CN111174914A - 一种基于阵列狭缝扫描的视频高光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列狭缝扫描的视频高光谱成像仪，系统包括成像镜头、滤光片、阵列狭缝、高精度电控位移台、色散型光谱仪组件、探测器、数据处理系统等。将阵列狭缝固定在高精度的电控平移台上，并放置在成像镜头焦平面位置处。合理设计多条狭缝之间的间隔，探测器同时获得不同视场位置的光谱图像，通过移动位移台，实现多视场空间信息的扫描，通过合并数据得到完整的成像光谱数据。与传统的推扫式高光谱成像体制相比，本方法无需平台推扫即可实现面视场空间和光谱信息的获取，通过阵列狭缝提高单位时间内信息的获取量，进而大大提高了目标信息获取的效率。

Description

一种基于阵列狭缝扫描的视频高光谱成像仪

技术领域:

本发明涉及一种基于阵列狭缝扫描的视频高光谱成像仪，特指一种无须运动平台，依托高精度位移平台实现阵列狭缝扫描代替传统推扫式成像光谱仪中的狭缝实现空间快速扫描成像的高光谱成像仪。

背景技术：

色散型成像光谱技术经历了从多波段扫描成像到推扫式成像的技术发展过程。目前基于推扫成像模式的高光谱成像仪是航空航天的主流方案，这种技术由面阵探测器的固体扫描和卫星或飞机平稳向前飞行来共同形成二维空间扫描，即推扫成像。二维面阵器件的其中一维完成目标场景一维空间成像，另一维完成目标场景该维度的光谱信息获取，通过飞机或者卫星的平台运动获得目标场景的空间另外一维成像。

借助运动平台的帮助，色散型高光谱成像仪不需要单独设计扫描镜，并且面阵探测器使得系统可以获得比较高的空间分辨率和光谱分辨率。但是某些场合，平台无法满足运动扫描的功能，如临近空间观测平台，需要单独设计扫描镜，当高光谱成像仪空间分辨率较高时扫描镜的研制难度将大大增加；另外，基于单狭缝扫描的高光谱成像仪虽然可以省去移动平台，但由于系统成像一次仅一条线视场，导致系统获取数据效率较低。故针对色散型单狭缝型高光谱成像仪，在平台自身无法满足运动扫描而且应用场景对目标成像具有较高帧频要求的情况下，可依托带移动平台的阵列狭缝实现高帧频的光谱成像数据的获取。

发明内容：

为解决以上问题，本发明提供一种可实现空间面视场快速扫描的视频高光谱成像方法，利用狭缝阵列内部自扫描将色散型高光谱成像仪的信息获取体制提升为基于面视场的视频成像，是一种全新的技术手段。

本发明为一种适用于动态目标空间和光谱三维数据立方体视频成像的新型高光谱成像仪，设备包括成像镜头1、滤光片2、狭缝阵列3、高精度电控位移台4、色散型光谱仪组件5、探测器6和数据处理系统7，所述光学成像镜头放置于仪器最前面，所述阵列狭缝位于成像镜头后，该狭缝阵列固定在精密位移台上，并保证在平移台移动的过程中，狭缝始终位于镜头焦平面处，所述色散型光谱仪组件位于阵列狭缝后，所述探测器位于光谱仪组件之后，通过光学对准实现狭缝与探测器像元一一对应，所述数据处理系统用于实时采集和处理数据。

进一步的，本方法中设计的色散组件在系统设计视场范围内，对不同位置狭缝具有相同的色散能力。

进一步的，在本方法中，所述狭缝阵列为激光刻蚀玻璃狭缝。狭缝阵列中的每条狭缝等间隔排列，狭缝间隔由色散组件的色散能力和滤光片决定，设计间隔保证两条相邻狭缝色散在探测器上的光谱不发生混叠，狭缝宽度等于探测器像元宽度，狭缝之间的最小距离大于单个狭缝色散的宽度。

进一步的，本方法中，假设阵列狭缝中狭缝条数为N，系统设计光谱通道数为C，则获取一个完整的光谱数据立方体，狭缝阵列需沿色散方向移动C个单位，则系统色散方向空间像元数为N×C；记探测器有效宽度为L，则L＝N×C；

进一步的，视频光谱成型帧频由探测器帧频和狭缝条数决定，记探测器帧频为fHz，系统光谱成像频率为F Hz，则有

进一步的，精密位移台移动速度由探测器帧频和像元大小决定，记像元大小为△，则一个像元驻留时间为

则平移台移动速度v＝△f。

进一步的，所述目标成像光谱数据立方体处理方法为多维度错位拼接法，将探测器得到的多个数据依据帧数错位组合，合成包含空间二维和光谱一维的数据立方体。

按上述方案实施至少具有以下优势：

(1)相对于传统色散型高光谱成像仪自身为线视场成像体制，需要平台辅助扫描才能完成二维场景的成像探测特点，本系统是一种面视场成像信息获取体制，无需运动平台扫描就能实现目标场景视频成像，并且易于实现仪器的紧凑化、轻型化设计。能够搭载于临近空间、静止轨道等静止型观测平台，无须增加扫描镜。

(2)相对单狭缝扫描式色散型视频高光谱成像仪，本系统将单狭缝更换为多狭缝阵列，具备目标场景的快速成像能力，N条狭缝的阵列相比单狭缝扫描模式，成像速度可提高N倍，也就是整体信息获取效率提升N倍。。

附图说明：

图1为基于阵列狭缝扫描的视频高光谱成像仪的系统原理示意图。

图2为阵列狭缝示意图,沿箭头方向扫描成像。

图3为本发明实施的装置获取的高光谱数据立方体。

具体实施方式：

上述说明仅作为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本方案的技术手段，并可按照说明书的叙述加以实施，下文给出适用于本方案的一个具体事例的详细说明。

根据发明内容，本实例构建了一套基于阵列狭缝扫描的视频高光谱成像仪试验装置，该仪器的主要技术指标如下：

光谱范围：450nm～800nm；

视场角：2.6mrad×2.6mrad；

空间分辨率：4.3m@500km；

光谱分辨率：15nm；

谱段数：30；

成像帧频：10HZ

其中各个部分的具体参数和设计如下：

前置镜头：所采用望远镜为以施密特-卡塞格林系统为基础的星特朗6SE，口径为150mm，焦距为1500mm，焦比为10。

滤光片：设计带通模式，通过波长范围为450～800nm。

色散组件：为PGP(棱镜-光栅-棱镜)分光模块，包含准直镜和会聚镜在内的PGP分光组件是在芬兰Specim公司生产的V10E光谱仪基础上改造实现，该PGP组件工作光谱范围为400～1000nm，光谱维最大色散宽度为6.15mm，并具有无像差，光谱畸变和弯曲小的特点。

阵列狭缝：为一种通过光刻技术制作的镀铬玻璃狭缝阵列掩模版，狭缝在掩模版上10条宽度为13μm的狭缝等间隔排列，狭缝在探测器上呈1：1成像，因此设计间隔为30×13μm＝390μm 30×13μm＝390μm。

探测器：为韩国imitech公司生产的AMZON系列7018G的CCD可见相机，其面阵规模为516×688，像元大小为Δ＝13μm，工作光谱范围为400～1000nm，帧频f＝300Hz。

使用所述聚光镜头1一次成像；使用所述阵列狭缝3代替传统狭缝安装在镜头成像平面，阵列狭缝3前面放置有滤光片2，通过高精度平移台4移动对全场景扫描成像；使用色散组件5将阵列狭缝透过的多个一维光信号按光谱散开，形成二维信息(一维空间信息+一维光谱信息)队列；使用所述探测器模块6获取分光图像并存储，通过平移台的移动改变狭缝位置，以达到推扫效果并获取数据，通过数据处理系统7多维度错位拼接法拼接得到数据立方体。

所述高精度平移台使用PI公司V-408型直线电机，最大移动速度可以达1.1m/s，位移精度为±0.1μm。

所述探测器模块包含CCD相机和存储探测数据的上位机程序。

所述多维度错位拼接法目的是将光谱对齐，在平移运动过程中，由于狭缝运动，同一像元在不同曝光时间采集对应的波长会发成平移，需要在数据处理过程中，通过算法将光谱对齐。

综上，该设计可实现波段范围450nm-800nm，30个光谱通道，10Hz频率的视频高光谱成像。

Claims (2)

1.一种基于阵列狭缝扫描的视频高光谱成像仪，包括成像镜头(1)、滤光片(2)、狭缝阵列(3)、高精度电控位移台(4)、色散型光谱仪组件(5)、探测器(6)，数据处理系统(7)，其特征在于：

所述滤光片(2)放置于狭缝阵列(3)前，所述狭缝阵列(3)位于成像镜头(1)后的焦面位置，所述色散型光谱仪组件(5)位于狭缝阵列(3)后，所述探测器(6)位于色散型光谱仪组件(5)之后，所述高精度电控位移台(4)用于固定狭缝阵列(3)，使其始终在成像镜头(2)焦面上；

来自物方的光束通过成像镜头(1)经过滤光片(2)滤光后成像到狭缝阵列(3)上，狭缝位置对应的场景信息进入色散型光谱仪组件(5)，色散之后的信息成像在探测器(6)上，通过高精度电控位移台(4)带动狭缝阵列(3)移动实现扫描功能，进而获取整个目标场景的多波段信息，利用数据处理系统(7)，按照每一条狭缝在扫描过程中所对应扫描位置进行拼接，得到光谱数据立方体，实现多光谱成像的探测。

2.根据权利要求1所述的一种基于阵列狭缝扫描的视频高光谱成像仪，其特征在于，所述的狭缝阵列(3)为一玻璃狭缝阵列掩模版，狭缝宽度等于探测器像元宽度，狭缝之间的间隔大于单个狭缝在探测器上色散的宽度。

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