CN1664612A - 推帚式光谱成像仪的宽视场及高分辨率的成像结构 - Google Patents

Abstract

一种推帚式成像光谱仪的宽视场及高分辨率成像结构，由一个宽视场的成像镜头，多个窄缝、分光计(分光计由准直镜、光栅、会聚镜组成)及面阵光电探测器构成，其中分光计的光轴与成像镜头光轴平行，分别对成像镜头焦面的不同视场窄缝分光，共同拼接成一个宽视场高分辨率的成像光谱系统。本发明可根据实际需要来选择窄缝的长度与数量、成像镜头焦距的长度、探测元尺寸大小制成不同成像视场与分辨率的成像光谱仪器，灵活且实用性强。通过本发明可有效解决当前推帚式成像光谱仪普遍视场不大，分辨率低、作业效率不高的问题，设计出宽视场高分辨率光谱成像系统。

Description

推帚式光谱成像仪的宽视场及高分辨率的成像结构

技术领域：

本发明涉及一种超光谱成像仪实现宽视场及高分辨率的改进结构，特别是关于一种星载/机载推帚式超光谱成像仪的宽视场与高分辨率的成像结构。

背景技术：

成像光谱仪是近年来随着对地观测的需要和光电技术的进步而发展起来的新一代遥感仪器，它将传统二维成像遥感技术与光谱仪技术有机结合在一起，能在获取所观测对象二维空间信息的同时，以高光谱分辨率获取目标的光谱图像。由于所获得的光谱图像数据中含有与被观测目标组分有关的光谱信息，可以揭示地物的光谱特性、存在状况以及物质成分，从而使直接识别成像目标成为可能，因此，在大气、海洋和陆地等观测中得到广泛的应用。

推帚式成像光谱仪根据推帚成像和光栅分光的原理，利用大型焦平面面阵探测器制成，能在同一时间获取窄长地物带的空间及光谱信息，此时，面阵探测器中的一维完成空间成像，称之为空间维，而另一维完成光谱成像，称之为光谱维，再经由飞行平台的向前运动而完成大范围的扫描成像。

推帚式成像光谱仪通常由成像镜、窄缝、分光计(由依次以光路联结的准直镜、光栅与会聚镜组成)和面阵探测器组成。图1所示为单一推帚式超光谱成像仪(指由单个成像镜、分光计，面阵探测器集成的成像光谱仪)光学头部模块图。由于光学效率的限制以及帧转移大面阵探测器制造的难度，当前国际上存在的单一成像光谱仪视场角不大于40°，因而作业效率较低，同时，也无法满足社会日益增长的对高分辨率超光谱图像(高分辨率超光谱图像即能提供地面目标精细的几何特性，又能提供丰富的光谱信息，对地物进行自动、快速目标识别和分类，具有极大的实用价值)，这些都大大限制了超光谱成像仪的使用范围。当前通常采用的多个独立式的小视场成像光谱仪以视场拼接方式来实现宽视场成像的方法对各个成像光谱仪的分部件，特别是成像镜头的性能指标一致性、拼接结构稳定性以及系统装校要求都极高，也加大了图像处理的难度。同时，采用不同仪器得到的同一地物的高分辨率图像和光谱图像进行图像的配准和影像的融合，生成新的高分辨率超光谱图像的方法，因操作仪器光学头部间不可避免地存在性能差异，不仅将导致数据融合处理方面的困难，而且图像间空间配准的误差对影像融合效果有很大影响。

发明内容：

综上所述，如何克服已有技术由于光学效率的限制以及帧转移大面阵探测器制造的难度，而导致的当前国际上存在的单一的成像光谱仪视场角较低，分辨率也不高的缺陷，乃是本发明所要解决的技术问题。因此，本发明的目的在于提供一种宽视场及高分辨率的成像结构，以便解决推帚式超光谱成像仪的上述相关问题。

本发明的技术解决思路如下：

在当前大视场成像镜头设计制造以及目前小视场推帚式超光谱成像技术逐渐成熟的条件下，采用单个大视场的成像镜头成像面，其焦面则为多窄缝独立分光成像来达到宽视场及高分辨率成像的目的。具体实现措施如下：

1.采用成像镜头将大视场内的地物目标成像于其焦面上，在焦面处设置多个窄缝，对该多个窄缝以互相平行并错位放置，共同拼接构成穿轨方向的大视场。

2.对成像镜头焦面上的每一窄缝都后置包括成光路连接的准直镜、光栅和会聚镜构成的分光计以及面阵探测器，分别对进入各窄缝的光进行分光及成像。

3.焦面上放置的各个窄缝的相邻窄缝互相间有微量重叠区域，保证整个成像光谱仪在成像视场内不会有成像盲区的出现。

4.成像镜头焦面处的n条L长度的狭缝，相当于拼接成了一条穿轨方向的长为n*L的长窄缝，对于焦距为f的成像镜头来说，形成2arctan(n*L/2f)的穿轨视场。若每窄缝后的面阵探测器的空间维像元为m，则形成穿轨方向约为2arctan(L/2f)/m的瞬时视场，该瞬时视场作为穿轨方向的理论分辨率，一般与仪器的实际分辨率成比例，常用来表征仪器的分辨能力。可以看出，当L与m不变时，不同的n、f组合可构成不同的成像视场以及成像分辨率。

5.成像镜光轴与各狭缝后继光学部件间光轴不再是共轴关系，而是互相呈平行关系。

6.为保证各窄缝的后继器件的放置空间，在成像镜头及其焦面间放置适当形式的反射镜起光路折转作用。

如上所述，根据本发明的一种推帚式成像光谱仪的宽视场及高分辨率成像结构，其包括以光学连接的成像镜头和成像焦面，特点是：该成像镜头采用单个大视场的成像镜头，而该成像焦面则分成多个窄缝独立分光成像，各窄缝共同拼接以达到宽视场及高分辨率光谱成像。

所述的焦面多窄缝独立分光拼接成像结构是：焦面上各窄缝互相平行并错位放置，共同拼接构成穿轨方向的大视场，相邻窄缝间有微量重叠区域，保证整个成像光谱仪在成像视场内不会有成像盲区的出现；

所述的多窄缝独立分光拼接成像结构：各窄缝有独立的后继光学部件，它们分别包括依次以光学连接的准直镜、光栅和会聚镜构成的分光计以及面阵探测器，分别对进入各窄缝的光进行分光及成像；

所述的多窄缝独立分光拼接成像，采用不同的成像镜头焦距、窄缝长度、窄缝数量、探测像元大小组合可制不同成像视场与成像分辨率的光谱成像结构；

所述的多窄缝独立分光拼接成像，除位于成像镜头的0°视场窄缝的后继光学部件的光轴与成像镜头的光轴的是共轴关系外，其余各窄缝后继光学部件的光轴都是互相呈平行关系；

所述的多窄缝独立分光拼接成像，为保证各窄缝后继器件的放置空间，在成像镜头及其焦面前间放置适当形式的反射镜起光路折转作用。

本发明的优点在于：

采用单个大视场的成像镜头成像，焦面多窄缝独立分光成像结构来达到宽视场及高分辨率成像，提高了仪器运行的作业效率及适用范围；本发明可根据实际需要来选择窄缝的数量及成像镜头焦距的长度来确定仪器的成像视场与分辨率，灵活且实用性强；由于各个窄缝及其后继光电系统共用同一成像镜头，使仪器轻量化、小型化，同时大大减轻装校工作量。

附图说明：

图1为已有单一型推帚式超光谱成像仪的光学头部模块结构示意图。

图2为本发明实施例成像镜头焦面处窄缝分布示意图。

图3为本发明实施例光学头部模块结构示意图。

具体实施方式：

下面结合图2～图3给出本发明一个较好实施例，主要作进一步详细说明本发明的特点，而非用来限定本发明的范围：

先请参阅图3，图3是本发明具体实施例80°视场推帚式超光谱成像仪的光学头部模块结构示意图。成像镜0视场为90°，焦距为20mm。在没加四块折转反射镜10、20、40、50时，成像镜头焦面处五条窄缝11、21、31、41、51如图2所示分布，窄缝11、41放置于沿轨后视10°处，窄缝31放置于沿轨0°视场处，窄缝21、51放置于沿轨前视10°处，窄缝长度为7mm，拼接成穿轨方向34mm的长窄缝(窄缝间有微量重叠区域)。

为保证各窄缝的后继器件的放置空间，在成像镜0至其焦面间放置平面反射镜10、20、30、40，反射镜10将窄缝11及其后继器件准直镜12、光栅13、会聚镜14、面阵探测器15折转至X轴的正方向；同样，反射镜20将窄缝21及其后继器件准直镜22、光栅23、会聚镜24、面阵探测器25折转至Y轴的正方向，反射镜40将窄缝41及其后继器件准直镜42、光栅43、会聚镜44、面阵探测器45折转至Y轴的负方向；反射镜50将窄缝51及其后继器件准直镜52、光栅53、会聚镜54、面阵探测器55折转至X轴的负方向；窄缝31前没有放置反射镜，其光路及后继器件准直镜32、光栅33、会聚镜34、面阵探测器35沿Z轴正方向放置。

面阵探测器15、25、35、45、55单元像素尺寸为12μ，因此，光谱成像系统穿轨方向瞬时视场为0.6mrad，最终、通过采用单个大视场的成像镜头成像，焦面多窄缝独立分光拼接的宽视场成像光谱仪视场为80°，空间分辨率优于1mrad。若成像镜头的焦距改用40mm，，则该光谱成像系统视场为46°，穿轨瞬时视场约为0.3mrad，空间分辨率将优于0.5mrad。即采用不同的成像镜头焦距、窄缝长度、窄缝数量、探测像元大小组合可研制不同成像视场与成像分辨率的光谱成像结构。

Claims (6)

1、一种推帚式成像光谱仪的宽视场及高分辨率成像结构，包括以光学连接的成像镜头和成像焦面，其特征在于，该成像镜头为单个大视场的成像镜头，而该成像焦面分成多个窄缝并独立分光拼接成像。

2、根据权利要求1所述的推帚式成像光谱仪的宽视场及高分辨率成像结构，其特征在于，所述的焦面多窄缝独立分光拼接成像结构是：焦面上各窄缝互相平行并错位放置，共同拼接构成穿轨方向的大视场，相邻窄缝间有防止出现成像盲区的微量重叠区域。

3、根据权利要求1或2所述的推帚式成像光谱仪的宽视场及高分辨率成像结构，其特征在于，所述各窄缝有独立的、分别对进入相应窄缝的光进行分光及成像的后继光学部件，所述的后继光学部件包括依次以光路联结的准直镜、光栅和会聚镜构成的分光计，以及面阵探测器。

4、根据权利要求3所述的推帚式成像光谱仪的宽视场及高分辨率成像结构，其特征在于，采用不同的成像镜头焦距，窄缝长度、窄缝数量和探测像元大小可组合成不同成像视场与成像分辨率的光谱成像结构。

5、根据权利要求3所述的推帚式成像光谱仪的宽视场及高分辨率成像结构，其特征在于，所述各窄缝的后继光学部件的光轴中，除处于成像镜头的0°视场的窄缝的后继光学部件的光轴与成像镜头的光轴为共轴关系外，均呈相互平行关系。

6、根据权利要求1所述的推帚式成像光谱仪的宽视场及高分辨率成像结构，其特征在于，在该成像镜头及其焦面前间还放置起光路转折的作用的反射镜。

Images