CN115165107B - 一种变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法 - Google Patents
一种变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光谱成像领域，公开了一种变间隙法布里‑珀罗光谱成像仪视场角确定方法，在满足整个光谱成像仪空间探测能力的基础上，分别建立干涉光谱成像系统的艾里斑中心距和干涉条纹畸变量两项性能参数与变间隙法布里‑珀罗光谱成像仪视场角之间的数学模型，通过艾里斑中心距和干涉条纹畸变量对系统性能的影响，构建变间隙法布里‑珀罗光谱成像仪视场角的约束条件，确定视场角的最佳值。变间隙法布里‑珀罗光谱成像仪视场角不仅直接决定了系统的空间探测和分辨能力，而且间接影响了系统光谱信息的获取能力。通过使用本发明的技术方案，可确定其最佳值，使整个变间隙法布里‑珀罗干涉光谱成像系统性能达到最优。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，涉及一种变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法。
背景技术
干涉光谱成像技术受到各国重视，发达国家如美国已经将光谱成像技术应用于侦察、预警和防护系统中，各种目标和背景有特殊的光谱特征，当目标和背景的光谱信号具有显著差异时，光谱成像系统以其最终获取的数据立方体，在繁多的光谱中将要探测的目标突显出来，可以对地面复杂背景下目标、伪装/隐身目标、丛林半遮蔽目标等进行探测和识别。
作为变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉光谱成像系统的核心性能指标，如果简单地通过目标尺寸和探测距离来确定系统视场角的大小，仅满足了系统的空间探测和分辨能力，但对于光谱成像系统而言，边缘视场处的光谱信息获取能力未必可以满足系统要求，这样在最大视场处，既不能获得有效光谱数据，而且会造成探测器边缘资源的浪费。因此，还要考虑能否获取完整干涉条纹，以此来确定视场角的最佳值。
相对于中国期刊“基于对称楔形干涉腔的高光谱成像方法”，该论文并未提及变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉光谱成像系统视场角的确定方法。
相对于国外期刊“A compact LWIR hyperspectral system employing amicrobolometer array and a variable gap Fabry-Perot interferometer employedas a Fourier transform spectrometer”和发明专利“一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪”(专利公布号CN 104236713 A)，二者均未提及视场角的确定方法。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中的不足，提供一种变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法，以解决现有的视场角未优化设计的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法，其包括以下步骤：
步骤1：依据变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统对目标的空间探测能力需求，计算变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统视场角初始值，同时设定干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距的初始值；
步骤2：为满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于系统探测器最小分辨率要求，依据变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与系统艾里斑中心距的数学模型，得到视场角的初始预置区间；
步骤3：为满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于两倍的艾里斑半径的要求，在步骤2得到的视场角初始预置区间基础上，对变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角的取值范围进一步约束，获得二次视场角预置区间；
步骤4：建立变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与干涉条纹偏移量的数学模型，对偏移后干涉条纹进行傅里叶变换，计算系统光谱分辨率，通过判断光谱分辨率是否满足系统要求，对视场角进一步约束，从而获得最佳系统视场角预置区间；
步骤5：判断视场角初始值是否在最佳系统视场角预置区间内，如果在，初始值可作为最终设计值，满足系统要求；如果不在，需更改视场角初始值及系统相关设计参数初始值，重复步骤1-4，直至初始值在最佳预置区间为止。
其中，所述步骤1中，所述的变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统视场角初始值确定方法如公式(1)所示:
θ为系统视场角，单位为rad；B为目标场景大小，单位为m；L为目标与变间隙法布里-珀罗光谱成像系统之间的距离，单位为m。
根据公式(2)，视场角与干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距之间的关系，可以设定干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距的初始值。
式中，xmax为光束入射在干涉腔的位置距干涉腔对称中心位置处的最大距离，即干涉仪横向尺寸的一半，单位mm；f为成像物镜焦距，单位mm。
进一步地，所述步骤2中，变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距的数学模型为：
其中，
β＝arcsin{nsin[arcsin(sinθ/n)+α]}+α (4)
式中，x为光束入射在干涉腔的位置距干涉腔对称中心位置处的距离，单位mm；d为变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距，单位为μm；n为楔形平板的折射率；α为干涉仪的楔角，单位为rad；θ为系统视场角，单位为rad；β为中间变量，单位为rad。
依据公式(3)、(4)，得到变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距之间的关系曲线。
进一步地，所述步骤2中，为满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于系统探测器最小分辨率要求，即如公式(5)所示，得到变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角的初始预置区间：
d≤p (5)
d为变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距，单位为μm；p为探测器像元尺寸，单位μm。
进一步地，所述步骤3中，设置变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距应小于两倍的艾里斑半径：
dmax<2r (6)
对于圆形通光孔径，物点光束通过成像物镜形成的艾里斑半径为
r＝1.22λminF# (7)
式中，λmin为系统响应的最小波长，单位μm，F#为前端成像物镜的F#，r为成像物镜形成的艾里斑半径，单位μm。
如公式(6)所示，得到变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角的二次视场角预置区间。
所述步骤4中，变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与干涉条纹偏移量的数学模型：
△x＝htanθ (8)
其中，θ为系统视场角，干涉腔高度h，为
h＝xtanα (9)
式中，x为光束入射在干涉腔的位置距干涉腔对称中心位置处的距离；对偏移后干涉条纹进行傅里叶变换，计算系统光谱分辨率△ν’，应满足，
其中，△ν为系统光谱分辨率，△ν’为干涉条纹偏移后得到的光谱分辨率。通过公式(10)对视场角进一步约束，从而获得最佳视场角预置区间；
进一步地，所述步骤5中，如果视场角初始值在最佳视场角视场角预置区间内，初始值可作为最终设计值，满足系统要求；如果不在，需更改视场角初始值及干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距的初始值，重复步骤1-4，直至初始值在最佳视场角预置区间为止。
(三)有益效果
本发明的整体技术效果体现在以下几个方面:
(一)本发明建立变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与系统艾里斑中心距的数学模型，通过满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于系统探测器最小分辨率要求，对变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角进行约束。
(二)本发明建立变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与系统艾里斑中心距的数学模型，通过变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于两倍的艾里斑半径的要求，对变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角进行约束。
(三)本发明建立变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与干涉条纹偏移量的数学模型，对偏移后干涉条纹进行傅里叶变换，计算系统光谱分辨率，通过判断光谱分辨率是否满足系统要求，对视场角进行约束。
上述3个要点与中国期刊论文《基于对称楔形干涉腔的高光谱成像方法》、国外期刊《A compact LWIR hyperspectral system employing a microbolometer array and avariable gap Fabry-Perot interferometer employed as a Fourier transformspectrometer》和发明专利《一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪》(专利公布号CN 104236713A)相比，上述文章并未提及此约束条件。
附图说明
图1是变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距之间的关系曲线图。
图2是入射波长10.6μm单色光，系统干涉条纹随视场角的变化图。
图3是当视场角最大时，对于波长10.6μm入射单色光，系统得到的干涉信息图。
图4是图3干涉信息经过傅里叶变换后得到的10.6μm单色光的光谱曲线。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
一种变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法，具体包括以下步骤：
步骤1：依据变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统对目标的空间探测能力需求，计算变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统视场角初始值，同时设定干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距的初始值。假设系统要求探测3km外520m范围目标场景，依据公式(1)，计算视场角初始值为9.91°。
θ为系统视场角，单位为度；B＝520m为目标场景大小；L＝3000m为目标与变间隙法布里-珀罗光谱成像系统之间的距离。
同时，根据公式(2)，设定干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距的初始值，分别为xmax＝2.72mm(留一定的装夹余量)，f＝31mm
式中，xmax＝2.72mm为光束入射在干涉腔的位置距干涉腔对称中心位置处的最大距离，即干涉仪横向尺寸的一半；f＝31mm为成像物镜焦距。
步骤2：依据变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距的数学模型，公式(3)和(4)得到变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距之间的关系曲线，如图1所示。
其中，
β＝arcsin{nsin[arcsin(sinθ/n)+α]}+α (4)
式中，x≤2.72mm为光束入射在干涉腔的位置距干涉腔对称中心位置处的距离；d为变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距，单位为μm；n＝3.7为楔形平板的折射率；α＝10mrad为干涉仪的楔角，单位为rad；θ为系统视场角，单位为rad；β为中间变量，单位为rad。
为满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于系统探测器最小分辨率要求，即如公式(5)所示，得到变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角的初始预置区间：
d≤p (5)
d为变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距，单位为μm；p＝17μm为探测器像元尺寸。
对于探测器像元尺寸为17μm的探测器，图1仅画出了系统艾里斑中心距小于17μm的曲线，对应的最大视场角为9.9539°。
步骤3：系统响应的最小波长λmin为8μm，成像物镜的F#为1,依据公式(7)，计算物点光束通过成像物镜形成的艾里斑半径为9.76μm，
r＝1.22λminF# (7)
由于
p<2r
因此，图1曲线中所有视场角满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于两倍的艾里斑半径的要求。
步骤4：依据变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与干涉条纹偏移量的数学模型公式(8)和(9)，可得到叠加偏移量的干涉条纹，如图2所示：
△x＝htanθ (8)
其中，θ为系统视场角，干涉腔高度h，为
h＝xtanα (9)
式中，x为光束入射在干涉腔的位置距干涉腔对称中心位置处的距离。
为体现视场角对干涉条纹量的影响，图2模拟了入射波长10.6μm单色光(对应波数943cm-1)，系统干涉条纹随视场角的变化，横坐标干涉腔间隙厚度即为干涉腔高度，与探测器横向尺寸具有一一对应关系。现提取最大视场角9.9539°处干涉条纹，如图3所示。对其进行傅里叶变换，得到943cm-1单色光光谱曲线，半高宽10.15cm-1即为系统的光谱分辨率△ν’。而系统光谱分辨率设计值△ν＝10cm-1
满足
即最大视场角为9.9539°满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于系统探测器最小分辨率，及变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于两倍的艾里斑半径的要求，同时产生的干涉条纹偏移量满足光谱分辨率精度要求。而此时的设计初始值9.91°<9.9539°。因此，初始值为满足系统目标探测能力，同时满足上述系统要求的值，可作为最终设计值。
Claims (7)
1.一种变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：依据变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统对目标的空间探测能力需求，计算变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统视场角初始值，同时设定干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距的初始值；
步骤2：为满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于系统探测器最小分辨率要求，依据变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与系统艾里斑中心距的数学模型，得到视场角的初始预置区间；
步骤3：为满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于两倍的艾里斑半径的要求，在步骤2得到的视场角初始预置区间基础上，对变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角的取值范围进一步约束，获得二次视场角预置区间；
步骤4：建立变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与干涉条纹偏移量的数学模型，对偏移后干涉条纹进行傅里叶变换，计算系统光谱分辨率，通过判断光谱分辨率是否满足系统要求，对视场角进一步约束，从而获得最佳系统视场角预置区间；
步骤5：判断视场角初始值是否在最佳系统视场角预置区间内，如果在，初始值可作为最终设计值，满足系统要求；如果不在，需更改视场角初始值及系统相关设计参数初始值，重复步骤1-4，直至初始值在最佳预置区间为止。
2.如权利要求1所述的变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法，其特征在于，所述步骤1中，所述的变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统视场角初始值确定方法如公式(1)所示:
θ为系统视场角，单位为rad；B为目标场景大小，单位为m；L为目标与变间隙法布里-珀罗光谱成像系统之间的距离，单位为m；
根据公式(2)，视场角与干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距之间的关系，可以设定干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距的初始值；
式中，xmax为光束入射在干涉腔的位置距干涉腔对称中心位置处的最大距离，即干涉仪横向尺寸的一半，单位mm；f为成像物镜焦距，单位mm。
3.如权利要求1所述的变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法，其特征在于，所述步骤2中，变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距的数学模型为：
其中，
β＝arcsin{nsin[arcsin(sinθ/n)+α]}+α (4)
式中，x为光束入射在干涉腔的位置距干涉腔对称中心位置处的距离，单位mm；d为变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距，单位为μm；n为楔形平板的折射率；α为干涉仪的楔角，单位为rad；θ为系统视场角，单位为rad；β为中间变量，单位为rad；
依据公式(3)、(4)，得到变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距之间的关系曲线。
4.如权利要求1所述的变间隙法布里-珀罗干涉仪楔角确定方法，其特征在于，所述步骤2中为满足变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距小于系统探测器最小分辨率要求，即如公式(5)所示，得到变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角的初始预置区间：
d≤p (5)
d为变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距，单位为μm；p为探测器像元尺寸，单位μm。
5.如权利要求1所述的变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角确定方法，其特征在于，所述步骤3中，设置变间隙法布里-珀罗干涉光谱成像系统艾里斑中心距应小于两倍的艾里斑半径：
dmax<2r (6)
对于圆形通光孔径，物点光束通过成像物镜形成的艾里斑半径为
r＝1.22λminF# (7)
式中，λmin为系统响应的最小波长，单位μm，F#为前端成像物镜的F#，r为成像物镜形成的艾里斑半径，单位μm；
如公式(6)所示，得到变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角的二次视场角预置区间。
6.如权利要求1所述的变间隙法布里-珀罗干涉仪楔角确定方法，其特征在于，所述步骤4中，变间隙法布里-珀罗光谱成像仪视场角与干涉条纹偏移量的数学模型：
△x＝htanθ (8)
其中，θ为系统视场角，干涉腔高度h，为
h＝xtanα (9)
式中，x为光束入射在干涉腔的位置距干涉腔对称中心位置处的距离；对偏移后干涉条纹进行傅里叶变换，计算系统光谱分辨率△ν’，应满足，
其中，△ν为系统光谱分辨率，△ν’为干涉条纹偏移后得到的光谱分辨率，通过公式(10)对视场角进一步约束，从而获得最佳视场角预置区间。
7.如权利要求1所述的变间隙法布里-珀罗干涉仪楔角确定方法，其特征在于，所述步骤5中，如果视场角初始值在最佳视场角预置区间内，初始值可作为最终设计值，满足系统要求；如果不在，需更改视场角初始值及干涉仪横向尺寸和成像物镜焦距的初始值，重复步骤1-4，直至初始值在最佳视场角预置区间为止。
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| CN105823558A (zh) * | 2016-04-27 | 2016-08-03 | 西安应用光学研究所 | 变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统 |
| CN107741273A (zh) * | 2017-10-13 | 2018-02-27 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于线列探测器的宽幅宽谱长波红外高光谱成像系统 |
| CN111504609A (zh) * | 2020-04-07 | 2020-08-07 | 西安应用光学研究所 | 一种变间隙法布里-珀罗干涉仪楔角确定方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外光谱成像系统;张芳 等;《红外与激光工程》;20170331;第第46卷卷(第第3期期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115165107A (zh) | 2022-10-11 |
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