Δx；
当面阵探测器上的狭缝靶标的像从狭缝的上端移动到下端的过程中，面阵探测器上的第一像元、第二像元和第三像元上均得到一组光强值，第一像元、第二像元和第三像元每个像元均得到相对应的光强随位移量的变化曲线；
将三个像元上的光强随位移量的变化曲线转化到同一个坐标系下得到一个光强随位移量的变化曲线，由这一个光强随位移量的变化曲线得到线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数。
上述光栅光谱仪像质测量方法中，扫描步长为Δx＝D/m×τ，其中，m为30～60的整数，τ＝f1/f2，τ为放大率，f1为平行光管的焦距，f2为成像光谱仪的焦距。
上述光栅光谱仪像质测量方法中，傅立叶变换公式为：其中，LSF(x)为线扩散函数，x为像元方向的坐标值，u为不同线对数的对比度值。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明的狭缝靶标由微动位移台控制可沿垂直于被测光谱仪狭缝方向平移，通过分析一组像元和移动量对应关系得到被测系统的线扩散函数，通过实时数据采集和分析系统计算得到光谱方向传递函数。通过将物狭缝旋转90度扫描，可以测试空间方向的MTF，解决了成像光谱仪光谱方向的传递函数无法测试的问题，实现了成像光谱仪像质的精确测试。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的成像相机的光学传递函数测试方法的原理示意图；
图2是本发明实施例提供的光栅光谱仪像质测量装置的示意图；
图3是本发明实施例提供的成像光谱仪光学传递函数的数据处理原理示意图；其中，图3(a)为狭缝靶标的像302刚进入探测器像元32时，探测器像元31,32和33上的能量分布原理图；图3(b)为狭缝靶标的像302进入探测器像元32中间时，探测器像元31,32和33上的能量分布原理图；图3(c)为狭缝靶标的像302将要移出探测器像元32时，探测器像元31,32和33上的能量分布原理图；
图4是本发明实施例提供的成像光谱仪光学传递函数的数据处理原理示意图；其中，图4(a)为像元31上的光强311随狭缝移动的能量分布图；图4(b)为像元32上的光强311随狭缝移动移动的能量分布图；图4(c)为像元33上的光强311随狭缝移动移动的能量分布图；图4(d)为归一化后的被测仪器的线扩散函数；图4(e)为经线扩散函数傅里叶变换解算的被测仪器的光学传递函数曲线；
图5是本发明实施例提供的成像光谱仪光学传递函数的数据处理原理示意图，其中，图5(a)为狭缝靶标像未到达像元42时，光斑和像元的位置关系示意图；图5(b)为狭缝靶标像进入像元42时，光斑和像元的位置关系示意图；图5(c)为狭缝靶标像移出像元42时，光斑和像元的位置关系示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的成像相机的光学传递函数测试方法的原理示意图。如图1所示，左边为矩形靶标的亮暗条纹，右侧为矩形靶标经过成像相机后得到的亮暗条纹，根据得到的亮暗条纹对比度得出成像相机的光学传递函数。
参考图2所示，本系统的测量装置由4部分组成，分别为单色光源21，带有狭缝靶标221的平行光管22，成像光谱仪23和数据采集系统24。单色光源21由谱线灯和积分球组成，可以输出均匀单色光，光谱范围覆盖整个测量范围，其光谱带宽要满足成像光谱仪测试的要求，具体为一般小于被测成像光谱仪光谱带宽的1/10。之后照射在狭缝靶标221上，狭缝靶标221固定在微动位移台222上，狭缝靶标221位于平行光管22的焦平面上，经过狭缝靶标221发出的光经平行光管22准直后照射在成像光谱仪23上，成像光谱仪23是被测试系统，成像光谱仪23由聚焦镜232、成像镜233，狭缝231和面阵探测器234组成。调整成像光谱仪23使狭缝靶标221的光经过聚焦镜232后，正好通过成像光谱仪23的狭缝231，并经过成像镜233成像在面阵探测器234上，面阵探测器234可实时接收经狭缝靶标221照射进入成像光谱仪23上的光斑，并由数据采集系统24分析光斑的强度分布。在测试的过程中，微动位移台222带动狭缝靶标221沿垂直于成像光谱仪23狭缝231的方向移动，每次移动量为狭缝靶标221宽度的1/30～1/60,数据采集系统24自动记录某一组特定像元上的光强变化，并根据移动量和面阵探测器234上相对应的像元强度变化之间的对应关系，拟合得到被测系统的线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数。
本实施例还提供了一种光栅光谱仪像质测量方法，该方法包括如下步骤：
微动位移台222控制狭缝靶标221沿垂直于狭缝231方向向下扫描，其中，扫描步长为Δx；
当面阵探测器234上的狭缝靶标的像301从光谱仪狭缝231的上端移动到下端的过程中，面阵探测器234上的第一像元31、第二像元32和第三像元33上均得到一组光强值，第一像元31、第二像元32和第三像元33每个像元均得到相对应的光强随位移量的变化曲线；
将三个像元上的光强随位移量的变化曲线转化到同一个坐标系下得到一个光强随位移量的变化曲线，由这一个光强随位移量的变化曲线得到线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数。
具体的，参考图3所示，为了解决现有成像系统传递函数测试装置无法应用于成像光谱仪的问题，采用扫描狭缝靶标的方法实现光谱方向的传递函数高精度测量。通过本发明前述的测量装置采集到一组狭缝位移量和某一组像元强度的对应关系图，并对其进行数据处理。具体过程为，微动位移台控制狭缝靶标221沿垂直于光谱仪狭缝231方向向下扫描，记录像元上的光强分布，当狭缝靶标的像302正好位于光谱仪狭缝像301的上边缘时，如图3(a)所示，在像元31，32和33上分别测得一个光强值为311，321和331；当狭缝靶标的像302进入探测器像元32中间时，如图3(b)所示，在像元31，32和33上分别测得一个光强值为311，321和331；当狭缝靶标的像302将要移出探测器像元32时，如图3(c)所示，在像元31，32和33上分别测得一个光强值为311，321和331；狭缝靶标的像301的宽度为d，光谱仪狭缝像301的宽度为D，则D/d需要大于10，可保证狭缝靶标的像301对测试结果的影响可以忽略。假定扫描步长Δx，则Δx＝D/m×τ，m为30～60的整数。τ＝f1/f2，其中τ为放大率，f1为平行光管22的焦距，f2为成像光谱仪23的焦距。当狭缝靶标的像301从光谱仪狭缝231的上端移动到下端的过程中，像元上31，32和33上得到一组光强值，像元上的光强值随着狭缝靶标的移动产生变化，移动量为Δx，2Δx…mΔx，记录光强和移动量的对应关系，可得到光强随位移量的变化曲线，其中像元31上的光强311随狭缝移动逐渐下降如图4a所示，像元32光强321先上升后下降呈抛物线形状如图4b所示，像元33上光强331随狭缝移动逐渐增强如图4c所示，像元31，32和33光强曲线代表着仪器线型函数。将31和33像元的位置坐标转化为相对像元32的位置坐标，我们已知起始点为Δx，以步长Δx移动，终点为mΔx，31像元和32像元的上端连接，转化为32像元位置坐标为Δx-nΔx(n＝1,2…m)，nΔx代表狭缝靶标221的实际移动量。像元33和32像元的下端连接，转化为32像元位置坐标为mΔx-nΔx。将三个像元上的强度曲线转化到一个坐标系下如图4d所示，即为被测仪器的线扩散函数。由线扩散函数经过傅立叶变换，变换公式如下，LSF(x)为线扩散函数，X为像元方向的坐标值，u为不同线对数的对比度值，可得出此方向的传递函数如图4e所示。
线扩散函数的测量精度和扫描步长Δx有关，如果想提高测量精度，只需要选择更小的Δx即可。上诉方法中，线扩散函数分布在3个像元上，当线扩散函数分布在更多像元上时，只需要采集所有包含有效光强的像元上的数据，计算方法同上，即可以获得被测仪器的线扩散函数。因为狭缝靶标在长度方向上覆盖较多像元，因此同一次测量中，可以在垂直于光谱仪狭缝231的方向上采集多列像元的线扩散函数解算传递函数，选取多次测量结果的平均值提高测量精度。此种测量方法简便，工程易于实现，实现了对成像光谱仪光谱方向的传递函数测试，解决了成像光谱仪光谱方向传递函数无法测试的难题。
当采用此方法测试空间方向的传递函数时，将狭缝靶标旋转90度，采用图4所示的方法可以测得空间方向的传递函数。也可以采用如图5所示方法，只测试像元42上的光强421和狭缝靶标像402位移量之间的对应关系曲线计算传递函数。如图5(a)所示，当成像光谱仪23接收到的光斑未到达像元42时，像元42无强度输出，狭缝靶标以Δx步长移动，像元42上光强421从小变大，狭缝靶标像402移动进入像元42时，如图5(b)所示，狭缝靶标继续以Δx步长移动，像元42上光强421由大变小，狭缝靶标像402移出像元42时，如图5(c)所示，此时像元42无强度输出，像元42的光强对应狭缝靶标移动量会产生一条完整的线扩散函数曲线。通过傅立叶变换，即可测得空间方向的传递函数。
本实施例的狭缝靶标由微动位移台控制可沿垂直于被测光谱仪狭缝方向平移，通过分析一组像元和移动量对应关系得到被测系统的线扩散函数，通过实时数据采集和分析系统计算得到光谱方向传递函数。通过将物狭缝旋转90度扫描，可以测试空间方向的MTF，解决了成像光谱仪光谱方向的传递函数无法测试的问题，实现了成像光谱仪像质的精确测试。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光栅光谱仪像质测量装置，其特征在于包括：单色光源(21)、平行光管(22)、狭缝靶标(221)、微动位移台(222)、成像光谱仪(23)和数据采集系统(24)；其中，
所述单色光源(21)发出均匀单色光，然后照射在狭缝靶标(221)上，狭缝靶标(221)固定在微动位移台(222)上，狭缝靶标(221)位于平行光管(22)的焦平面上，经过狭缝靶标(221)发出的光经平行光管(22)准直后照射在成像光谱仪(23)上形成光斑，并传输给数据采集系统(24)，数据采集系统(24)分析得到光斑的强度分布；
所述微动位移台(222)带动所述狭缝靶标(221)沿垂直于所述成像光谱仪(23)的方向移动，所述数据采集系统(24)自动记录所述成像光谱仪(23)的特定像元上的光强变化，并根据移动量和相对应的像元强度变化之间的对应关系，拟合得到线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数。
2.根据权利要求1所述的光栅光谱仪像质测量装置，其特征在于：所述成像光谱仪(23)包括聚焦镜(232)、成像镜(233)、狭缝(231)和面阵探测器(234)；其中，
经过狭缝靶标(221)发出的光经过聚焦镜(232)聚焦后通过狭缝(231)，并经过成成像镜(233)形成光斑成像在面阵探测器(234)上。
3.根据权利要求1所述的光栅光谱仪像质测量装置，其特征在于：所述单色光源(21)包括谱线灯和积分球。
4.根据权利要求3所述的光栅光谱仪像质测量装置，其特征在于：均匀单色光的光谱带宽小于成像光谱仪(23)光谱带宽的1/10。
5.根据权利要求1所述的光栅光谱仪像质测量装置，其特征在于：所述微动位移台(222)每次移动量为狭缝靶标(221)宽度的1/30～1/60。
6.根据权利要求1所述的光栅光谱仪像质测量装置，其特征在于：所述微动位移台(222)带动所述狭缝靶标(221)沿垂直于所述成像光谱仪(23)的方向移动，所述数据采集系统(24)自动记录所述成像光谱仪(23)的特定像元上的光强变化，并根据移动量和相对应的像元强度变化之间的对应关系，拟合得到线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数包括：
微动位移台(222)控制狭缝靶标(221)沿垂直于狭缝(231)方向向下扫描，其中，扫描步长为Δx；
当面阵探测器(234)上的狭缝靶标的像(301)从狭缝(231)的上端移动到下端的过程中，面阵探测器(234)上的第一像元(31)、第二像元(32)和第三像元(33)上均得到一组光强值，第一像元(31)、第二像元(32)和第三像元(33)每个像元均得到相对应的光强随位移量的变化曲线；
将三个像元上的光强随位移量的变化曲线转化到同一个坐标系下得到一个光强随位移量的变化曲线，由这一个光强随位移量的变化曲线得到线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数。
7.根据权利要求6所述的光栅光谱仪像质测量装置，其特征在于：扫描步长为Δx＝D/m×τ，其中，m为30～60的整数，τ＝f1/f2，τ为放大率，f1为平行光管(22)的焦距，f2为成像光谱仪(23)的焦距。
8.一种光栅光谱仪像质测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
微动位移台(222)控制狭缝靶标(221)沿垂直于狭缝(231)方向向下扫描，其中，扫描步长为Δx；
当面阵探测器(234)上的狭缝靶标的像(301)从狭缝(231)的上端移动到下端的过程中，面阵探测器(234)上的第一像元(31)、第二像元(32)和第三像元(33)上均得到一组光强值，第一像元(31)、第二像元(32)和第三像元(33)每个像元均得到相对应的光强随位移量的变化曲线；
将三个像元上的光强随位移量的变化曲线转化到同一个坐标系下得到一个光强随位移量的变化曲线，由这一个光强随位移量的变化曲线得到线扩散函数，通过傅立叶变换解算出光学传递函数。
9.根据权利要求8所述的光栅光谱仪像质测量方法，其特征在于：扫描步长为Δx＝D/m×τ，其中，m为30～60的整数，τ＝f1/2，τ为放大率，f1为平行光管(22)的焦距，f2为成像光谱仪(23)的焦距。
10.根据权利要求8所述的光栅光谱仪像质测量方法，其特征在于：傅立叶变换公式为：其中，LSF(x)为线扩散函数，x为像元方向的坐标值，u为不同线对数的对比度值。
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