CN113108908A - 一种宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置及方法,可用于各类宽波段成像传感器的光谱定标,解决了现有技术中,对成像传感器的光谱响应进行测量时,采用传统光谱定标光源不能实现对不同光谱分辨率和光谱范围的相对光谱响应进行测量的要求,或者是光谱分辨率和光通量较低的问题。该装置包括沿光路依次设置的定标光源、滤光片、均匀化柱状导光管、光阑、准直镜、时间调制型干涉仪、积分球以及宽波段成像传感器。同时,本发明还提出了一种宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,采用宽波段定标光源来产生时域干涉信号,具有高通量、高光谱分辨率的技术优势。
Description
技术领域
本发明属于宽波段成像传感器领域,具体涉及一种宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置及方法,可用于各类宽波段成像传感器的光谱定标技术。
背景技术
成像传感器是重要的光电转换器件,其可将成像到光学系统焦面的辐射信息转换为图像,成像传感器的光谱响应是评价传感器相应能力的重要技术指标,该指标对成像能力具有直接影响。现有技术中,在对成像传感器的光谱响应进行测量时,通常采用的相对光谱定标光源主要包括光谱发射线、光谱吸收峰、单色仪、可调谐激光器等。其中,光谱发射线和光谱吸收峰的波长位置是不可调节的,且光谱范围受到限制,不能实现对不同光谱分辨率和光谱范围的相对光谱响应进行测量的要求。单色仪的光谱分辨率和光通量较低,可调谐激光器的波长调谐范围有限,不能满足高精度光谱分辨率的测试要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中,在对成像传感器的光谱响应进行测量时,通常采用的传统光谱定标光源不能实现对不同光谱分辨率和光谱范围的相对光谱响应进行测量的要求,或者是光谱分辨率和光通量较低的问题,提出一种宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置及方法,此装置和方法可用于各类宽波段成像传感器的光谱定标技术,具有高通量、高光谱分辨率的技术特点。
本发明所采用的技术方案是:
一种宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置,其特殊之处是,包括沿光路依次设置的定标光源、滤光片、均匀化柱状导光管、准直镜、时间调制型干涉仪、积分球、宽波段成像传感器以及图像处理单元;
所述装置经定标光源1的入射光通过滤光片2选择目标波段后进入均匀化柱状导光管3,均匀化柱状导光管3出射的均匀化光束经过准直镜5后,形成准直光束进入时间调制型干涉仪6,准直光束经光程差调制后,形成干涉光束;干涉光束由积分球7的光源入射口导入,并在积分球7的出射口形成均匀散射面光源;均匀散射面光源进入宽波段成像传感器8,并由宽波段成像传感器8 的感光面捕获光强图像;
所述图像处理单元用于提取宽波段成像传感器8每个像元的光强组成时域离散干涉光强信号,利用傅里叶变换算法对时域离散干涉光强信号进行光谱复原;并根据光谱图像的非均匀性反演宽波段成像传感器8的相对光谱响应。
进一步地,所述宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置还包括放置在均匀化柱状导光管3与准直镜5之间的光阑4,所述光阑4用于消除均匀化光束的杂散光。
进一步地,所述时间调制型干涉仪6采用Michelson干涉仪、Sagnac干涉仪或Mach-Zehnder干涉仪。
进一步地,所述宽波段成像传感器8为直接成像相机、色散型光谱成像仪或滤光型光谱成像仪。
进一步地,所述定标光源1为激光光源、单个宽波段光源或者不同宽波段光源的组合;所述宽波段光源包括氙灯、卤钨灯或红外光源。
同时,本发明还提供一种基于上述宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、定标光源1的入射光经过滤光片2选择目标波段后进行匀化;对匀化后的光束进行准直,形成准直光束;
步骤2、时间调制型干涉仪6对准直光束进行光程差调制,形成干涉光束;
步骤3、干涉光束经积分球7,形成均匀散射面光源;
步骤4、均匀散射面光源的光强图像被宽波段成像传感器8的感光面捕获;
步骤5、改变时间调制型干涉仪6出射干涉光束的光强,直至宽波段成像传感器8的感光面捕获所有设定光强下的光强图像;
步骤6、提取光强图像中每个像元的不同光强组成时域离散干涉光强信号,并利用傅里叶变换算法对时域离散干涉光强信号进行光谱复原,得到每个像元的光谱强度;
步骤7、提取所有像元在相同光谱通道的光谱强度组成光谱图像;
步骤8、对光谱图像进行非均匀性反演,得到宽波段成像传感器8的相对光谱响应,结合待测目标的归一化经验光谱,实现宽波段平场校正。
进一步地,所述宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,步骤2中,所述时间调制型干涉仪6对准直光束进行光程差调制,形成干涉光束,具体计算公式为:
S(t0)=∫B(σ)(1+cos(2πσΔ(t0)))dσ
其中,S(t0)代表干涉光束,B(σ)代表光束光谱,σ代表波数,Δ(t0)代表t0时刻时间调制型干涉仪6引入的光程差;
步骤6中,所述提取光强图像中每个像元的不同光强组成时域离散干涉光强信号,具体计算公式为:
Ix,y(t)=∫Rx,y(σ)B(σ)(1+cos(2πσΔ(t)))dσ
其中,Ix,y(t)代表(x,y)处的时域离散干涉光强信号,(x,y)为像元,Rx,y(σ)为像元位置(x,y)处的相对光谱响应,Δt为光程差;
所述利用傅里叶变换算法对时域离散干涉光强信号进行光谱复原,具体计算公式为:
进一步地,所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,步骤5中,通过时间调制型干涉仪中高精度电控扫描机构移动光学元件,改变时间调制型干涉仪6引入的光程差,从而改变干涉光束的光强。
进一步地,所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,通过调整时间调制型干涉仪6中光程差的采样间隔和采样范围,可以得到不同光谱分辨率和光谱范围的干涉光束,从而实现对不相同光谱通道宽波段成像传感器8的相对光谱响应的测量。
进一步地,所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,步骤2之前,还包括利用光阑4消除均匀化光束的杂散光的步骤。
本发明与现有技术相比,其有益效果如下:
1)、本发明的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置及方法,采用时域干涉信号光源,具有高光通量、高光谱分辨率的技术优势;
2)、本发明的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置及方法,通过调整光程差采样参数,可以调整光谱分辨率和优化采样效率,为实现不同光谱分辨率和光谱范围的相对光谱响应测量提供一种高效的技术途径;
3)、本发明的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置及方法,定标灯光源可以采用不同波段光源的组合形式,可以实现宽波段的定标需求。
附图说明
图1为本发明实施例的测量装置示意图;
附图标记说明:
1-定标光源,2-滤光片,3-均匀化柱状导光管,4-光阑,5-准直镜,6-时间调制型干涉仪,7-积分球,8-宽波段成像传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置,如图1所示,其结构包括:沿光路依次设置的定标光源1、滤光片2、均匀化柱状导光管3、光阑4、准直镜5、时间调制型干涉仪6、积分球7以及宽波段成像传感器8。
定标光源1为激光光源、单个宽波段光源或者不同宽波段光源的组合;所述宽波段光源包括氙灯、卤钨灯或红外光源。
时间调制型干涉仪6为Michelson干涉仪、Sagnac干涉仪、Mach-Zehnder 干涉仪。
宽波段成像传感器8为直接成像相机、色散型光谱成像仪、滤光型光谱成像仪。
本发明宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置的测量方法及工作原理如下:
1)、定标光源1的入射光经过滤光片2选择目标波段后进入均匀化柱状导光管3,出射的均匀化光束经过光阑4,消除杂散光,此时的光束光谱可以表示为B(σ),σ为波数。
2)、从光阑4出射的光束经过准直镜5,形成准直光束进入时间调制型干涉仪6,光束被时间调制型干涉仪6的光程差调制后,形成干涉光束S(t0),具体公式为:
S(t0)=∫B(σ)(1+cos(2πσΔ(t0)))dσ
其中Δ(t0)为t0时刻时间调制型干涉仪6引入的光程差。
3)、干涉光束由积分球7的光源入射口导入,并在积分球7的出射口形成均匀散射面光源。
4)、均匀散射面光源进入宽波段成像传感器8,并由宽波段成像传感器8 的感光面捕获光强图像。
5)、通过时间调制型干涉仪中高精度电控扫描机构移动光学元件,改变时间调制型干涉仪6引入的光程差,从而改变时间调制型干涉仪6出射干涉光束的光强,每改变一次光程差,宽波段成像传感器8捕获一幅光强图像。
6)、提取宽波段成像传感器8每个像元不同光程差调制下的光强组成时域离散干涉光强信号,其中,像元位置(x,y)处的时域离散干涉光强信号Ix,y(t),具体公式为:
Ix,y(t)=∫Rx,y(σ)B(σ)(1+cos(2πσΔ(t)))dσ (1)
其中Rx,y(σ)为像元位置(x,y)处的相对光谱响应,利用傅里叶变换算法对时域离散干涉光强信号进行光谱复原,具体公式为:
7)、提取宽波段成像传感器8所有像元在相同光谱通道σ0处的光谱强度组成光谱图像Rx,y(σ0)B(σ0)。
8)、根据光谱图像的非均匀性反演宽波段成像传感器8的相对光谱响应 Rx,y(σ0),结合待测目标的归一化经验光谱,实现宽波段平场校正。
上述方法通过调整时间调制型干涉仪6中光程差的采样间隔和采样范围,对不同光谱分辨率和光谱范围的相对光谱响应测量。
本发明由于采用宽波段定标光源来产生时域干涉信号,具有高通量、高光谱分辨率的技术优势。通过调整光源干涉信号光程差的采样间隔和采样范围,为实现不同光谱分辨率和光谱范围的相对光谱响应测量提供一种高效的技术途径。
以上公开的仅为本发明的具体实施例,但是,本发明实施例并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置,其特征在于:包括沿光路依次设置的定标光源(1)、滤光片(2)、均匀化柱状导光管(3)、准直镜(5)、时间调制型干涉仪(6)、积分球(7)、宽波段成像传感器(8)以及图像处理单元;
所述定标光源(1)的入射光通过滤光片(2)选择目标波段后进入均匀化柱状导光管(3),均匀化柱状导光管(3)出射的均匀化光束经过准直镜(5)后,形成准直光束进入时间调制型干涉仪(6),准直光束经时间调制型干涉仪(6)进行光程差调制后,形成干涉光束;干涉光束由积分球(7)的光源入射口导入,并在积分球(7)的出射口形成均匀散射面光源;均匀散射面光源进入宽波段成像传感器(8),并由宽波段成像传感器(8)的感光面捕获光强图像;
所述图像处理单元用于提取宽波段成像传感器(8)每个像元的光强组成时域离散干涉光强信号,利用傅里叶变换算法对时域离散干涉光强信号进行光谱复原;并根据光谱图像的非均匀性反演宽波段成像传感器(8)的相对光谱响应。
2.根据权利要求1所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置,其特征在于:还包括放置在均匀化柱状导光管(3)与准直镜(5)之间的光阑(4),所述光阑(4)用于消除均匀化光束的杂散光。
3.根据权利要求1或2所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置,其特征在于:所述时间调制型干涉仪(6)采用Michelson干涉仪、Sagnac干涉仪或Mach-Zehnder干涉仪。
4.根据权利要求3所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置,其特征在于:所述宽波段成像传感器(8)为直接成像相机、色散型光谱成像仪或滤光型光谱成像仪。
5.根据权利要求4所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置,其特征在于:所述定标光源(1)为激光光源、单个宽波段光源或者不同宽波段光源的组合;所述宽波段光源包括氙灯、卤钨灯或红外光源。
6.一种宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、定标光源(1)的入射光经过滤光片(2)选择目标波段后进行匀化;对匀化后的光束进行准直,形成准直光束;
步骤2、时间调制型干涉仪(6)对准直光束进行光程差调制,形成干涉光束;
步骤3、干涉光束经积分球(7),形成均匀散射面光源;
步骤4、均匀散射面光源的光强图像被宽波段成像传感器(8)的感光面捕获;
步骤5、改变时间调制型干涉仪(6)出射干涉光束的光强,直至宽波段成像传感器(8)的感光面捕获所有设定光强下的多个光强图像;
步骤6、提取多个光强图像中每个像元的不同光强组成时域离散干涉光强信号,并利用傅里叶变换算法对时域离散干涉光强信号进行光谱复原,得到每个像元的多个光谱强度;
步骤7、提取所有像元在相同光谱通道的光谱强度组成光谱图像;
步骤8、对光谱图像进行非均匀性反演,得到宽波段成像传感器(8)的相对光谱响应。
7.根据权利要求6所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,其特征在于:
步骤2中,所述时间调制型干涉仪(6)对准直光束进行光程差调制,形成干涉光束,具体计算公式为:
S(t0)=∫B(σ)(1+cos(2πσΔ(t0)))dσ
其中,S(t0)代表干涉光束,B(σ)代表光束光谱,σ代表波数,Δ(t0)代表t0时刻时间调制型干涉仪(6)引入的光程差;
步骤6中,所述提取光强图像中每个像元的不同光强组成时域离散干涉光强信号,具体计算公式为:
Ix,y(t)=∫Rx,y(σ)B(σ)(1+cos(2πσΔ(t)))dσ
其中,Ix,y(t)代表(x,y)处的时域离散干涉光强信号,(x,y)为像元位置,Rx,y(σ)为像元位置(x,y)处的相对光谱响应,Δt为光程差;
所述利用傅里叶变换算法对时域离散干涉光强信号进行光谱复原,具体计算公式为:
8.根据权利要求6或7所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,其特征在于:步骤5中,通过时间调制型干涉仪中高精度电控扫描机构移动光学元件,改变时间调制型干涉仪(6)引入的光程差,从而改变干涉光束的光强。
9.根据权利要求8所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,其特征在于:通过调整时间调制型干涉仪(6)中光程差的采样间隔和采样范围,可以得到不同光谱分辨率和光谱范围的干涉光束,从而实现对不相同光谱通道宽波段成像传感器(8)的相对光谱响应的测量。
10.根据权利要求6所述的宽波段成像传感器的相对光谱响应测量方法,其特征在于:步骤2之前,还包括利用光阑(4)消除均匀化光束的杂散光的步骤。
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GR01 | Patent grant | ||
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