寬譜段二維色散高速成像光譜儀的制作方法
【專利摘要】一種寬譜段二維色散高速成像光譜儀包含一個望遠(yuǎn)鏡、一個色散系統(tǒng)、一個成像鏡頭、一個面陣探測器、和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；色散系統(tǒng)包括三個棱鏡(即第一棱鏡、第二棱鏡和第三棱鏡)；第一棱鏡主要對近紅外波段沿豎直方向進(jìn)行色散；第二棱鏡主要對中波紅外波段沿水平方向進(jìn)行色散；第三棱鏡對近紅外至中波紅外波段沿與豎直方向夾角為ω的方向進(jìn)行色散；第三棱鏡主要用于控制第一棱鏡和第二棱鏡所引起的光束偏轉(zhuǎn)以及畸變放大率。這種二維色散成像光譜儀結(jié)構(gòu)采用無源凝視模式，可獲得二維色散圖、被測目標(biāo)的光譜-時間特征，可得到目標(biāo)的空間位置和光譜成分。這種成像光譜儀可對多個目標(biāo)進(jìn)行實時探測與定位，具有寬光譜范圍、高定位精度、高時間分辨率、無運動部件、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點，適用于對光譜特征和空間位置快速變化的目標(biāo)進(jìn)行實時探測、定位與識別。
【專利說明】寬譜段二維色散高速成像光譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種成像光譜儀，具體涉及一種應(yīng)用于對光譜特征和空間位置快速變化的目標(biāo)進(jìn)行實時探測、定位與識別的寬譜段二維色散高速成像光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]空間探測是現(xiàn)代空間信息獲取的重要途徑，空間成像技術(shù)是目前空間信息獲取和保障的主要技術(shù)手段，而光譜成像技術(shù)則是空間成像技術(shù)中的前沿技術(shù)。
[0003]傳統(tǒng)的光譜成像技術(shù)均是利用掃描技術(shù)獲取二維空間信息和一維光譜信息的數(shù)據(jù)立方體:要么把光譜成分分散在一個二維的面上并通過按時間掃描構(gòu)成圖像(例如色散成像光譜儀和空間調(diào)制成像光譜儀)，要么獲取全幀圖像并按時間掃遍光譜成分(例如傅里葉變換成像光譜儀，法布里-珀羅、聲光可調(diào)濾光片成像光譜儀)。
[0004]傳統(tǒng)的光譜成像技術(shù)適用于空間位置不發(fā)生變化的靜態(tài)目標(biāo)的探測，可以很好地探測空間位置已知的目標(biāo)，但當(dāng)一個目標(biāo)的空間位置與發(fā)生時間均未知時，必須在整個視場范圍內(nèi)進(jìn)行快速掃描以獲取目標(biāo)特征，則任何一個給定像素的積分時間受到限制、探測器噪聲將湮沒信號，從而使儀器的信噪比大大降低。另一方面，當(dāng)目標(biāo)光譜特征隨時間快速變化時，由于傳統(tǒng)的光譜成像技術(shù)是利用掃描技術(shù)獲取空間信息和光譜信息，則傳統(tǒng)的光譜成像技術(shù)無法對光譜特征快速變化的目標(biāo)進(jìn)行實時探測與識別。
[0005]總之，傳統(tǒng)的光譜成像技術(shù)不適用于對空間位置和光譜特征快速變化的目標(biāo)(如爆炸、快速燃燒等)進(jìn)行實時探測、定位與識別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種寬譜段二維色散高速成像光譜儀，其解決了【背景技術(shù)】中對光譜特征和空間位置快速變化目標(biāo)進(jìn)行實時探測、定位與識別的技術(shù)問題。寬譜段二維色散高速成像光譜儀是一種采用新原理的光譜成像技術(shù)，它采用無源凝視模式，可獲得二維色散圖、對目標(biāo)進(jìn)行實時定位，并記錄下被測目標(biāo)的光譜-時間特征，從而將目標(biāo)識別并分類。寬譜段二維色散高速成像光譜儀可對多個目標(biāo)進(jìn)行實時探測與定位，并具有寬光譜范圍、高定位精度、高時間分辨率、無運動部件、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0008]一種寬譜段二維色散高速成像光譜儀，包括設(shè)置在入射光束光路上的一個望遠(yuǎn)鏡；還包括設(shè)置在上述望遠(yuǎn)鏡出射光束光路上的一個色散系統(tǒng)；還包括設(shè)置在上述色散系統(tǒng)出射光束光路上的一個成像鏡頭；還包括面陣探測器、以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0009]其特征在于:
[0010]所述的色散系統(tǒng)包括三個棱鏡；所述的第一棱鏡為一個主要對近紅外波段沿豎直方向進(jìn)行色散的棱鏡；所述的第一棱鏡對中波紅外波段色散較??；所述的第二棱鏡為一個主要對中波紅外波段沿水平方向進(jìn)行色散的棱鏡；所述的第二棱鏡對近紅外波段色散較??；所述的第三棱鏡為一個對近紅外至中波紅外波段沿與豎直方向夾角為ω的方向進(jìn)行色散的棱鏡；所述的第三棱鏡主要用于控制第一棱鏡和第二棱鏡所引起的光束偏轉(zhuǎn)以及畸變放大率。
[0011]上述的寬譜段二維色散高速成像光譜儀可為:所述的第一棱鏡的材料為硫化鋅(ZnS)或硒化鋅(ZnSe);所述的第二棱鏡的材料為藍(lán)寶石(Al2O3);所述的第三棱鏡的材料為氟化鈣(CaF2);所述的面陣探測器為InSb探測器。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0013]1.可同時對多個目標(biāo)進(jìn)行實時探測、定位，只需一幀數(shù)據(jù)即可確定多個目標(biāo)的位置。
[0014]2.寬光譜范圍(1.0-5.5 μ m)。
[0015]3.高定位精度，可獲得亞像素定位精度。
[0016]4.高時間分辨率，因該二維色散成像光譜儀采用無源凝視模式。
[0017]5.無運動部件。
[0018]6.結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕。
[0019]7.不進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的成像，不依賴于被測目標(biāo)的空間特性，其孔徑尺寸不受空間分辨率要求的限制，可使儀器體積小，同時可提高儀器的信噪比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0021]圖2為硒化鋅(ZnSe)、藍(lán)寶石(Al2O3)、氟化鈣(CaF2)在近紅外至中波紅外波段的色散曲線。
[0022]圖3為該寬譜段二維色散高速成像光譜儀可獲得的二維色散圖。
[0023]圖4為二維色散圖與非色散成像位置(NDIL)之間的關(guān)系圖。
[0024]圖5為同時探測兩個目標(biāo)時，一幀數(shù)據(jù)中兩個目標(biāo)的二維色散圖。
[0025]圖6為同時探測三個目標(biāo)時，一幀數(shù)據(jù)中三個目標(biāo)的二維色散圖。
【具體實施方式】
[0026]寬譜段二維色散高速成像光譜儀包含一個望遠(yuǎn)鏡、一個色散系統(tǒng)、一個成像鏡頭、一個面陣探測器、和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；色散系統(tǒng)包括三個棱鏡(即第一棱鏡、第二棱鏡和第三棱鏡，如圖1所示)；第一棱鏡主要對近紅外波段沿豎直方向進(jìn)行色散；第二棱鏡主要對中波紅外波段沿水平方向進(jìn)行色散；第三棱鏡對近紅外至中波紅外波段沿與豎直方向夾角為ω的方向進(jìn)行色散；第三棱鏡主要用于控制第一棱鏡和第二棱鏡所引起的光束偏轉(zhuǎn)以及畸變放大率。
[0027]實施方式1:第一棱鏡的材料為硒化鋅(ZnSe);第二棱鏡的材料為藍(lán)寶石(Al2O3)；第三棱鏡的材料為氟化鈣(CaF2);面陣探測器為InSb探測器。
[0028]實施方式2:第一棱鏡的材料為硫化鋅(ZnS);第二棱鏡的材料為藍(lán)寶石(Al2O3)；第三棱鏡的材料為氟化鈣(CaF2);面陣探測器為InSb探測器。
[0029]對于上述任何一種實施方式，被測目標(biāo)發(fā)出的輻射光譜經(jīng)望遠(yuǎn)鏡收集并轉(zhuǎn)化為平行光束，該平行光束經(jīng)色散系統(tǒng)色散后、由成像鏡頭成像在面陣探測器上，這些色散波長成像位置形成一個二維色散圖，參見圖3，同時記錄下各個波長在探測器上所成像點的強度值，可得到被測目標(biāo)的光譜-時間特征；爾后由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，可得到目標(biāo)的空間位置和光譜成分，從而達(dá)到對目標(biāo)進(jìn)行實時探測、定位與識別。
[0030]當(dāng)被測目標(biāo)發(fā)出的輻射光譜經(jīng)過色散系統(tǒng)時，第一棱鏡主要對近紅外波段沿豎直方向進(jìn)行色散、對中波紅外波段色散較??；第二棱鏡主要對中波紅外波段沿水平方向進(jìn)行色散、對近紅外波段色散較??；第三棱鏡對近紅外至中波紅外波段進(jìn)行色散、其色散方向與豎直方向夾角為ω ;第三棱鏡主要用于控制第一棱鏡和第二棱鏡所引起的光束偏轉(zhuǎn)以及畸變放大率。
[0031]假設(shè)α為第一棱鏡的頂角，β為第二棱鏡的頂角，Y為第三棱鏡的頂角！Ii1Oi)為第一棱鏡對波長λ i的折射率，n2 ( λ j)為第二棱鏡對波長λ j的折射率，η3(λ j)為第三棱鏡對波長λ J的折射率；f為成像鏡頭的焦距；Φ為望遠(yuǎn)鏡出射光束與光軸在子午面內(nèi)的夾角，P為望遠(yuǎn)鏡出射光束與光軸在弧矢面內(nèi)的夾角。
[0032]在面陣探測器上，色散波長成像位置的y軸坐標(biāo)為
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種寬譜段二維色散高速成像光譜儀，包括設(shè)置在入射光束光路上的一個望遠(yuǎn)鏡；還包括設(shè)置在上述望遠(yuǎn)鏡出射光束光路上的一個色散系統(tǒng)；還包括設(shè)置在上述色散系統(tǒng)出射光束光路上的一個成像鏡頭；還包括面陣探測器、以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； 其特征在于: 所述的色散系統(tǒng)包括三個棱鏡(即第一棱鏡、第二棱鏡和第三棱鏡)；所述的第一棱鏡為一個主要對近紅外波段沿豎直方向進(jìn)行色散的棱鏡；所述的第一棱鏡對中波紅外波段色散較?。凰龅牡诙忡R為一個主要對中波紅外波段沿水平方向進(jìn)行色散的棱鏡；所述的第二棱鏡對近紅外波段色散較??；所述的第三棱鏡為一個對近紅外至中波紅外波段沿與豎直方向夾角為ω的方向進(jìn)行色散的棱鏡；所述的第三棱鏡主要用于控制第一棱鏡和第二棱鏡所引起的光束偏轉(zhuǎn)以及畸變放大率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬譜段二維色散高速成像光譜儀，其特征在于:所述的第一棱鏡的材料為硫化鋅(ZnS)或硒化鋅(ZnSe);所述的第二棱鏡的材料為藍(lán)寶石(Al2O3);所述的第三棱鏡的材料為氟化鈣(CaF2);所述的面陣探測器為InSb探測器。
【文檔編號】G01J3/28GK103792005SQ201410081561
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月6日
【發(fā)明者】楊慶華 申請人:西安電子科技大學(xué)