CN112945382B - 校谱线弯曲的pgp成像光谱仪及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及校谱线弯曲的PGP成像光谱仪及其设计方法，属于成像光谱技术领域，解决现有PGP成像光谱仪谱线弯曲的问题。PGP成像光谱仪包括弯曲狭缝、准直镜、PGP分光元件、聚焦镜和相机，其设计方法包括步骤：根据PGP分光元件的棱镜参数和光栅参数确定弯曲狭缝的初始形状；在初始形状下，确定PGP成像光谱仪的谱线弯曲大小；调整弯曲狭缝的初始形状、准直镜的畸变和聚焦镜的畸变的组合情况，使PGP成像光谱仪的谱线弯曲达到设定目标，并以设定目标对应的弯曲狭缝的形状、准直镜的畸变和聚焦镜的畸变作为PGP成像光谱仪的最佳结构。本发明的设计方法简单高效，在未增加其他器件的情况下校正了PGP成像光谱仪的谱线弯曲。
Description
技术领域
本发明涉及成像光谱技术领域，具体的是涉及一种校谱线弯曲的PGP成像光谱仪及其设计方法。
背景技术
光谱成像技术以物质的光谱分析理论为基础，将光谱和成像技术相结合，获得地物的空间信息、辐射信息和几十或几百个波段的连续光谱信息。高光谱成像光谱仪以光谱成像技术为基础，实现了对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术的目标识别、监测能力，被广泛应用于资源探测、环境监测、刑事鉴定等各种领域。
PGP成像光谱仪具有分辨力强、色散线性的特点，又有光路直视的优点，因此，PGP成像光谱仪在光谱探测领域广受欢迎。
但是PGP成像光谱仪同样存在一定的局限性，与PG光谱仪相比，其光谱弯曲严重，而光谱弯曲使PGP成像光谱仪的光谱标定和像元匹配变得十分复杂，加大了后期图像处理的难度和压力，也降低了探测器的使用效率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种校谱线弯曲的PGP成像光谱仪及其设计方法，其解决了现有的PGP成像光谱仪光谱弯曲过大的问题，具有结构紧凑、设计方法简单高效的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种校谱线弯曲的PGP成像光谱仪的设计方法，所述PGP成像光谱仪包括沿光轴顺次分布的弯曲狭缝、准直镜、PGP分光元件、聚焦镜和相机，来自所述弯曲狭缝的复色光经所述准直镜准直为平行光后入射至所述PGP分光元件，入射的平行光被所述PGP分光元件分为按波长顺序排布的多束单色光，不同波长的单色光经所述聚焦镜后会聚在所述相机上，并在所述相机的像面上呈现不同波长的狭缝像；
所述PGP成像光谱仪的设计方法包括以下步骤：
步骤一：根据所述PGP分光元件的棱镜参数和光栅参数确定所述弯曲狭缝的初始形状；
步骤二：在所述弯曲狭缝的初始形状下，确定所述PGP成像光谱仪的谱线弯曲大小；
步骤三：调整所述弯曲狭缝的形状、所述准直镜的畸变和所述聚焦镜的畸变的组合情况，使所述PGP成像光谱仪的谱线弯曲达到设定目标，并以所述设定目标对应的所述弯曲狭缝的形状、所述准直镜的畸变和所述聚焦镜的畸变作为所述PGP成像光谱仪的最佳结构。
相应地，本发明还提出一种利用上述设计方法设计得到的校谱线弯曲的PGP成像光谱仪。
综上所述，本发明具有以下有益效果:
(1)本发明未增加其他器件，只通过改变弯曲狭缝的形状和调节准直镜、聚焦镜的畸变，有效校正了PGP成像光谱仪的谱线弯曲；
(2)本发明保留了PGP成像光谱仪结构紧凑、光谱线性、光轴直视方便装调的特性；
(3)本发明提供的校正PGP成像光谱仪谱线弯曲的方法操作简单，效果明显，且具有一定的普适性。
附图说明
图1为本发明校谱线弯曲的PGP成像光谱仪的结构示意图；
图2为本发明校谱线弯曲的PGP成像光谱仪的设计方法的流程示意图；
图3为使用直狭缝的PGP成像光谱仪的固有谱线弯曲图；
图4为本发明的校谱线弯曲的PGP成像光谱仪最终优化后的谱线弯曲图。
具体实施方式
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供校谱线弯曲的PGP成像光谱仪及其设计方法，其解决了现有的PGP成像光谱仪光谱弯曲过大的问题，具有结构紧凑、方法简单高效的特点。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，本发明提供一种校谱线弯曲的PGP成像光谱仪的设计方法，本实施例中的PGP成像光谱仪包括沿光轴顺次分布的弯曲狭缝1、准直镜2、棱镜-光栅-棱镜(Prism Grating Prism，PGP)分光元件3、聚焦镜4和相机5，如图1所示，来自弯曲狭缝1的复色光经准直镜2准直为平行光后入射至PGP分光元件3，入射的平行光被PGP分光元件3分为按波长顺序排布的多束单色光，不同波长的单色光经聚焦镜4后会聚在相机5上，并在相机5的像面上呈现不同波长的狭缝像。通过改变弯曲狭缝1的弯曲量可以改变不同波长的狭缝像在像面上的整体分布情况，而合适的狭缝像分布可以与准直镜2和聚焦镜4的畸变相互配合，从而校正PGP成像光谱仪的谱线弯曲。
PGP成像光谱仪的设计方法具体包括以下步骤：
步骤一：根据PGP分光元件3的棱镜参数和光栅参数确定弯曲狭缝1的初始形状。弯曲狭缝1的形状与棱镜和光栅的参数有关，不同的棱镜参数和光栅参数对应的最佳狭缝形状不同，因此可以根据成像光谱仪的棱镜和光栅参数设计与之相适应的狭缝形状。
步骤二：在弯曲狭缝1的初始形状下，确定PGP成像光谱仪的谱线弯曲大小。在本步骤中，在弯曲狭缝1的初始形状下，结合PGP分光元件3的棱镜参数和光栅参数，可以确定PGP成像光谱仪的谱线弯曲大小。
进一步优选为，在步骤二中，建立PGP矢量色散模型，通过PGP矢量色散模型可以求得任意光线经过PGP分光元件3后的色散情况，从而可以确定PGP成像光谱仪的谱线弯曲大小。
步骤三：调整弯曲狭缝1的形状、准直镜2的畸变和聚焦镜4的畸变的组合情况，使PGP成像光谱仪的谱线弯曲达到设定目标，并以设定目标对应的弯曲狭缝1的形状、准直镜2的畸变和聚焦镜4的畸变作为PGP成像光谱仪的最佳结构。
PGP成像光谱仪的棱镜参数和光栅参数确定后，通过调整弯曲狭缝1的形状、准直镜2的畸变和聚焦镜4的畸变的组合情况，可以使PGP成像光谱仪的谱线弯曲达到设定目标，例如谱线弯曲最小等，使谱线弯曲达到设定目标的弯曲狭缝1的形状、准直镜2的畸变和聚焦镜4的畸变的最佳组合情况，可以通过以下步骤三一至步骤三七得到，该优选方式以谱线弯曲大小为目标函数，以弯曲狭缝1在不同位置的弯曲量、准直镜2的畸变和聚焦镜4的畸变作为遗传算法的基因，通过遗传算法的迭代来模拟生物的演化过程，筛选出最佳的基因组合，从而得到弯曲狭缝1的形状、准直镜2的畸变和聚焦镜4的畸变的最佳组合，具体的演化过程的流程图如图2所示：
步骤三一：以弯曲狭缝1的形状、准直镜2的畸变和聚焦镜4的畸变作为遗传算法的基因，初始的基因组合为随机数的自由组合；
步骤三二：计算基因组合对应的谱线弯曲，并判断计算得到的谱线弯曲是否符合条件，即判断计算得到的谱线弯曲是否达到设定目标，若是，则执行步骤三三；若否，则执行步骤三五；
步骤三三：将设定目标对应的弯曲狭缝1的初始形状、准直镜22的畸变和聚焦镜3的畸变的组合作为初始结构，并输出初始结构至Zemax软件；
步骤三四：在Zemax软件中以像质和谱线弯曲量为评价指标，对初始结构中准直镜2和聚焦镜4的镜片半径、空气间隔等做进一步优化，并适当的微调弯曲狭缝1的形状，当谱线弯曲达到最小值或者可以接受的值时，得到PGP成像光谱仪的最佳结构；
步骤三五：计算个体的适应度，判断适应度，适应度越大代表谱线弯曲越小，谱线弯曲越小的基因组合进入下一代的概率越大；
步骤三六：对基因组合执行选择、交叉、突变过程；
步骤三七：产生下一代基因，然后返回步骤三二，重复对下一代基因组合计算谱线弯曲，直到计算得到的谱线弯曲达到设定目标，输出最佳的基因组合，最终得到PGP成像光谱仪的最佳结构。
进一步优选为，PGP分光元件3中光栅的刻线数为300lp/mm，两个棱镜的顶角均为9.96°，准直镜2和聚焦镜4的焦距均为100mm，弯曲狭缝1的长度为20mm，在获得的PGP成像光谱仪的最佳结构下，弯曲狭缝1的形状表达式为：y＝-4.356×10-7x4+6.148×10-4x2，其中x为狭缝长度的方向，y为垂直于狭缝长度的方向，且狭缝弯曲方向与成像光谱仪的固有谱线弯曲方向相反。
以PGP分光元件3中光栅的刻线数为300lp/mm，两个棱镜的顶角均为9.96°，准直镜2和聚焦镜4的焦距均为100mm，弯曲狭缝1的长度为20mm，弯曲狭缝1的形状表达式为：y＝-4.356×10-7x4+6.148×10-4x2为例，校谱线弯曲的PGP成像光谱仪最终优化后的谱线弯曲情况如图4所示。与图3给出的使用直狭缝的PGP成像光谱仪的固有谱线弯曲情况相比，本实施例的PGP成像光谱仪的分最大谱线弯曲量从-91μm降低到-3.1μm以内，表明本实施例的谱线弯曲校正效果良好。
综上所述，本发明具有以下有益效果:
(1)本发明未增加其他器件，只通过改变弯曲狭缝的形状和调节准直镜、聚焦镜的畸变，有效校正了PGP成像光谱仪的谱线弯曲；
(2)本发明保留了PGP成像光谱仪结构紧凑、光谱线性、光轴直视方便装调的特性；
(3)本发明提供的校正PGP成像光谱仪谱线弯曲的方法操作简单，效果明显，且具有一定的普适性。
在另一个实施例中，本发明还提供一种校谱线弯曲的PGP成像光谱仪，该PGP成像光谱仪利用上述实施例中的PGP成像光谱仪的设计方法设计得到，PGP成像光谱仪的设计方法可以参照前述实施例的描述，此处不再赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种校谱线弯曲的PGP成像光谱仪的设计方法，其特征在于，所述PGP成像光谱仪包括沿光轴顺次分布的弯曲狭缝(1)、准直镜(2)、PGP分光元件(3)、聚焦镜(4)和相机(5)，来自所述弯曲狭缝(1)的复色光经所述准直镜(2)准直为平行光后入射至所述PGP分光元件(3)，入射的平行光被所述PGP分光元件(3)分为按波长顺序排布的多束单色光，不同波长的单色光经所述聚焦镜(4)后会聚在所述相机(5)上，并在所述相机(5)的像面上呈现不同波长的狭缝像；
所述PGP成像光谱仪的设计方法包括以下步骤：
步骤一：根据所述PGP分光元件(3)的棱镜参数和光栅参数确定所述弯曲狭缝(1)的初始形状；
步骤二：在所述弯曲狭缝(1)的初始形状下，确定所述PGP成像光谱仪的谱线弯曲大小；
在步骤二中，建立PGP矢量色散模型，根据所述PGP矢量色散模型确定所述PGP成像光谱仪的谱线弯曲大小；
步骤三：调整所述弯曲狭缝(1)的形状、所述准直镜(2)的畸变和所述聚焦镜(4)的畸变的组合情况，使所述PGP成像光谱仪的谱线弯曲达到设定目标，并以所述设定目标对应的所述弯曲狭缝(1)的形状、所述准直镜(2)的畸变和所述聚焦镜(4)的畸变作为所述PGP成像光谱仪的最佳结构；
步骤三包括以下步骤：
步骤三一：以所述弯曲狭缝(1)的形状、所述准直镜(2)的畸变和所述聚焦镜(4)的畸变作为遗传算法的基因，初始的基因组合为随机数的自由组合；
步骤三二：计算基因组合对应的谱线弯曲，并判断计算得到的谱线弯曲是否达到所述设定目标，若是，则执行步骤三三；若否，则执行步骤三五；
步骤三三：将所述设定目标对应的所述弯曲狭缝(1)的初始形状、所述准直镜(2)的畸变和所述聚焦镜(4)的畸变的组合作为初始结构，并输出所述初始结构至Zemax软件；
步骤三四：在Zemax软件中以像质和谱线弯曲量为评价指标，对所述初始结构中所述准直镜(2)和所述聚焦镜(4)的镜片半径、空气间隔做进一步优化，并适当的微调所述弯曲狭缝(1)的形状，当谱线弯曲达到最小值或者可以接受的值时，得到所述PGP成像光谱仪的最佳结构；
步骤三五：计算个体的适应度；
步骤三六：对基因组合执行选择、交叉、突变过程；
步骤三七：产生下一代基因，然后返回步骤三二，直到计算得到的谱线弯曲达到所述设定目标。
2.根据权利要求1所述的一种校谱线弯曲的PGP成像光谱仪的设计方法，其特征在于，
所述PGP分光元件(3)中光栅的刻线数为300lp/mm，两个棱镜的顶角均为9.96°，所述准直镜(2)和所述聚焦镜(4)的焦距均为100mm，所述弯曲狭缝(1)的长度为20mm，在所述最佳结构下，所述弯曲狭缝(1)的形状表达式为y＝-4.356×10-7x4+6.148×10-4x2，其中x为狭缝长度的方向，y为垂直于狭缝长度的方向，且狭缝弯曲方向与成像光谱仪的固有谱线弯曲方向相反。
3.一种校谱线弯曲的PGP成像光谱仪，其特征在于，所述PGP成像光谱仪利用如权利要求1或2所述的设计方法设计得到。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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