CN114636474A - 一种基于光纤式的多光谱系统结构及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤式的多光谱系统结构及其检测方法，涉及多光谱系统技术领域，解决现有技术信号采集不稳定、处理效率低的问题，包括面阵列光源、光纤模块、透射式成像光谱仪、面阵列探测器；光纤包括多根独立的光纤束，多根光纤束被并排固定在一起，所有光纤束的光纤端面处于同一焦平面；光纤模块的探测端连接到面阵列光源，光纤模块的输出端对齐透射式成像光谱仪的入射狭缝，透射式成像光谱仪的输出端正对面阵列探测器；本发明具有采集稳定、处理效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及多光谱系统技术领域，更具体的是涉及基于光纤式的多光谱系统结构及其检测方法技术领域。
背景技术
遥感技术的发展在经历了全色黑白、彩色RGB，多光谱扫描成像阶段之后，由在上世纪80年代初期出现的成像光谱技术，促使光学遥感进入了一个崭新的阶段——高光谱遥感阶段。所谓的高光谱指的是具有高光谱分辨率的遥感科学和技术，成像光谱技术所使用的成像光谱仪能够在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和短波红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据。成像光谱仪为每一个像元提供数十至数百个窄波段的光谱信息，由此而构成一条完整而且连续的光谱曲线。成像光谱仪将视场范围内观察的各种地物以完整的光谱曲线记录下来，而对所记录的数据进行分析处理和研究是多学科所要进行的工作。
高光谱成像是集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体的综合性技术。是一种将成像技术和光谱技术相结合的多维信息获取技术，同时探测目标的二维几何空间与一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。高光谱图像数据的光谱分辨率高达10-2λ数量级，在可见到短波红外波段范围内光谱分辨率为纳米级，光谱波段数多达数十个甚至上百个，各光谱波段间是通常连续，图像数据的每个像元均可以提取一条完整的高分辨率光谱曲线。
被测物体通过镜头后被光谱相机捕获，得到一个一维的影像以及相应的光谱信息，而当电控移动平台或传送带带动样品连续运行时，则能够得到样品目标物的连续的一维影像以及实时的光谱信息，而在此过程中所有的数据被计算机软件所记录，最终获得一个包含了影像信息和光谱信息的三维数据立方体。通过对数据的分析，可针对目标样品的品质信息进行检测。现有常用的技术例如推扫型成像光谱仪通常需要借助扫描机构的移动完成扫描，该技术的扫描行程有限且数据量非常大，所以信号采集不稳定且处理效率低，或者如液晶可调滤光片相机其通道少、图像处理工作量大因此也效率低下且成本高。
发明内容
本发明的目的在于：解决现有技术信号采集不稳定、处理效率低的问题。为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于光纤式的多光谱系统结构。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种基于光纤式的多光谱系统结构，包括面阵列光源、光纤模块、透射式成像光谱仪、面阵列探测器；
所述光纤模块包括多根独立的光纤束，多根光纤束被并排固定在一起，所有光纤束的光纤端面处于同一焦平面；
所述光纤模块的探测端连接到所述面阵列光源，所述光纤模块的输出端对齐所述透射式成像光谱仪的入射狭缝，所述透射式成像光谱仪的输出端正对所述面阵列探测器。
优选地，所述光纤包括40根独立的光纤束，所述光纤束的长度为0.5米，芯径为105微米；所述透射式成像光谱仪的入射狭缝宽度为18微米，长度为14毫米。
优选地，所述透射式成像光谱仪包括依次排列的入射狭缝、第一准直透镜、透射式光栅和第二准直透镜。
优选地，所述面阵列光源包括箱体、散热风扇、16个卤素灯泡；箱体的顶部为匀光玻璃板；
所述卤素灯泡安装在所述箱体底部，呈四行四列排列；所述箱体的前后两侧分别安装有2个散热风扇。
优选地，所述匀光玻璃板采用单面磨砂玻璃，面积为200平方毫米，厚度为5毫米，其磨砂的一面面对所述箱体内部。
为了解决以上技术问题，本发明还公开了一种基于光纤式的多光谱系统的检测方法，应用于以上所述的一种基于光纤式的多光谱系统结构，包括以下步骤：
面阵列光源对光纤模块进行照射确保光纤束在工作时处于均匀的光照环境，待测的样品光谱信号输入到到光纤模块上，通过光纤模块的多个光纤束输出入射光，所述入射光包括多个排列成一行的光点信号；
所述入射光进入所述透射式成像光谱仪的入射狭缝后，由透射式成像光谱仪输出多个波长分布的单色光；
所述单色光映射到面阵列探测器，通过面阵列探测器获取检测结果。
优选地，所述入射光包括40个排列成一行的光点信号。
优选地，所述透射式成像光谱仪输出多个波长分布的单色光的方法为：
所述入射光先被调整为平行光，然后被色散，形成不同波长分布的单色光，接着被准直调整并输出准直调整后的单色光。
优选地，所述通过面阵列探测器获取检测结果的方法包括：
所述面阵列探测器的横向方向每相邻多个像素点代表一个所述光纤束所采集的信息，所述面阵列探测器的横向方向包括1936个像素点，定位每根所述光纤束所对应的像素点并用不同颜色线段进行标注；
所述面阵列探测器的纵向方向包括1456个像素点，分别表示不同波长的映射点。
本发明的有益效果如下：
本发明所采用的技术方案是利用光纤把远离光谱测试仪器的样品光谱信号引入到光谱探测仪器，以反应待测样品的属性、形状、位置等参数，由光纤引入的光信号还可使仪器内部与外界环境隔绝，减少干扰，增强对恶劣环境，例如潮湿气候、强电场干扰、腐蚀性气体等等的抵抗能力，进而保证光谱仪的长期可靠温度运行工作，延长其使用寿命；光纤光谱仪本身结构紧凑小巧，性价比高；待测目标的光信号经转换后呈在面阵列接收器的接收面上，光信号被转换成电子信号后，方便后续经模拟数字转换，A/D放大后输出，最后由外部软件系统控制和采集信号，进而完成各种光谱信号测量分析，减小了信号处理负担且处理方式灵活，提升处理效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是实施例1的透射式成像光谱仪和面阵列探测器的排列结构示意图；
图3是实施例1的面阵列光源的结构俯视示意图；
图4是实施例1中样品台的固定端分布示意图；
附图标记：200-透射式成像光谱仪，201-入射狭缝，202-第一准直透镜，203-透射式光栅，204-第二准直透镜，205-面阵列探测器，301-散热风扇，302-卤素灯泡。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1到3所示，本实施例提供一种基于光纤式的多光谱系统结构，包括面阵列光源、光纤模块、透射式成像光谱仪200、面阵列探测器205；面阵列光源用于确保光纤束在工作时处于均匀的光照环境，减小外部的干扰，可以通过增加灯泡的数量或攻略来保障足够的光照。
所述光纤模块包括多根独立的光纤束，多根光纤束被并排固定在一起，所有光纤束的光纤端面处于同一焦平面；特别说明的是，光纤头的固定接头都是标准的BNC接头，便于固定和锁紧、更换等处理。
所述光纤模块的探测端连接到所述面阵列光源，所述光纤模块的输出端对齐所述透射式成像光谱仪200的入射狭缝201，所述透射式成像光谱仪200的输出端正对所述面阵列探测器205。
作为本实施例的优选方案，所述光纤包括40根独立的光纤束，所述光纤束的长度为0.5米，芯径为105微米；所述透射式成像光谱仪200的入射狭缝201宽度为18微米，长度为14毫米。在本实施例中光纤束的芯径为105微米，算上封装后的单个光纤束的宽度尺寸为350微米，40个并排封装在一起的宽度为14000微米也就是14毫米，刚好可以将这40个光纤束封装为一排对准透射式成像光谱仪200的入射狭缝201。
进一步地，所述透射式成像光谱仪200包括依次排列的入射狭缝201、第一准直透镜202、透射式光栅203和第二准直透镜204。
同样作为优选方案，所述面阵列光源包括箱体、散热风扇301、16个卤素灯泡302；箱体的顶部为匀光玻璃板；所述卤素灯泡302安装在所述箱体底部，呈四行四列排列；所述箱体的前后两侧分别安装有2个散热风扇301。优选地，所述匀光玻璃板采用单面磨砂玻璃，面积为200平方毫米，厚度为5毫米，其磨砂的一面面对所述箱体内部。光源形成的面阵列光照，在一定程度上是均匀的，但每一根光纤束都是有一定的视场角度和入射角度的，所以通过光学匀化玻璃对光再进行一次漫散射处理，使得入射到光纤探头的光照均匀性更好，避免过饱和影响测试结构的判断，所以匀化玻璃采用单面毛玻璃进行光匀化，在匀化玻璃设计上，其一面经过磨砂处理，且磨砂处理后的一面与灯泡发光面对立，这样光源灯泡发出来的光就会被毛玻璃进行散射处理。
为了保障匀化玻璃的效果，一般会对匀化玻璃进行校准，在通过样品台进行匀化玻璃相应的透过率校准时，先拍摄一组匀化玻璃的透射光谱信息，然后再放置相应的样品在样品台上，有无样品其透过的光谱曲线都是不一样的，所以对数据进行处理时，借助匀化玻璃来进行校准和定标更好的能够体现系统的一致性问题。样品台上的41个端口是用来固定光纤的，这样光纤直接介绍到了透射光谱信息，其41个位置的分布充分考虑实际应用需求，高密度分布下的，均匀空间分布下的不同波段的测试效果。中间的15/16/17、20/21/22、25/26/27三组9个固定端按照三行三列的排列方式分布在3cm*3cm的区域内，其余的围绕中间的9个固定端分布在10cm*10cm的区域内，而面阵列光源的有效匀化区域在15cm*15cm，所以该分部可以保证每个光纤束受到照射。
本实施例采用的200平方毫米的大小也能更好分散密闭空间的热量。另一方面通过设计的散热风扇301可以进一步确保光源所处的环境在一个相对稳定的温度下，这样可以增加其寿命，同时对设备、对样品也是一种保护。
综合来说，待测的光谱信号(反射谱/透射谱)被光纤模块传输，在经过透射式成像光谱仪200的狭缝后投射到第一准直透镜202上，这里狭缝的大小对光谱的分辨率有影响，第一准直透镜202将发散的光信号转变成准平行光进入透射式光栅203上，透射式光栅203进行色散后再经一块成像的第二准直透镜204形成平行光，然后将光谱呈在面阵列探测器205的接收面上，这里光信号被转换成电信号后，由后续步骤进行模拟数字转换、A/D放大等操作后输出，最后由系统控制和采集信号，进而完成各种光谱信号测量分析。
实施例2
为了解决以上技术问题，本实施例公开了一种基于光纤式的多光谱系统的检测方法，应用于前面所述的一种基于光纤式的多光谱系统结构，包括以下步骤：
面阵列光源对光纤模块进行照射确保光纤束在工作时处于均匀的光照环境，待测的样品光谱信号输入到到光纤模块上，通过光纤模块的多个光纤束输出入射光，所述入射光包括多个排列成一行的光点信号；
所述入射光进入所述透射式成像光谱仪的入射狭缝后，由透射式成像光谱仪输出多个波长分布的单色光；
所述单色光映射到面阵列探测器，通过面阵列探测器获取检测结果。
作为本实施例的优选方案，所述入射光包括40个排列成一行的光点信号，该方案的实现基于光纤束的排列结构，多根光纤束被并排固定在一起，所有光纤束的光纤端面处于同一焦平面。
优选地，所述透射式成像光谱仪输出多个波长分布的单色光的方法为：
所述入射光先在第一准直透镜的作用下被调整为平行光，然后由透射式光栅对平行光进行色散，形成不同波长分布的单色光，接着由第二准直透镜对单色光进行准直调整并输出准直调整后的单色光。
进一步地，所述通过面阵列探测器获取检测结果的方法包括：
所述面阵列探测器的横向方向每相邻多个像素点代表一个所述光纤束所采集的信息，所述面阵列探测器的横向方向包括1936个像素点，定位每根所述光纤束所对应的像素点并用不同颜色线段进行标注；
例如，第10个和第15个通道，其空间维度占据的像素点分别为：600-630Pixels,800-830Pixels,以此类推。
所述面阵列探测器的纵向方向包括1456个像素点，分别表示不同波长的映射点。
例如，成像光谱仪能够色散的光谱范围为：380nm-1100nm，也就是说，面阵列探测器纵轴方向不同的像素点：1、2、3……1454、1455、1456分别是不同波长的映射点。理论上，40根光纤束在其各自纵轴方向上的分布是独立的，互不干涉。为了确保40根光纤轴的光谱一致性，在集成时，做了严格的设计和校准，基本上偏差控制在最多1个像素点，而本实施例的系统所使用的透射式成像光谱仪的光谱分辨率在2nm，2nm差不多是4个(pixels)像素点的空间分布，与其比较，1个pixel的偏差不足以影响精度。所以将40根光纤束的光谱校准数据视为一致来应用，同时也能提升系统的采集效率。
Claims (9)
1.一种基于光纤式的多光谱系统结构，其特征在于，包括面阵列光源、光纤模块、透射式成像光谱仪(200)、面阵列探测器(205)；
所述光纤模块包括多根独立的光纤束，多根光纤束被并排固定在一起，所有光纤束的光纤端面处于同一焦平面；
所述光纤模块的探测端连接到所述面阵列光源，所述光纤模块的输出端对齐所述透射式成像光谱仪(200)的入射狭缝(201)，所述透射式成像光谱仪(200)的输出端正对所述面阵列探测器(205)。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤式的多光谱系统结构，其特征在于，所述光纤包括40根独立的光纤束，所述光纤束的长度为0.5米，芯径为105微米；所述透射式成像光谱仪(200)的入射狭缝(201)宽度为18微米，长度为14毫米。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤式的多光谱系统结构，其特征在于，所述透射式成像光谱仪(200)包括依次排列的入射狭缝(201)、第一准直透镜(202)、透射式光栅(203)和第二准直透镜(204)。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤式的多光谱系统结构，其特征在于，
所述面阵列光源包括箱体、散热风扇(301)、16个卤素灯泡(302)；箱体的顶部为匀光玻璃板；
所述卤素灯泡(302)安装在所述箱体底部，呈四行四列排列；所述箱体的前后两侧分别安装有2个散热风扇(301)。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤式的多光谱系统结构，其特征在于，所述匀光玻璃板采用单面磨砂玻璃，面积为200平方毫米，厚度为5毫米，其磨砂的一面面对所述箱体内部。
6.一种基于光纤式的多光谱系统的检测方法，应用于权利要求1-5任意一项所述的一种基于光纤式的多光谱系统结构，其特征在于，包括以下步骤：
面阵列光源对光纤模块进行照射确保光纤束在工作时处于均匀的光照环境，待测的样品光谱信号输入到到光纤模块上，通过光纤模块的多个光纤束输出入射光，所述入射光包括多个排列成一行的光点信号；
所述入射光进入所述透射式成像光谱仪(200)的入射狭缝(201)后，由透射式成像光谱仪(200)输出多个波长分布的单色光；
所述单色光映射到面阵列探测器(205)，通过面阵列探测器(205)获取检测结果。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤式的多光谱系统的检测方法，其特征在于，所述入射光包括40个排列成一行的光点信号。
8.根据权利要求6所述的一种基于光纤式的多光谱系统的检测方法，其特征在于，所述透射式成像光谱仪(200)输出多个波长分布的单色光的方法为：
所述入射光先被调整为平行光，然后被色散，形成不同波长分布的单色光，接着对单色光进行准直调整并输出准直调整后的单色光。
9.根据权利要求6所述的一种基于光纤式的多光谱系统的检测方法，其特征在于，所述通过面阵列探测器(205)获取检测结果的方法包括：
所述面阵列探测器(205)的横向方向每相邻多个像素点代表一个所述光纤束所采集的信息，所述面阵列探测器(205)的横向方向包括1936个像素点，定位每根所述光纤束所对应的像素点并用不同颜色线段进行标注；
所述面阵列探测器(205)的纵向方向包括1456个像素点，分别表示不同波长的映射点。
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| CN202210328314.9A Pending CN114636474A (zh) | 2022-03-30 | 2022-03-30 | 一种基于光纤式的多光谱系统结构及其检测方法 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102435311A (zh) * | 2011-09-07 | 2012-05-02 | 杭州远方光电信息股份有限公司 | 一种光纤束光谱仪 |
| CN103438999A (zh) * | 2013-09-02 | 2013-12-11 | 南京理工大学 | 一种组件式透射式成像光谱仪 |
| CN112362603A (zh) * | 2020-12-22 | 2021-02-12 | 福建农林大学 | 高通量同步获取植物反射光谱和吸收光谱图像的装置及其工作方法 |
| CN113640257A (zh) * | 2020-04-27 | 2021-11-12 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 阵列样品光谱测试系统 |
| CN217236980U (zh) * | 2022-03-30 | 2022-08-19 | 江苏双利合谱科技有限公司 | 一种基于光纤式的多光谱系统结构 |
-
2022
- 2022-03-30 CN CN202210328314.9A patent/CN114636474A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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