RU2484432C2 - Поляриметрический гиперспектральный формирователь изображения - Google Patents

Поляриметрический гиперспектральный формирователь изображения Download PDF

Info

Publication number
RU2484432C2
RU2484432C2 RU2010115021/28A RU2010115021A RU2484432C2 RU 2484432 C2 RU2484432 C2 RU 2484432C2 RU 2010115021/28 A RU2010115021/28 A RU 2010115021/28A RU 2010115021 A RU2010115021 A RU 2010115021A RU 2484432 C2 RU2484432 C2 RU 2484432C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
hyperspectral sensor
imager according
detector
filter
Prior art date
Application number
RU2010115021/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2010115021A (ru
Inventor
Эрван НОРМАНД
Original Assignee
Кэскейд Текнолоджиз Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Кэскейд Текнолоджиз Лимитед filed Critical Кэскейд Текнолоджиз Лимитед
Publication of RU2010115021A publication Critical patent/RU2010115021A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2484432C2 publication Critical patent/RU2484432C2/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N2021/1793—Remote sensing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G01N2021/3513—Open path with an instrumental source
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

Изобретение относится к спектро-поляриметрическому гиперспектральному устройству формирования изображения. Заявленный гиперспектральный сенсор или формирователь изображения содержит лазер для подсветки объекта и двумерный детектор для детектирования света, испускаемого лазером и прошедшего через объект. Причем лазер является лазером с линейной частотной модуляцией, приспособленным для вывода множественных импульсов с линейной частотной модуляцией, имеющих различные диапазоны длин волн, указанные множественные импульсы с линейной частотной модуляцией объединяются для формирования расширенного непрерывного спектра для подсветки объекта. Технический результат - упрощение конструкции, улучшение характеристик по чувствительности и динамическому диапазону. 25 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к спектро-поляриметрическому гиперспектральному устройству формирования изображения. В частности, изобретение относится к гиперспектральному устройству формирования изображения, которое использует квантовый каскадный лазер.
Уровень техники
Гиперспектральная визуализация представляет собой визуализацию объекта по большому количеству дискретных смежных спектральных полос. Имеется два основных типа гиперспектрального устройства формирования изображения: системы со сканированием длины волны, которые измеряют срез изображения на фиксированной длине волны, как показано на Фиг.1(a), и щелевые или линейные сканирующие системы, которые измеряют спектральный срез в фиксированном положении или посредством спектрального сканирования, вращая дифракционную оптику, или пространственно, перемещая положение линии посредством щели, как показано на Фиг.1(b). Набор данных, получаемый такими формирователями изображения, обычно обозначается как массив данных, где первые два размера даются изображением площади объекта, которая является пространственной информацией, и третий дается спектральной информацией.
Гиперспектральные сенсоры выполняют спектрометрию отображения, чтобы получить спектроскопические параметры. Когда между гиперспектральным сенсором и наблюдаемым объектом имеется газовое облако, то облако поглощает/испускает свет, который образует контраст с отраженным светом или со светом, естественно испускаемым объектом на определенной длине волны. Сканируя по длине волны при отображении объекта и затем сравнивая спектральную информацию с газом и без газа (то есть выполняя контрастный анализ), можно получить параметры поглощения/эмиссии газа, которые затем использовать для идентификации его состава(ов). Следовательно, эти сенсоры могут давать заблаговременное предупреждение об опасных химических парах, не обнаружимых глазом, а также контролировать концентрации примесей в газе. В зоне электростанции, например, некоторые из представляющих интерес газовых факелов - это CO, CO2, SO2, NO, NO2. С гиперспектральным газовым сенсором даже низкая концентрация пара может быть отображена, идентифицирована и измерена.
Хотя гиперспектральные устройства формирования изображения потенциально очень эффективны при обнаружении опасных веществ, их использование было относительно ограниченным отчасти потому, что многие из таких устройств формирования изображения требуют перемещающихся частей, которые ограничивают их использование в тяжелых условиях окружающей среды, см. M.J.Wabomba и др., Applied Spectroscopy, v.61, No.4, 2007. Кроме того, длины волн, обычно подходящие для химических фингерпринтов опасных составов, например запрещенных наркотиков, токсичных промышленных химических веществ, взрывчатых веществ и т.д., находятся как правило в длинноволновом ИК (LWIR) или тепловом ИК-диапазоне, обычно определяемом как диапазон, охватывающий длины волн от 7 до 14 мкм. Работа в диапазоне LWIR имеет существенные недостатки, поскольку фоновый объект сохраняет энергию от источников абсолютно черного тела, например солнца, и высвобождает ее посредством излучения на длинах волн, соответствующих диапазону LWIR. Напротив, в коротковолновом ИК (SWIR) диапазоне, то есть в диапазоне длин волн от 1,5 до 3 мкм, и средневолновом ИК (MWIR) диапазоне, то есть диапазоне 3-5 мкм, сцена имеет тенденцию отражать приходящее излучение. Следовательно, поскольку возвращаемая плотность оптической мощности более важна в SWIR и MWIR, чем в LWIR, то улучшение отношения сигнал-шум относительно фонового шума многие гиперспектральные системы формирования изображения/сенсоров относительно хорошо реализуют в диапазонах SWIR и MWIR, но не в диапазоне LWIR.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предоставляется гиперспектральный сенсор или формирователь изображения, содержащий лазер для подсветки объекта и детектор для детектирования света, испускаемого лазером и прошедшего через объект, причем лазер представляет собой лазер с линейной модуляцией частоты, настроенный на выпуск множественных импульсов, имеющих различные диапазоны длин волн, причем множественные импульсы объединяются для формирования непрерывного спектра для подсветки объекта.
Непрерывный спектр может быть узким полосчатым спектром, например, через пару волновых чисел, например через 2 см-1 (или 60 ГГц в частотном выражении), в диапазоне длин волн обследования (узкополосный режим). В этом случае, лазер может быть одномодовым лазером с линейной модуляцией частоты. Посредством использования линейной частотной модуляции волны одномодового лазера, чтобы обеспечить сканирование по длинам волн для активного отображения объекта, предоставляется очень простая и эффективная сканирующая система формирования изображения, которая не требует никаких движущихся частей. По сравнению с обычными устройствами, показанными на Фиг.1, это обеспечивает повышенную надежность и работоспособность, тем самым, увеличивая долговечность системы.
Непрерывный спектр может быть широкополосным спектром, например, приблизительно в сто волновых чисел, например 100 см-1 (или 3000 ГГц в частотном выражении) на длинах волн обследования (широкополосный режим). В этом случае, лазер может быть многомодовым лазером с продольными модами. При использовании линейной частотной модуляции волн многомодового лазера с продольными модами, чтобы обеспечить сканирование по длинам волн для активного отображения объекта, предоставляется очень простой и эффективный способ, чтобы испустить широкополосную эмиссию когерентного излучения с непрерывным рядом длин волн или почти непрерывным рядом длин волн, по спектральному диапазону, определяемому полным спектром усиления лазера. Множественные продольные моды лазера могут быть спектрально разделенными на 60-240 ГГц (то есть от двух до восьми волновых чисел), чтобы гарантировать эмиссию непрерывного ряда длин волн по всему спектру усиления лазера.
При связи с настраиваемым спектральным фильтром сенсор широкополосного спектра или формирователь изображения может быть использован для формирования сканирующей системы формирования изображения, которая не требует никаких движущихся частей. Перестраиваемый спектральный фильтр может быть твердотельным перестраиваемым спектральным фильтром, например жидкокристаллическим Фабри-Перо фильтром или акустооптическим перестраиваемым фильтром. Предпочтительно, фильтр помещается между лазером и детектором. Дополнительно или альтернативно, перестраиваемый фильтр на основе микроэлектромеханической системы может быть непосредственно интегрирован в матрицу детектора.
Альтернативно или дополнительно, средство для инициирования излучения в одномодовом режиме многомодового лазера с продольными модами может быть связано с лазером так, чтобы достигался диапазон настройки единственной моды, охватывающий полный спектр усиления лазера, для формирования сканирующей системы формирования изображения, которая не требует никаких перемещающихся частей.
Средство для инициирования излучения многомодового лазера с продольными модами в одномодовом режиме может содержать спектральный элемент на основе микроэлектромеханической системы, например, используя принципиальную обратную связь внешнего резонатора (ECF). Микроэлектромеханический элемент может быть непосредственно интегрирован в лазер.
Лазер может быть квантовым каскадным лазером. Каждый импульс, подаваемый на лазер, может иметь длительность, большую чем 50 нс, в частности большую чем 100 нс. Каждый подаваемый импульс может иметь длительность, которая находится в интервале от 50 до 3000 нс, предпочтительно от 100 до 3000 нс. Это может обеспечить диапазон перестройки приблизительно от 60 до 240 ГГц на импульс.
Другие лазерные выходные импульсы могут быть созданы изменением одного или нескольких следующих параметров импульса, подаваемого на лазер: длительность импульса; амплитуда импульса; частота следования импульсов.
Сенсор/формирователь изображения может включать в себя один или несколько поляризационных фильтров. Фильтры могут быть выбраны так, чтобы подавить фоновый LWIR сигнал, испускаемый объектом. Позволяя излучению только определенной поляризации попадать на матрицу детектора, например поляризованным компонентам излучения, испускаемого лазерным источником, фоновый LWIR сигнал, испускаемый объектом, может быть эффективно подавлен так, чтобы все, что наблюдается, было бы изменениями, имеющимися в активном отраженном сигнале вследствие газового облака, расположенного между сенсором и фоновым объектом.
Дополнительно или альтернативно, детектор может быть поляризационно-чувствительным, например детектор может быть инфракрасным фотодетектором с квантовой ямой. Предпочтительно, детектор работает так, чтобы детектировать только поляризованный свет, произведенный лазером с линейной модуляцией частоты, который представляет собой линейно поляризованный источник излучения. Это улучшает отношение сигнал-шум отраженного оптического сигнала относительно фонового шума, который обычно не поляризован.
Детектор может быть двумерным детектором в фокальной плоскости. Детектор может быть QWIP. Детектор может быть одним из: детектор на теллуриде кадмия-ртути (MCT); детектор на основе селенидов; детектор типа II на сверхрешетке.
Краткое описание чертежей
Различные объекты изобретения рассматриваются только в качестве примера и в связи с сопровождающими чертежами, среди которых:
Фиг.2 изображает блок-схему гиперспектрального сенсора;
Фиг.3 - более детальный вид сенсора на Фиг.2;
Фиг.4 - влияние длительности импульса на линейную модуляцию длины волны для одномодового лазера или для одномодового режима многомодового лазера с продольными модами;
Фиг.5 - влияние амплитуды импульса на линейную модуляцию длины волны для одномодового лазера или для одномодового режима многомодового лазера с продольными модами;
Фиг.6 - влияние частоты на линейную модуляцию длины волны для одномодового лазера или для одномодового режима многомодового лазера с продольными модами;
Фиг.7 - ряд измерительных точек, полученных с использованием одномодового лазера или одной моды от многомодового лазера с продольными модами, для которых длительность импульса и/или амплитуда варьируются, и
Фиг.8 - ряд измерительных точек, полученных с использованием одномодового лазера или одной моды от многомодового лазера с продольными модами, для которых варьируется частота следования импульсов.
Подробное описание чертежей
На Фиг.2 показана система 10 для сбора как спектральной, так и пространственной информации от наблюдаемого объекта при использовании гиперспектрального устройства формирования изображения с лазером с линейной частотной модуляцией. Она включает в себя квантовый каскадный лазер 12 для подсветки объекта, детектор 14 для детектирования лазерного света, отраженного от объекта, и линзу 16 для фокусировки отраженного света на детектор 14. В идеальном случае, детектор 14 представляет собой инфракрасный фотодетектор с квантовой ямой. В эксплуатации, сканирование по длине волны, предоставляемое каждым выходным сигналом от лазера с линейной частотной модуляцией, может быть использовано, чтобы определить наличие или отсутствие газа. Эта система не имеет никаких движущихся частей, надежная в эксплуатации и может иметь малый вес. Кроме того, она предоставляет улучшенные характеристики по чувствительности и динамическому диапазону.
На Фиг.3 показано более детальное выполнение формирователя изображения 10 из Фиг.2. Он имеет квантовый каскадный зондирующий лазер 300 и квантовый каскадный опорный лазер 400 для подсветки исследуемого объекта. Для детектирования света, отраженного исследуемым объектом, предоставляется двухмерная 2D детекторная матрица 101. Управляющие и обрабатывающие электронные устройства (не показаны) предоставляются для управления работой сенсора/формирователя изображения. Детектор является QWIP, включая структуру решетки, которая выбирает свет в соответствии с его поляриметрическими свойствами. При необходимости, в детектор 101 вводится перестраиваемый спектральный фильтр 102 на основе MEMS, который действует как ограничивающий длину волны полосовой фильтр. Он используется, когда зондирующий лазер 300 является многомодовым и должна быть выбрана одна единственная мода. Перед детектором 101, но не непосредственно введенный в него, имеется перестраиваемый спектральный фильтр, например жидкокристаллический Фабри-Перо фильтр или акустооптический перестраиваемый фильтр.
Между зондирующим и опорным лазерами и детектором имеется телескопическое устройство 200 для посылки лазерного света на исследуемый объект; приема возвращенных зондирующих и опорных лучей и направление их на фильтр 102, 700 и детектор 100. Телескопическое устройство 200 может быть любой подходящей конструкции. Конкретное устройство, показанное на Фиг.3, представляет собой известный в данной области техники тип "Cassegrain". Телескопическое устройство обычно содержит, как показано, отражательные элементы 201, 202, 203, но может также использовать и пропускающие элементы или другие оптические устройства. Телескопические устройства хорошо известны в данной области техники и поэтому не описываются здесь подробно.
Зондирующий лазер 300 выпускает световые импульсы с линейной частотной модуляцией в пределах длин волн, по меньшей мере, одна из которых поглощается или рассеивается назад целевым газом 600. Опорный лазер 400 работает на длине волны, не поглощаемой или не рассеиваемой целевым газом 600. Каждый импульс, подаваемый на оба, зондирующий и опорный лазеры, может иметь длительность больше 50 нс, в частности больше 100 нс. Каждый подаваемый импульс может иметь длительность, которая находится в пределах от 50 до 3000 нс, предпочтительно от 100 до 3000 нс. Это может обеспечить диапазон перестройки приблизительно 60-240 ГГц на импульс.
И зондирующий, и опорный лазерные лучи 311 и 411 направляются телескопическим устройством 200 для подсветки фонового объекта, объекта и/или цели. Возвратившийся свет, отраженный или рассеянный фоновым объектом, объектом и/или целью, направляется телескопическим устройством 200 на фильтр 102 и детектор 100. Детектор 100 имеет намного меньшее время отклика, чем длительность отдельного импульса с линейной частотной модуляцией (Tpulse=1 мкс, например), принятого от зонда 301 через целевой объект. Поэтому детектор используется как интегратор, измеряя амплитуду импульса оптической мощности посредством объединения оптического сигнала, падающего на область детектора, по меньшей мере, в течение времени Tint sig, большего, чем минимальное время интегрирования (Tint det), заданное для детектора. В случае QWIP, например, Tint det обычно составляет от 5 до 20 мс, тогда как выходные импульсы квантовых каскадных лазеров имеют продолжительности в пределах от 50 до 3000 нс, предпочтительно от 100 до 3000 нс.
Зондовый и опорный лазеры 300 и 400 могут быть одномодовыми лазерами. Альтернативно, они могут быть многомодовыми лазерами с множественными продольными модами, но включать в себя средство для того, чтобы инициировать излучение лазера в одномодовом режиме, например спектральный элемент на основе MEMS, использующий принцип обратной связи внешнего резонатора (ECF), непосредственно интегрированного в лазер. В любом случае, зондирующий лазер выводит последовательность импульсов с линейной частотной модуляцией, каждый из которых обеспечивает сканирование по длине волны на лазерную моду(ы), и управляется так, чтобы отдельные периоды сканирования по длине волны в импульсах объединялись, чтобы обеспечить расширенный спектр для сканирования исследуемого объекта.
Имеются различные методики для варьирования диапазонов длины волны в импульсе с линейной модуляцией, тем самым, для обеспечения расширенных пределов сканирования. Как отмечено выше, зондирующий лазер 300 представляет собой квантовый каскадный лазер, который имеет импульсный, линейно-частотно-модулированный выход. Увеличением или уменьшением длительности каждого импульсного входного сигнала на лазере относительная линейная модуляция по длинам волн увеличивается или уменьшается, соответственно, как показано на Фиг.4. Это описано более подробно в международной публикации WO 03/087787, содержание которой включено здесь посредством ссылки. Модулированием длительности входного импульса и комбинированием образующихся выходных импульсов обеспечивается расширенный спектр. Если оптическая мощность интегрируется и измеряется, по меньшей мере, для одной последовательности с идентичными параметрами продолжительности импульса тогда, то можно получить результат измерения с определенной шириной линейной модуляции по длине волны в спектральной области. Затем, изменяя длительность для следующих последовательностей, линейно, непрерывно или кодированным образом, можно получить измерение с другой заданной шириной линейной модуляции по длине волны. Управляя шириной, можно получить изменения в сканировании по длине волны так, чтобы осуществить абсорбционные спектроскопические измерения.
Другой вариант для сканирования по длине волны заключается в увеличении или уменьшении амплитуды лазерного входного импульса, как описано в публикации WO03/087787. Это приводит к тому, что относительная линейная модуляция (сканирование) по длине волны полупроводникового диодного лазера увеличится или уменьшится, соответственно, как показано на Фиг.5. Если оптическая мощность проинтегрирована и измерена, по меньшей мере, для одной последовательности с идентичными параметрами амплитуды импульса тока, то может быть получен замер с определенной шириной линейной частотной модуляции длины волны в спектральной области. Затем, изменяя амплитуду для следующих последовательностей, линейно, непрерывно или кодированным образом, можно получить замер с другой заданной шириной линейной модуляции по длине волны. Управляя изменениями амплитуды импульса тока, можно получить сканирование по длине волны так, чтобы абсорбционные спектроскопические измерения могли быть выполнены в расширенных пределах.
Еще одна возможность для сканирования по длине волны заключается в том, чтобы увеличивать или уменьшать частоту следования входных импульсов, как описано в публикации WO 03/087787. В этом случае, стартовая длина волны относительной линейной модуляции (сканирования) по длине волны будет больше или меньше, соответственно, в зависимости от частоты, как показано на Фиг.6. Если оптическая мощность объединяется и измеряется, по меньшей мере, для одной последовательности с идентичной амплитудой импульса тока, то параметры частоты и продолжительности также приведут к получению замера с определенной шириной линейной модуляции по длине волны в спектральной области. Затем, изменением частоты для следующих последовательностей, линейным, непрерывным или кодированным образом, можно получить замер с другой определенной шириной линейной модуляции по длине волны, поскольку исходная температура лазера, стабилизированная элементом Пелтье в масштабе нескольких секунд, будет изменяться намного быстрее контролируемым образом. Управляя исходной температурой лазера, можно затем получить управляемые изменения в начале сканирования по длине волны и осуществить, таким образом, абсорбционные спектроскопические измерения.
На Фиг.7 показан ряд измерительных точек, когда каждая точка отображает интегрированное измерение оптической мощности, по меньшей мере, для одной последовательности импульсов тока, имеющих те же самые параметры, то есть амплитуду, длительность, частоту следования, когда длительность последовательности, по меньшей мере, равна Tint sig. Последующие точки отображают возрастающее линейное изменение амплитуды импульса тока и/или ширины. Если абсорбционный признак молекулы в газовой фазе находится в пределах линейной модуляции длины волны (сканирования) конкретной последовательности, наблюдается изменение фонового сигнала, то есть когда газ отсутствует. С этим способом спектры могут быть разрешены по времени. Этот способ вызывает небольшой сдвиг исходной длины волны сканирования или линейной частотной модуляции, что может быть учтено.
На Фиг.8 показаны измерительные точки, каждая из которых отображает измерение интегрированной оптической мощности, по меньшей мере, для одной последовательности с идентичными параметрами импульса тока, и когда последующая точка относительно предыдущей отображает возрастающее линейное изменение частоты импульса тока. Если абсорбционный признак молекулы в газовой фазе присутствует в пределах линейной модуляции длины волны (сканирования) конкретной последовательности, наблюдается изменение фонового сигнала.
Изобретение предоставляет возможность измерения с очень высокими скоростями. Например, при узкополосной или одномодовой работе, когда поглощение газом наблюдается на определенной длине волны, пользователь может зафиксировать лазерные настройки, и при работе в режиме фиксированной длины волны такая система может работать со скоростью больше чем 100 кадров в секунду. Это позволяет измерять переходные эффекты с временными разрешениями порядка 10 мс.
В режиме широкополосного сканирования по длинам волн, в котором широкополосное излучение покрывает спектр лазерного усиления и перестраиваемый спектральный фильтр, или система ECF действует для выбора длины волны, т.е. выбора узкого спектрального окна, возможно выполнить расширенное сканирование, например при 100 узких спектральных окнах в секунду, тем самым, позволяя системе работать со скоростью больше чем один массив данных в секунду. Практически, это означает, что система может быть помещена на перемещающуюся платформу и при этом обеспечивать улучшенные характеристики по сравнению с системами для фиксированного объекта.
Настоящее изобретение имеет многочисленные применения. Например, оно может использоваться при обнаружении запрещенных веществ органами наркоконтроля; мониторинга непрерывной эмиссии дымовых/выхлопных труб; обнаружении утечки при производстве и при обеспечении производства; экологического мониторинга авиационных выбросов; при горных и нефтяных разработках и усиленном отдаленном контроле за человеческой деятельностью.
Специалисту в данной области техники будет очевидно, что возможны вариации раскрытых устройств без отступления от существа изобретения. Например, вышеупомянутые способы не являются единственным средством изменения спектральных характеристик полупроводникового диодного лазера. Возможно использование их комбинации линейным или непрерывным образом, так же, как могут быть и другие способы модуляции, например импульсная кодовая модуляция (PCM) и т.д. Соответственно, вышеупомянутое описание конкретного варианта реализации приведено только в качестве примера, а не с целью ограничения. Специалисту в данной области техники будет ясно, что незначительные модификации могут быть сделаны без существенных изменений в описанной разработке.

Claims (26)

1. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения, содержащий лазер для подсветки объекта, и двумерный детектор для детектирования света, испускаемого лазером и прошедшего через объект, причем лазер является лазером с линейной частотной модуляцией, приспособленным для вывода множественных импульсов с линейной частотной модуляцией, имеющих различные диапазоны длин волн, указанные множественные импульсы с линейной частотной модуляцией объединяются для формирования расширенного непрерывного спектра для подсветки объекта.
2. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем множественные импульсы, объединенные для формирования расширенного непрерывного спектра для подсветки объекта, имеют длины волн в диапазонах от 1 мкм до 20 мкм, предпочтительно от 7 мкм до 14 мкм.
3. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1 или 2, содержащий поляризационно-чувствительный фильтр, выполненный с возможностью пропускания света от лазера, но, по существу, блокирования фонового излучения.
4. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем детектор является поляризационно-чувствительным и выполнен с возможностью пропускания света от лазера, но, по существу, блокирования фонового излучения.
5. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем двумерный детектор представлен в фокальной плоскости.
6. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем детектор является QWIP детектором.
7. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем детектор является одним из: МСТ детектор; детектор на основе селенидов; детектор на сверхрешетке типа II.
8. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем детектор работает для детектирования только поляризованного света, сформированного лазером с линейной модуляцией частоты.
9. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем лазер представляет собой полупроводниковый лазер.
10. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем лазер представляет собой квантовый каскадный лазер.
11. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.9 или 10, содержащий средство для подачи на лазер импульсов, которые имеют длительность больше 50 нс, в частности больше 100 нс.
12. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.11, причем каждый поданный импульс имеет длительность в пределах от 50 до 3000 нс, предпочтительно от 100 до 3000 нс.
13. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем различные лазерные выходные импульсы создаются варьированием одного или нескольких следующих параметров импульса, подаваемого на лазер: длительность импульса; амплитуда импульса; частота следования импульсов.
14. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, содержащий твердотельный перестраиваемый спектральный фильтр.
15. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.12, причем фильтр представляет собой жидкокристаллический Фабри-Перо (LCFP) фильтр или акустооптический перестраиваемый фильтр (AOTF).
16. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.14 или 15, причем фильтр помещается между лазером и детектором.
17. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, содержащий перестраиваемый фильтр, непосредственно интегрированный в матрицу детектора.
18. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.17, причем перестраиваемый фильтр представляет собой микроэлектромеханическую систему (MEMS).
19. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем лазер представляет собой одномодовый лазер.
20. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.1, причем лазер представляет собой многомодовый лазер с продольными модами.
21. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.20, содержащий перестраиваемый спектральный фильтр для сканирования посредством множественных мод.
22. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.21, причем спектральный фильтр представляет собой твердотельный перестраиваемый спектральный фильтр, например, жидкокристаллический Фабри-Перо фильтр, или акустооптический перестраиваемый фильтр.
23. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.20, содержащий средство для того, чтобы заставить многомодовый лазер с продольными модами работать в одномодовом режиме.
24. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.23, причем средство для того, чтобы заставить многомодовый лазер с продольными модами работать в одномодовом режиме, содержит спектральный элемент на основе микроэлектромеханической системы (MEMS).
25. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.24, причем элемент MEMS использует обратную связь внешнего резонатора (ECF).
26. Гиперспектральный сенсор или формирователь изображения по п.24 или 25, причем элемент MEMS непосредственно интегрирован в лазер.
RU2010115021/28A 2007-09-14 2008-09-01 Поляриметрический гиперспектральный формирователь изображения RU2484432C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB0717967.4 2007-09-14
GBGB0717967.4A GB0717967D0 (en) 2007-09-14 2007-09-14 Polarimetric hyperspectral imager
PCT/GB2008/002956 WO2009034296A1 (en) 2007-09-14 2008-09-01 Polarimetric hyperspectral imager

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010115021A RU2010115021A (ru) 2011-10-20
RU2484432C2 true RU2484432C2 (ru) 2013-06-10

Family

ID=38658974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010115021/28A RU2484432C2 (ru) 2007-09-14 2008-09-01 Поляриметрический гиперспектральный формирователь изображения

Country Status (10)

Country Link
US (1) US8411267B2 (ru)
EP (1) EP2195623A1 (ru)
JP (1) JP5376676B2 (ru)
KR (1) KR101503888B1 (ru)
CN (1) CN101855527B (ru)
AU (1) AU2008299691B2 (ru)
CA (1) CA2702660C (ru)
GB (1) GB0717967D0 (ru)
RU (1) RU2484432C2 (ru)
WO (1) WO2009034296A1 (ru)

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130038906A (ko) * 2010-06-28 2013-04-18 그린 비전 시스템즈 엘티디. 하이퍼스펙트럴 촬영분석을 통해 일정 지역내 오염된 실외공기입자를 실시간 모니터링, 파라메트릭 프로파일링 및 규제하는 방법과 시스템
US20120062883A1 (en) * 2010-09-14 2012-03-15 Sanford A. Asher Crystalline colloidal array deep uv narrow band radiation filter
JP2014529735A (ja) * 2011-09-20 2014-11-13 ハリバートンエナジー サヴィシーズ インコーポレイテッド 禁止物質又は危険物質を検出するためのシステム及び道具。
JP2015501432A (ja) 2011-11-04 2015-01-15 アイメックＩｍｅｃ 各画素についてモザイク状フィルタを備えたスペクトルカメラ
US20130112879A1 (en) * 2011-11-09 2013-05-09 B.E. Meyers & Co., Inc. Laser Viewing System
RU2616653C2 (ru) * 2012-06-05 2017-04-18 Хайпермед Имэджинг, Инк. Способы и устройство для соосного формирования изображения с множеством длин волн
TWI525308B (zh) 2012-11-16 2016-03-11 台灣超微光學股份有限公司 光譜儀、其組裝方法及組裝系統
CN103162828B (zh) * 2013-02-26 2015-10-21 浙江大学 基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪
US9001311B2 (en) * 2013-03-15 2015-04-07 Digitalglobe, Inc. Using parallax in remote sensing to determine cloud feature height
US9655519B2 (en) 2014-03-21 2017-05-23 Hypermed Imaging, Inc. Systems and methods for performing an imaging test under constrained conditions
EP3120122B1 (en) 2014-03-21 2019-11-13 HyperMed Imaging, Inc. Compact light sensor
US10469771B2 (en) 2014-10-29 2019-11-05 Palo Alto Research Center Incorporated Liquid crystal fourier transform imaging spectrometer
US11490037B2 (en) 2014-10-29 2022-11-01 Palo Alto Research Center Incorporated Liquid crystal fourier transform imaging spectrometer
US10760967B2 (en) 2014-10-29 2020-09-01 Palo Alto Research Center Incorporated Liquid crystal fourier transform imaging spectrometer
JP6524794B2 (ja) * 2015-05-21 2019-06-05 日本電気株式会社 物体同定装置、物体同定システム、物体同定方法および物体同定プログラム
US9500580B1 (en) 2015-06-04 2016-11-22 General Electric Company Gas detector and method of detection
JP6586683B2 (ja) * 2015-11-02 2019-10-09 エバ・ジャパン 株式会社 情報処理装置、情報処理方法、及びプログラム
CN105510275B (zh) * 2015-12-01 2018-06-15 山东省科学院激光研究所 便携式多气体遥测装置
CN105806480B (zh) * 2016-05-10 2018-10-12 中国工程物理研究院流体物理研究所 一种基于自适应微透镜阵列传感器的数字变焦光谱成像仪
US10798310B2 (en) 2016-05-17 2020-10-06 Hypermed Imaging, Inc. Hyperspectral imager coupled with indicator molecule tracking
US11624703B2 (en) 2017-08-02 2023-04-11 Vox Biomedical Llc Virus sensing in exhaled breath by infrared spectroscopy
WO2019027723A1 (en) * 2017-08-02 2019-02-07 N2 Biomedical Llc DETECTION OF CANNABIS AND OPIOIDS IN INFRARED SPECTROSCOPY-EXPRESSED BREATH
US20190101489A1 (en) * 2017-09-29 2019-04-04 Michael John Darwin Method and Apparatus for Simultaneously Measuring 3Dimensional Structures and Spectral Content of Said Structures
US10564504B2 (en) 2017-11-30 2020-02-18 Palo Alto Research Center Incorporated Liquid-crystal variable retarder using liquid crystal cells of differing thicknesses
US10663346B2 (en) 2017-12-29 2020-05-26 Palo Alto Research Center Incorporated Method and apparatus for transforming uniformly or non-uniformly sampled interferograms to produce spectral data
US10983338B2 (en) 2017-12-29 2021-04-20 Palo Alto Research Center Incorporated Exit-pupil expander used distribute light over a liquid-crystal variable retarder
US10379043B2 (en) 2017-12-29 2019-08-13 Palo Alto Research Center Incorporated Measuring path delay through a liquid-crystal variable retarder at non-uniform retardance intervals
US10175116B1 (en) 2017-12-29 2019-01-08 Palo Alto Research Center Incorporated Color filter used with liquid-crystal polarization interferometer
WO2020074000A1 (zh) * 2018-10-12 2020-04-16 上海禾赛光电科技有限公司 激光器阵元、阵列和基于阵列实现接收光强自稳定的装置
SG11202113317QA (en) * 2019-06-07 2021-12-30 Basf Coatings Gmbh Method and device for detecting a fluid by a computer vision application
US11143588B1 (en) 2020-03-31 2021-10-12 Msa Technology, Llc Open path gas detector with synchronous flash detection

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003087787A1 (en) * 2002-04-09 2003-10-23 Cascade Technologies Ltd Semiconductor diode laser spectrometer arrangement and method
WO2005115737A2 (en) * 2004-03-22 2005-12-08 Quantaspec Inc. System and method for detecting and identifying an analyte
RU2288461C2 (ru) * 2000-10-30 2006-11-27 Монсанто Технолоджи Ллс Способы и устройства для анализа образцов сельскохозяйственной продукции

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5095487A (en) * 1990-12-14 1992-03-10 The University Of Rochester System for generating pluralities of optical pulses with predetermined frequencies in a temporally and spatially overlapped relationship
JPH08136455A (ja) 1994-11-02 1996-05-31 Kobe Steel Ltd レーザレーダによる大気の汚染監視方法とその監視装置
JP3598666B2 (ja) * 1996-07-31 2004-12-08 石川島播磨重工業株式会社 レーザレーダ装置
JP3556402B2 (ja) * 1996-08-09 2004-08-18 株式会社東芝 微量元素量および同位体比測定方法とその装置
JP2000205956A (ja) * 1999-01-18 2000-07-28 Nikon Corp 赤外線分光分析装置および撮像装置
JP2002539446A (ja) * 1999-03-17 2002-11-19 ユニバーシティー オブ ヴァージニア パテント ファウンデーション 化学物質の受動的遠隔センサー
CN1097724C (zh) * 1999-04-28 2003-01-01 中国科学院长春光学精密机械研究所 光栅与棱镜组合式超光谱图像测量方法
US6163378A (en) * 1999-06-14 2000-12-19 Khoury; Jehad Spectroscopic time integrative correlation for rapid medical diagnostic and universal image analysis
US6898367B2 (en) * 2000-06-17 2005-05-24 Leica Microsystems Heidelberg Gmbh Method and instrument for microscopy
US6549687B1 (en) * 2001-10-26 2003-04-15 Lake Shore Cryotronics, Inc. System and method for measuring physical, chemical and biological stimuli using vertical cavity surface emitting lasers with integrated tuner
US7119339B2 (en) * 2002-11-13 2006-10-10 Rensselaer Polytechnic Institute Transmission mode terahertz computed tomography
US6949734B2 (en) * 2003-04-22 2005-09-27 Itt Manufacturing Enterprises, Inc. Active remote sensing using a spectral lock-in technique
JP4166712B2 (ja) * 2004-01-29 2008-10-15 株式会社デンソー ファブリペローフィルタ
JP2006093141A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 Fei Co 電子源及びその電子源を有する荷電粒子装置
JP4502787B2 (ja) 2004-11-19 2010-07-14 Ｎｅｃ東芝スペースシステム株式会社 光学スペクトルセンサ
WO2006088822A2 (en) * 2005-02-14 2006-08-24 Digital Signal Corporation Laser radar system and system and method for providing chirped electromagnetic radiation
JP4947988B2 (ja) * 2006-02-08 2012-06-06 学校法人東海大学 ガス検出装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2288461C2 (ru) * 2000-10-30 2006-11-27 Монсанто Технолоджи Ллс Способы и устройства для анализа образцов сельскохозяйственной продукции
WO2003087787A1 (en) * 2002-04-09 2003-10-23 Cascade Technologies Ltd Semiconductor diode laser spectrometer arrangement and method
WO2005115737A2 (en) * 2004-03-22 2005-12-08 Quantaspec Inc. System and method for detecting and identifying an analyte

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010115021A (ru) 2011-10-20
AU2008299691B2 (en) 2013-08-29
CA2702660A1 (en) 2009-03-19
CN101855527B (zh) 2013-08-14
EP2195623A1 (en) 2010-06-16
WO2009034296A1 (en) 2009-03-19
JP2010539464A (ja) 2010-12-16
JP5376676B2 (ja) 2013-12-25
CN101855527A (zh) 2010-10-06
CA2702660C (en) 2015-10-27
KR101503888B1 (ko) 2015-03-18
KR20100103786A (ko) 2010-09-28
US8411267B2 (en) 2013-04-02
US20110170098A1 (en) 2011-07-14
GB0717967D0 (en) 2007-10-24
AU2008299691A1 (en) 2009-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2484432C2 (ru) Поляриметрический гиперспектральный формирователь изображения
US5257085A (en) Spectrally dispersive imaging lidar system
CN105408764B (zh) 同轴直接检测lidar系统
US11768295B2 (en) High spectral resolution Scheimpflug LIDAR
EP1970684B1 (en) Imaging systems and methods
US7570349B2 (en) Cars/absorption dual mode electro-optic sensor
CN111272681A (zh) 分光装置
JP2002539446A (ja) 化学物質の受動的遠隔センサー
Kendziora et al. Advances in standoff detection of trace explosives by infrared photo-thermal imaging
WO2018213212A1 (en) Standoff trace chemical detection with active infrared spectroscopy
US11041754B2 (en) Standoff trace chemical detection with active infrared spectroscopy
JP2008008842A (ja) 電磁波測定装置
US20200225111A1 (en) Remote sensing of natural gas leaks
SE541185C2 (en) High Spectral Resolution Scheimpflug Lidar
Lambert-Girard et al. Broadband spectroscopic lidar for SWIR/MWIR detection of gaseous pollutants in air
Stokes et al. Development of a QCL based IR polarimetric system for the stand-off detection and location of IEDs
Gypson et al. Polarization imaging using active illumination and lock-in like algorithms
Thomas OTIM—passive remote gas detector gas cloud‐imaging industrial development programme
Adam Optoelectronic Sensor of NO 2 Detection using Cavity Ring Down Spectroscopy and 414 nm GaN Diode Laser

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20131015