CN112129409B - 基于带通采样技术的干涉光谱系统及目标光谱信息获取方法 - Google Patents

基于带通采样技术的干涉光谱系统及目标光谱信息获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于带通采样技术的干涉光谱系统及目标光谱信息获取方法，以解决干涉光谱仪系统结构复杂、成本高、应用场景受限的技术问题。本发明将宽谱段光谱信号经色散单元进行色散预处理，得到以波长函数分布的宽带信号，宽带信号经干涉仪单元进行干涉调制，再按照带通采样技术要求进行间隔采样，由光电探测器收集干涉图信息，对光电探测器收集的干涉图信息等间距分割为多个窄带信号对应的干涉图信息，然后对等间隔分割后得到的干涉图信息进行处理及反演后，得到探测目标所对应的光谱分布。本发明相比奈奎斯特采样技术，允许以更大的采样间隔进行采样，有利于减少数据量，具有星载光谱探测应用的巨大潜力。

Description

基于带通采样技术的干涉光谱系统及目标光谱信息获取方法
技术领域
本发明涉及光谱测试领域，具体涉及一种基于带通采样技术的干涉光谱系统及目标光谱信息获取方法。
背景技术
干涉光谱仪基于光波干涉原理，通过测量目标的干涉图，对所测量的目标的干涉图进行傅里叶逆变换，可得到目标的光谱信息。干涉光谱仪可间接获取目标的光谱信息，具有多通道、高通量、探测精度高、杂散光低的显著优势。
传统迈克尔逊型干涉光谱仪是一种时间积分型干涉光谱仪，通过动镜运动产生光程差，再通过时间积分获得完整干涉图。迈克尔逊型干涉光谱仪在干涉图采样时，通常需要满足奈奎斯特采样定理，即需要干涉图采样频率不低于最大波数所对应的干涉图频率的2倍。为满足奈奎斯特采样定理，干涉光谱仪对动镜运动系统的方向准确性和速度均匀性提出了很高的要求，尤其对短波波段的探测，干涉光谱仪对动镜运动系统的运动精度以及光电探测器的性能均提出了更苛刻的要求。
基于奈奎斯特采样技术的传统迈克尔逊型干涉光谱仪的动镜运动系统对扰动和机械扫描精度都很敏感，这通常使动镜运动控制更为困难，使干涉光谱仪系统结构复杂，成本高，同时使干涉仪应用场景受限。
发明内容
基于上述背景技术，本发明提出一种基于带通采样技术的干涉光谱系统及目标光谱信息获取方法，为干涉光谱仪干涉图采样突破奈奎斯特采样限制和传统干涉光谱仪实现宽谱段、高分辨率探测提供了解决方案，从而解决干涉光谱仪系统结构复杂、成本高、应用场景受限的技术问题。
本发明的发明构思：
本发明将宽谱段光谱信号经色散单元进行色散预处理，得到以波长函数分布的宽带信号，宽带信号经干涉仪单元进行干涉调制，再按照带通采样技术要求进行间隔采样，由光电探测器收集干涉图信息，对光电探测器收集的干涉图信息等间距分割为多个窄带信号对应的干涉图信息，然后对等间隔分割后得到的干涉图信息进行处理及反演后，得到探测目标所对应的光谱分布；本发明相比奈奎斯特采样技术，允许以更大的采样间隔进行采样，即允许尽可能少的干涉图采样获得各个窄带信号的干涉图序列，经数据处理和傅里叶逆变换可得到各个窄带信号的光谱分布，最后叠加各个窄带信号的光谱分布可得到整个探测目标的光谱分布。
本发明的技术方案是：
一种基于带通采样技术的干涉光谱系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的前置光学系统、孔径为1mm以下的小孔、准直镜组、色散单元、干涉仪单元和光电探测器；
前置光学系统用于将目标波前聚集于所述小孔；
准直镜组用于对从所述小孔出射的目标波前进行准直；
色散单元用于将准直后的目标波前进行色散和平行化，使目标波前按波长函数依次排列；
干涉仪单元用于对色散单元输出的目标波前进行干涉调制；
光电探测器用于探测干涉仪单元输出的干涉图。
进一步地，色散单元包括第一光栅和第二光栅；第一光栅位于准直镜组的输出光路上，第二光栅位于第一光栅的输出光路上；第一光栅、第二光栅为指标相同的闪耀光栅，第一光栅与第二光栅平行错位放置，第一光栅的工作面与第二光栅的工作面相互平行。
进一步地，干涉仪单元包括分束器、补偿器、第一平面反射镜、第二平面反射镜和调制器；调制器和第二平面反射镜沿分束器的反射光路依次设置；补偿器和第一平面反射镜沿分束器的透射光路依次设置。
进一步地，调制器由一对反向相对设置的楔角板组成。
或者，干涉仪单元包括分束器、补偿器、第一平面反射镜、第二平面反射镜；第二平面反射镜设置在分束器的反射光路上；补偿器和第一平面反射镜沿分束器的透射光路依次设置；第一平面反射镜和第二平面反射镜中至少有一个能够沿其所在光轴移动。
本发明还提供了一种基于带通采样技术的目标光谱信息获取方法，其特殊之处在于,包括以下步骤：
步骤1：将目标波前进行缩束；
步骤2：对缩束后的目标波前进行准直；
步骤3：对准直后的目标波前先进行色散再进行平行化，使目标波前按波长函数依次排列，此时的目标波前为频域的一个宽带信号；
步骤4：对所述宽带信号进行干涉调制；
步骤5：根据带通采样技术要求，选择合适的采样间隔进行干涉图采样，采集不同光程差的干涉图信息，从而获得宽带信号对应的全谱段干涉图序列；
步骤6：将步骤5得到的宽带信号对应的全谱段干涉图序列等间距分割为多个窄带信号对应的子干涉图序列；
步骤7：对各个窄带信号对应的子干涉图序列均依次通过暗电平去除、非均匀性校正、直流基线去除、切趾等数据处理和傅里叶逆变换，获得各个窄带信号对应的光谱分布，然后按波长依次叠加各个窄带信号对应的光谱分布可得探测目标所对应的光谱分布。
进一步地，步骤3中，利用色散单元对准直后的目标波前进行色散和平行化。
进一步地，步骤4中，利用干涉仪单元对各个窄带信号进行干涉调制。
进一步地，步骤5中所述的合适的采样间隔是按照下述方法确定的：
A.假定要根据步骤6等间距分割得到的各个窄带信号进行采样，则按照下述公式每个窄带信号可得到一组可接受的采样间隔；
Figure BDA0002640429530000041
Figure BDA0002640429530000042
其中：Δx为各个窄带信号对应的子干涉图的采样间隔；νmax为所测量窄波段光谱的最高波数，νmin为所测量窄波段光谱的最低波数；[·]表示向下取整；
B.综合分析考虑各个窄带信号可接受的采样间隔，选择一个所有窄带信号均可接受的公共采样间隔作为探测器的采样间隔。
本发明的有益效果：
1.本发明突破了干涉光谱仪在干涉图采样时奈奎斯特采样频率限制，允许干涉图采样间隔增大，能够利用比较少的采样点获得目标的干涉图序列，有利于减少数据量，具有星载光谱探测应用的巨大潜力。2.相对于传统干涉光谱仪，在探测器性能相同的情况下，本发明对动镜扫描装置的要求降低，有利于降低动镜运动控制难度，简化干涉光谱仪系统结构，降低成本；在动镜扫描装置性能相同的情况下，本发明对探测器的性能要求大大降低，有利于降低成本。
3.本发明可以在更宽谱段探测，尤其具有在短波波段进行宽谱段探测的巨大能力。
4.本发明光谱分辨率与动镜最大运动行程有关，适用于高光谱分辨率的探测。
说明书附图
图1是本发明实施例的光学原理图。
图2是本发明中调制器的工作原理图。
附图标记说明：
1-前置光学系统，2-小孔，3-准直镜组，4-色散单元，41-第一光栅，42-第二光栅，5-干涉仪单元，51-分束器，52-补偿器，53-第一平面反射镜，54-第二平面反射镜，55-调制器，6-光电探测器。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明加以详细说明。
如图1所示，本发明提出一种基于带通采样技术的干涉光谱系统，包括前置光学系统1、孔径为1mm以下的小孔2(能够避免预色散的光谱产生混叠，确保后续经色散和平行化后光谱能按照波长依次排列)、准直镜组3、色散单元4、干涉仪单元5、光电探测器6。
小孔2位于前置光学系统1的输出光路上，准直镜组3位于从小孔2出射光的输出光路上，色散单元4位于准直镜组3的输出光路上，干涉仪单元5位于色散单元4的输出光路上，光电探测器6位于干涉仪单元5的输出光路上。
目标波前经前置光学系统1聚集于小孔2，从小孔2出射的目标波前被准直镜组3准直，准直后的目标波前经色散单元4色散和平行化，色散和平行后的目标波前进入干涉仪单元5，经干涉仪单元5后产生宽带信号的干涉图，由光电探测器6记录这些干涉图。
色散单元4和干涉仪单元5是本发明实现光谱探测的核心结构单元。
色散单元4包括第一光栅41和第二光栅42；第一光栅41位于准直镜组3的输出光路上，第二光栅42位于第一光栅41的输出光路上。第一光栅41、第二光栅42均为指标相同的闪耀光栅以实现光谱色散后以相同出射角出射，第一光栅41与第二光栅42平行错位放置，第一光栅41的工作面与第二光栅42的工作面相互平行。
干涉仪单元5包括分束器51、补偿器52、第一平面反射镜53、第二平面反射镜54和调制器55。调制器55和第二平面反射镜54沿分束器51的反射光路依次设置；补偿器52和第一平面反射镜53沿分束器51的透射光路依次设置。调制器55由一对楔角板组成，两个楔角板反向相对放置，即两个楔角板的斜面相贴合；如图2所示，当一个楔角板沿斜面移动时，调制器55的厚度就会发生变化，从而实现调整光程的功能。补偿器52用于补偿光程。
本发明的具体工作原理和过程如下：
(1)前置光学系统1将目标波前聚集于小孔2；
(2)准直镜组3对从小孔2出射的目标波前进行准直；
(3)准直后的目标波前入射至色散单元4，色散单元4中的第一光栅41对准直后的目标波前进行色散；色散单元4中的第二光栅42对色散后的目标波前进行平行化，经色散单元4色散和平行化后的目标波前按波长函数依次排列，此时目标波前可看作为频域的一个宽带信号；
(4)所述宽带信号入射至干涉仪单元5，进行干涉调制，具体调制过程为：宽带信号经分束器51分束为两束相干光，两束相干光分别经第一平面反射镜53、第二平面反射镜54反射、原路返回，然后形成干涉，实现干涉调制；
(5)根据带通采样技术要求，选择合适的采样间隔进行干涉图采样，由光电探测器6收集干涉图信息，光电探测器6每次曝光可收集某一光程差的全谱段干涉图信息；在采样过程中，通过匀速滑动调整调制器55并保证滑动速率与探测器相匹配以保证采样间隔满足采样定理，可获得不同光程差的全谱段干涉图序列；
(6)将步骤(5)得到的不同光程差的全谱段干涉图序列等间距分割为多个窄带信号对应的子干涉图；
(7)对各窄带信号对应的子干涉图序列均依次通过暗电平去除、非均匀性校正、直流基线去除、切趾和傅里叶逆变换，可获得各个窄带信号对应的光谱分布，按波长(波数)依次叠加各个窄带信号对应的光谱分布可得探测目标所对应的光谱分布。
上述步骤(5)中合适的采样间隔按照下述方法确定：
A.假定要根据步骤(6)等间距分割得到的各个窄带信号(窄波段光谱信号)进行采样，则按照下述公式每个窄带信号可得到一组可接受的采样间隔；
Figure BDA0002640429530000071
Figure BDA0002640429530000072
其中：Δx为各个窄带信号对应的子干涉图的采样间隔；νmax为所测量窄波段光谱的最高波数，νmin为所测量窄波段光谱的最低波数；[·]表示向下取整。
B.综合分析考虑各个窄带信号可接受的采样间隔，选择一个所有窄带信号均可接受的公共采样间隔作为探测器的采样间隔。
本发明中，第一平面反射镜53、第二平面反射镜54中任何一块平面反射镜沿光轴移动都可引入光程差，实现光程差调制，其原理如上所述；当其中一块平面反射镜可以移动视线光程差调制时，干涉仪单元5中可以省去调制器55。

Claims (6)

1.一种基于带通采样技术的干涉光谱系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的前置光学系统(1)、孔径为1mm以下的小孔(2)、准直镜组(3)、色散单元(4)、干涉仪单元(5)和光电探测器(6)；
前置光学系统(1)用于将目标波前聚集于所述小孔(2)；
准直镜组(3)用于对从所述小孔(2)出射的目标波前进行准直；
色散单元(4)用于将准直后的目标波前进行色散和平行化，使目标波前按波长函数依次排列；
干涉仪单元(5)用于对色散单元(4)输出的目标波前进行干涉调制；
光电探测器(6)用于探测干涉仪单元(5)输出的干涉图；
色散单元(4)包括第一光栅(41)和第二光栅(42)；第一光栅(41)位于准直镜组(3)的输出光路上，第二光栅(42)位于第一光栅(41)的输出光路上；第一光栅(41)、第二光栅(42)为指标相同的闪耀光栅，第一光栅(41)与第二光栅(42)平行错位放置，第一光栅(41)的工作面与第二光栅(42)的工作面相互平行。
2.根据权利要求1所述的基于带通采样技术的干涉光谱系统，其特征在于：干涉仪单元(5)包括分束器(51)、补偿器(52)、第一平面反射镜(53)、第二平面反射镜(54)和调制器(55)；调制器(55)和第二平面反射镜(54)沿分束器(51)的反射光路依次设置；补偿器(52)和第一平面反射镜(53)沿分束器(51)的透射光路依次设置。
3.根据权利要求2所述的基于带通采样技术的干涉光谱系统，其特征在于：调制器(55)由一对反向相对设置的楔角板组成。
4.根据权利要求1所述的基于带通采样技术的干涉光谱系统，其特征在于：干涉仪单元(5)包括分束器(51)、补偿器(52)、第一平面反射镜(53)、第二平面反射镜(54)；第二平面反射镜(54)设置在分束器(51)的反射光路上；补偿器(52)和第一平面反射镜(53)沿分束器(51)的透射光路依次设置；第一平面反射镜(53)和第二平面反射镜(54)中至少有一个能够沿其所在光轴移动。
5.基于带通采样技术的目标光谱信息获取方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤1：将目标波前汇聚至小孔；
步骤2：对从小孔出射的目标波前进行准直；
步骤3：利用色散单元对准直后的目标波前先进行色散再进行平行化，使目标波前按波长函数依次排列，此时的目标波前为频域的一个宽带信号；步骤4：利用干涉仪单元对所述宽带信号进行干涉调制；
步骤5：根据带通采样技术要求，选择合适的采样间隔进行干涉图采样，采集不同光程差的干涉图信息，从而获得宽带信号对应的全谱段干涉图序列；
步骤6：将步骤5得到的宽带信号对应的全谱段干涉图序列等间距分割为多个窄带信号对应的子干涉图序列；
步骤7：对各个窄带信号对应的子干涉图序列均依次通过暗电平去除、非均匀性校正、直流基线去除、切趾等数据处理和傅里叶逆变换，获得各个窄带信号对应的光谱分布，然后按波长依次叠加各个窄带信号对应的光谱分布可得探测目标所对应的光谱分布。
6.根据权利要求5所述的基于带通采样技术的目标光谱信息获取方法，其特征在于：步骤5中所述的合适的采样间隔是按照下述方法确定的：
A.假定要根据步骤6等间距分割得到的各个窄带信号进行采样，则按照下述公式每个窄带信号可得到一组可接受的采样间隔；
Figure FDA0003187670920000021
Figure FDA0003187670920000022
其中：Δx为各个窄带信号对应的子干涉图的采样间隔；νmax为所测量窄波段光谱的最高波数，νmin为所测量窄波段光谱的最低波数；[·]表示向下取整；
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