專利名稱：一種干涉成像光譜技術及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種干涉成像光譜技術及按該技術設計的干涉成像光譜儀。
成像光譜技術是本世紀80年代以后出現(xiàn)的一項融合光學、光譜學、精密機械、電子技術以及計算機技術于一體的高新科技，它能夠獲得被測目標的空間維和光譜維的豐富信息，因此在航空航天遙感、科學實驗、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、海洋、安全等等許多方面具有極其重要的應用價值，被譽為光學儀器發(fā)展史中的一次大飛躍。國際上每年有多次專題學術會議討論該項技術的應用情況與最新發(fā)展。
成像光譜技術目前主要有三種類型，即色散型、干涉型和層析型。其中色散型已處于應用階段，它的特點是簡單、穩(wěn)定，缺點是能量利用率很低，因此限制了此類儀器的進一步發(fā)展；干涉型方興未艾，處于研究新原理、設計新儀器與初步應用階段，它具有高能量通量、多光譜通道和高光譜分辨率等優(yōu)點，但同時又存在穩(wěn)定性與能量通量的矛盾(即通量高的儀器具有差的穩(wěn)定性，而提高穩(wěn)定性又會降低能量通量)；層析型嶄露頭角，它具有空間與光譜維多通道優(yōu)點以及變分辨率優(yōu)點，使之受到學者的重視，但對大面陣探測器的過分依賴，又限制了它的實用性。因此，目前國內(nèi)外對干涉成像光譜技術的研究異?；钴S。
已出現(xiàn)的干涉成像光譜技術主要有兩種，一種是基于邁克爾遜干涉儀的時間調(diào)制式(動態(tài))；另一種是基于橫向剪切干涉儀的空間調(diào)制式(靜態(tài))。以他們?yōu)榛A出現(xiàn)了許多種干涉成像光譜儀，美國、日本、歐洲多國都相繼研制成功了用于航空航天遙感的干涉成像光譜儀，人們也緊跟國際前沿，研制成功了動態(tài)和靜態(tài)干涉成像光譜儀實驗裝置。但是，他們各自都存在嚴重的缺陷時間調(diào)制式通量高、信噪比高、光譜分辨率高，但光機穩(wěn)定性差，不適于野外、航天等惡劣環(huán)境；空間調(diào)制式穩(wěn)定性高、實時性好、結構簡單，在特定條件下具有高通量優(yōu)點，但更多時候與色散型成像光譜儀能量通量相似，因此，儀器的靈敏度和空間分辨率受到很大的限制。
本發(fā)明的目的在于提出一種同時具有高能量通量、多光譜通道、高信噪比、高穩(wěn)定性、結構簡單的新型干涉成像光譜原理，即集時間調(diào)制式與空間調(diào)制式主要優(yōu)點于一體的新型干涉成像光譜技術及其光譜儀。
本發(fā)明的技術方法是a、將輻射沿垂直于光軸方向，同向剪切為相距d的兩束相干光，他們的強度相同或相似；b、收集光學系統(tǒng)將剪切后的目標輻射收集到位于其后焦面的探測器上，輻射于此處發(fā)生干涉，干涉條紋方向與剪切方向垂直，干涉光程差與剪切量，探測器有效尺寸成正比，與收集光學系統(tǒng)的焦距成反比；c、將探測器輸出的干涉圖信號進行數(shù)字化后送入處理器中，最后得到目標的超光譜圖像。
如目標發(fā)出的為非平行輻射光，則在剪切前應進行收集和準直，使目標的輻射轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸晥鼋堑钠叫泄狻＜羟蟹止夥椒刹捎肧agnac型分光法或偏振雙折射法。為了保證光譜數(shù)據(jù)的精度，用相對輻射度定標方法，即用輻射輸出的變化率代表光譜特性的變化率，對光譜特性進行修正，同時還需對剪切后的光程差進行定標和修正。根據(jù)上述方法設計的干涉成像光譜儀，是按光及電的傳遞順序，光譜儀由橫向剪切干涉儀、收集光學系統(tǒng)、探測器、信號獲取與處理系統(tǒng)組合而成。橫向剪切干涉儀前還可設有前置光學系統(tǒng)。橫向剪切干涉儀前還設有副光路組成的定標系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括均勻面輻射源、定標鏡和切換反射鏡。均勻面源采用積分球與朗伯漫反射板結合，采用定標燈直接照射朗伯板，定標鏡為一成像透鏡，它與橫向剪切干涉儀及收集系統(tǒng)中的光學系統(tǒng)組合，將均勻面源成像在探測器上，切換反射鏡是將定標副光路切入或撤出主光路的器件。儀器在推掃方式下工作，對探測器輸出的干涉圖信號進行處理，以及定標修正，可由計算機及其相應軟件完成。
附圖及實施例。


圖1為光譜儀的一種實施結構；圖2為光譜儀的另一種實施結構。
參看圖1，前置光學系統(tǒng)1具有將目標發(fā)出的輻射進行收集和準直作用(如望遠系統(tǒng)、照相系統(tǒng)等，可采用折射、反射等各種形式)。將目標的輻射轉(zhuǎn)變?yōu)橛胁煌晥鼋堑钠叫泄馐瞧渲饕康?，也可以用于雜光防治與輻射定標。在遙感等遠距離探測應用時，進入儀器的目標輻射已經(jīng)近似于平行光，前置光學系統(tǒng)1可省略。
橫向剪切干涉儀2將準直后的目標輻射沿垂直于光軸方向、同向剪切為相距d的兩束相干光，他們的強度相同或相似，在收集光學系統(tǒng)3的后焦面處發(fā)生干涉。橫向剪切干涉儀2可以采用Sagnac實體形式，d、e分別為兩個三棱柱膠合構成的實體，膠合面f為分光面，分光面鍍有半反半透的分光膜(金屬膜或介質(zhì)膜均可，根據(jù)具體設計要求選擇)。橫向剪切干涉儀2應具有高通量干涉條件。
收集光學系統(tǒng)3將剪切后的目標輻射收集到位于其像面的探測器4上，輻射于此處發(fā)生干涉，干涉條紋方向與剪切干涉儀的剪切方向垂直，干涉光程差與剪切量、探測器有效尺寸成正比，與收集光學系統(tǒng)3焦距成反比。光程差越大，光譜分辨率越高。
探測器4是干涉信號的接收器，儀器在推掃方式(push-broom，一種典型的工作方式)工作時，線陣探測器可以獲得目標的一維空間和一維光譜信息；面陣探測器能夠獲得目標的兩維空間和一維光譜信息。
設計人還編制了專用于大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀的信號獲取與處理系統(tǒng)5主要是獲得探測器輸出的干涉圖信號，并將其數(shù)字化，送入處理器(如計算機)中進行處理，最終得到目標的超光譜圖像，這一過程的主要功能包括干涉圖裸數(shù)據(jù)壓縮、傳輸、解壓縮、誤差修正、光譜復原、光譜響應度定標修正、輻射度定標修正等。
定標系統(tǒng)的主要功能是對整個儀器系統(tǒng)的光譜響應和輻射度響應進行標定，有光譜響應度定標、輻射度定標以及相對定標和絕對定標之分。這些概念的定義是標準和通用的，也是研制成像光譜儀時所必須的。
在大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀工作過程中，為了根據(jù)該儀器探測器的輸出，能準確得到被探測目標的光譜特性和輻射特性，就必須對該儀器進行定量化校準，即定標。
由于該儀器與目前其它類型的成像光譜儀原理不同，因此，采用的定標方法和定標設備也有所不同。
首先，在該儀器使用前，我們在實驗室采用精密測量與計算機計算相結合的方法，對該儀器進行實驗室絕對光譜定標，得到絕對光譜響應曲線，在計算機光譜復原軟件中使用該曲線就可根據(jù)儀器探測器的輸出得到被探測目標的光譜輻射特性。
但是，儀器在使用過程中，由于下列原因，其性能會發(fā)生變化1由于污染，儀器的透過率降低；2由于溫度變化，電子元器件老化等原因，電子線路增益變化；3由于振動等原因，使干涉儀光程差變化，造成譜線變化。
這些原因的結果使儀器的光譜特性發(fā)生變化，這就要求對上述實驗室光譜特性曲線進行修正。
為此，我們在該儀器中設置了內(nèi)定標系統(tǒng)，其作用是監(jiān)視儀器性能有無變化，若有變化，給出修正系數(shù)，以修正實驗室給出的絕對光譜特性曲線。
該內(nèi)定標系統(tǒng)由三部分組成1均勻面輻射源，該面輻射源能產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的光輻射，其均勻性和穩(wěn)定性應小于1％，該面源的大小應能充滿干涉成像光譜儀的視場。因此，我們設計的是一種全視場內(nèi)定標系統(tǒng)，我們采用的面源方案是積分球與朗伯漫反射板結合的方案，并加光纖反饋系統(tǒng)以監(jiān)視光源輻射功率的變化，保持輻射輸出的穩(wěn)定。采用定標燈直接照射朗伯板等方法亦可實現(xiàn)上述面源要求，其區(qū)別在于外形尺寸大小、電功率大小、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面有所差異。
2定標鏡是一成像透鏡，它與干涉儀內(nèi)光學系統(tǒng)組合，可將上述均勻面源成像在儀器的探測器上。改變定標鏡的焦距，可以調(diào)整對上述面源尺寸大小的要求。
3切換反射鏡定標反射鏡切入主光路可實現(xiàn)定標，定標結束時切換反射鏡從主光路中移出，使儀器工作時不存在攔光問題。
該定標系統(tǒng)工作時，均勻面輻射源經(jīng)定標鏡成像，在經(jīng)切換反射鏡切入主光路，由成像光譜儀內(nèi)光學系統(tǒng)成像在探測器上，通過使用計算機軟件進行計算，實現(xiàn)下述兩種定標1光程差定標其目的是檢查最大干涉光強位置是否有變化，并進行修正，與此同時，檢查儀器的實際橫向剪切量是否變化，并進行修正。光程差定標是本儀器原理決定必須要做的，這一點與其它成像光譜儀有所不同。
2相對輻射度定標其它類型成像光譜儀通常采用相對輻射度定標來修正儀器輻射輸出的變化，對于大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀來說，核心問題是如何修正儀器光譜特性曲線的變化，以保證儀器光譜數(shù)據(jù)的精度。我們采用內(nèi)定標系統(tǒng)進行相對輻射度定標，用輻射輸出的變化率代表儀器光譜特性的變化率，并對儀器的光譜特性曲線進行修正。為保證修正精度，我們采取了一些技術措施，如儀器光路中加入了防輻射玻璃，電子線路和探測器外加屏蔽保護，以及控制儀器的工作溫度范圍等。
基于此原理可以派生出多種新型成像光譜儀或光譜儀，包括成像富里葉變換光譜儀(IFTS)、富里葉變換光譜儀(FTS)，簡化其中的某些部分也可以產(chǎn)生許多簡化型光譜儀或成像光譜儀，如取消飛行定標系統(tǒng)可以作為地面用儀器、取消前置光學系統(tǒng)可減小體積、探測器采用線陣增加掃描鏡，在揮掃方式(whisk，又一種典型的工作方式)下也可以研制出成像或非成像光譜儀。本發(fā)明提出的是一類具有“高能量通量、多光譜通道、高信噪比、高穩(wěn)定性(工作時無運動部件)、結構簡單”性質(zhì)的干涉成像光譜儀新原理，突出特征應該是“高通量”與“靜態(tài)”條件的同時滿足，而非某種具體的形式。適用于紫外、可見光或紅外等譜段。光學系統(tǒng)全部采用透射式(當然可以采用反射式或透反混合式等)。
前置光學系統(tǒng)將目標發(fā)出的輻射由a鏡組成像在它的后焦面處，b鏡組的前焦面與a鏡組的后焦面重合，使得b鏡組能夠?qū)鏡組所成的像準直，變?yōu)槠叫泄狻Ｔ赼鏡組的后焦面處放置視場光欄c，它限制a鏡組像面(整個系統(tǒng)的一次像面)的形狀，也有防治雜散光的作用。
一個滿足高通量干涉條件的橫向剪切分束器放置在前置光學系統(tǒng)后的平行光路中，其作用是將平行光沿垂直于光軸方向、同向(而非鏡向)剪切為兩相干光束，他們的強度相同或相似時，干涉效率最高。其后是收集光學系統(tǒng)。
事實上，前置光學系統(tǒng)和橫向剪切干涉系統(tǒng)的作用是將被探測目標的輻射準直并分割成一對相干光束。其干涉定域在無窮遠處，收集光學系統(tǒng)將無窮遠處的干涉圖收集到它的后焦面，在其后焦面處放置一個面陣探測器便可采集到這些干涉條紋。在大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀中獲得的干涉圖像非常特殊，它可成為“像面干涉圖”，既包含了目標的圖像信息，又包含了干涉信息。但干涉圖不是完整的，需要通過儀器沿光束剪切方向的推掃來獲得完整干涉圖。在探測器上，光程差與沿推掃方向的視場角成正比，即零視場角時干涉光程差為零，隨著這一方向視場角的增加，干涉光程差也增加。因此將不同視場獲得的像面干涉圖中的同一目標點的輻射取出，就可構成該點的完整干涉圖，其它點依此類推。
信號獲取處理系統(tǒng)將得到的像面干涉圖采集下來，并隨著儀器的推掃，整理出目標上每一點的完整干涉條紋。在得到完整干涉條紋之后，再經(jīng)帶通濾波、位相修正、切趾變跡、光譜復原、光譜響應度修正、輻射度修正、單譜段圖像合成以及復色圖像合成等程序，完成超光譜圖像的獲取。
附圖2是基于本發(fā)明原理的另一種實施例。其中1是外遮光罩，防治雜散光；3是橫向剪切干涉儀；4是收集光學系統(tǒng)，采用的是折反射式光學系統(tǒng)；5是內(nèi)遮光罩，進一步防治雜散光；6是探測器；7是飛行定標系統(tǒng)，其中e為均勻發(fā)光面源，d為定標鏡，2為切換反射鏡，其作用切換定標或主光路進入光學系統(tǒng)。本例適合于遠距離探測，如航空航天遙感等，但省略了前置光學系統(tǒng)。
權利要求
1.一種集時間調(diào)制式與空間調(diào)制式主要優(yōu)點于一體的干涉成像光譜技術，其特征是a、將輻射沿垂直于光軸方向，同向剪切為相距d的兩束相干光，他們的強度相同或相似；b、收集光學系統(tǒng)將剪切后的目標輻射收集到位于其后焦面的探測器上，輻射于此處發(fā)生干涉，干涉條紋方向與剪切方向垂直，干涉光程差與剪切量，探測器有效尺寸成正比，與收集光學系統(tǒng)的焦距成反比；c、將探測器輸出的干涉圖信號進行數(shù)字化后送入處理器中，最后得到目標的超光譜圖像。
2.根據(jù)權利要求1所述的干涉成像光譜技術，其特征是如目標發(fā)出的為非平行輻射光，則在剪切前應進行收集和準直，使目標的輻射轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸晥鼋堑钠叫泄狻?br> 3.根據(jù)權利要求1或2所述的干涉成像光譜技術，其特征是剪切分光方法采用Sagnac型分光法或偏振雙折射法。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的干涉成像光譜技術，其特征是為了保證光譜數(shù)據(jù)的精度，用相對輻射度定標方法，即用輻射輸出的變化率代表光譜特性的變化率，對光譜特性進行修正，同時還需對剪切后的光程差進行定標和修正。
5.根據(jù)權利要求3所述的干涉成像光譜技術，其特征是為了保證光譜數(shù)據(jù)的精度，用相對輻射度定標方法，即用輻射輸出的變化率代表光譜特性的變化率，對光譜特性進行修正，同時還需對剪切后的光程差進行定標和修正。
6.一種干涉成像光譜儀，其特征是按光及電的傳遞順序，光譜儀由橫向剪切干涉儀、收集光學系統(tǒng)、探測器、信號獲取與處理系統(tǒng)組合而成。
7.根據(jù)權利要求6所述的干涉成像光譜儀，其特征是在橫向剪切干涉儀前還設有前置光學系統(tǒng)。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的干涉成像光譜儀，其特征是在橫向剪切干涉儀前還設有副光路組成的定標系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括均勻面輻射源、定標鏡和切換反射鏡。
9.根據(jù)權利要求8所述的干涉成像光譜儀，其特征是均勻面源采用積分球與朗伯漫反射板結合，采用定標燈直接照射朗伯板，定標鏡為一成像透鏡，它與橫向剪切干涉儀及收集系統(tǒng)中的光學系統(tǒng)組合，將均勻面源成像在探測器上，切換反射鏡是將定標副光路切入或撤出主光路的器件。
10.根據(jù)權利要求9所述的干涉成像光譜儀，其特征是儀器在推掃方式下工作，對探測器輸出的干涉圖信號進行處理，以及定標修正，可由計算機及其相應軟件完成。
全文摘要
本發(fā)明提出一種同時具有高能量通量、多光譜通道、高信噪比、高穩(wěn)定性、結構簡單,集時間調(diào)制式與空間調(diào)制式主要優(yōu)點于一體的新型干涉成像光譜技術及其光譜儀。其特點是將輻射沿垂直于光軸方向,同向剪切為相距d的兩束相干光,由收集光學系統(tǒng)將剪切后的目標輻射收集到位于其后焦面的探測器上,輻射于此處發(fā)生干涉,將探測器輸出的干涉圖信號進行數(shù)字化后送入處理器中,最后得到目標的超光譜圖像。
文檔編號G01J3/12GK1256407SQ9911595
公開日2000年6月14日 申請日期1999年12月28日 優(yōu)先權日1999年12月28日
發(fā)明者相里斌, 趙葆常, 楊建峰, 原新晶, 高立民, 王忠厚, 袁艷, 王煒 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所