一种成像光谱仪光谱自动定标装置及方法

摘要

本发明公开了一种成像光谱仪光谱自动定标装置及方法，可自动调节光源强度，可设置起始波长，终止波长以及扫描步长，并具有自校正功能，具有自动获取被测系统的红外波段光谱曲线的功能。包括：定标光源，光栅式光谱仪，控制电路，数据采集电子学系统以及计算机控制及绘图软件。

权利要求

1.一种成像光谱仪光谱自动定标装置，它包括定标光源、光栅式光谱仪、控制电路、数据采集电子学系统、计算机控制及绘图软件，其特征在于：所述的定标光源采用高精度稳流控制电源供电的光源，控制电路可根据被测探测器接收到的能量自动连续调节光源亮度，其光源可根据被测系统的波段范围选择卤钨灯、汞灯或硅碳棒；

所述的光栅式光谱仪由一个出射狭缝、自校正机构、被测系统对应的特定波长的光栅、步进电机及准直光学系统组成，其中光栅的规格可根据被测系统的响应波段来选择，步进电机带动光栅转动，使栅式光谱仪输出所需的单色光，在所述的出射狭缝处有一个用于测量系统背景杂散光的可控的反射镜(6)；

所述的控制电路用来完成步进电机驱动控制、光源亮度控制以及自校正机构控制功能；

所述的数据采集电子学系统采用通用的USB采集卡采集被测系统探测器的输出的光谱数据；

所述的计算机控制及绘图软件用于配置控制电路参数，并且显示经过处理后的被测系统光谱曲线；

装置定标时，首先设置好各项参数，打开定标光源，驱动步进电机使光栅转动到预定的位置，自校正机构控制反射镜(6)弹片遮挡于出射狭缝前方，读取此时探测器输出，得到背景杂散光文件F1供以后对测量值修正使用；几秒后自校正机构转开反射镜，使出射光通过出射狭缝入射到被测系统，步进电机驱动光栅从起始波长位置扫描到终止波长位置；计算机得到第一个波段的光谱曲线，提取响应最高点的对应的数值，若该值未接近饱和则调节光源的亮度，步进电机重新从起始波长扫描到终止波长，重复这个过程直到得到的光谱曲线响应最高点的值接近饱和，记录下这个光谱曲线，然后开始第二个波段光谱曲线采集，直到得到所有波段的光谱曲线，将所得到的所有波段的光谱曲线减去文件F1中的相应波段的背景杂散光，即得到每个波段的光谱响应曲线。

说明书

一种成像光谱仪光谱自动定标装置及方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及光电仪器技术，具体指一种光、机、电一体化的热红外成像光谱仪光谱自动定标装置及方法。背景技术：

[0002] 高光谱遥感的出现是遥感界的一场革命，它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质，在高光谱遥感中能被探测。由于高光谱成像光谱系统获得的连续波段宽度一般在10nm以内，因此这种数据能以足够的光谱分辨率区分出那些具有诊断性光谱特性的地表物质。高光谱成像光谱系统的定标对于定量遥感和高光谱遥感应用具有十分重要的意义。遥感数据的可靠性及应用的深度和广度在很大程度上取决于定标精度。因为只有经过了定标的高光谱遥感数据才能从辐射图像中提取真实的地物物理参量。光谱定标的目的是确定成像光谱仪每个波段的中心波长和带宽。光谱分辨率定义为仪器达到光谱响应最大值的50％时的波长宽度。成像光谱遥感仪器由于光谱分辨率高，对光谱定标的要求比较高。但由于高光谱成像系统波段比较多，手动对每个波段进行定标，工作量较大，而且时间较长，系统参数在这个过程中可能已经发生变化。
发明内容：

[0003] 本发明的目的是提供一种成像光谱仪光谱自动定标装置，简化光谱系统定标工作。用户只需简单地设置几个参数即可由系统自动完成光谱定标，定标时间短，使用简单。装置中还具有自校正功能，光谱定标精度高。

[0004] 本发明在北京光学仪器厂生产的WDG30-2型微机扫描单色仪的基础上进行改进。该单色仪主要由定标光源，单色仪光学结构以及单色仪控制器三部分组成。定标光源可根据被测系统的波段范围选择卤钨灯，汞灯或硅碳棒。光源用一般的稳压电源供电。单色仪光学结构主要由光栅，聚光镜，反射镜以及用于光路准直的两个球面镜组成。其中光栅的规格可根据被测系统的响应波段来选择。单色仪控制器用来控制光栅单色仪中步进电机，使之带动光栅转动，将单色仪输出所需的单色光。用户设置好起始波长和终止波长后，光栅可自动完成从起始波长到终止波长的一次扫描。在定标过程中发现此设备定标工作比较繁重。
每次设置好起始波长和终止波长后只能完成该波段的一次扫描过程。由于光谱分辨率定义为仪器达到光谱响应最大值的50％时的波长宽度，因此在对某个波段定标时，还要根据采集到的该波段光谱响应最大值是否接近饱和来调整光源的强度，然后反复重新定标，直到得到的光谱响应曲线响应最大值接近饱和为止。本发明改进了该单色仪中的控制器部分，增加了扫描步长，被测系统波段数，每个波段中心波长四个参数，并且改用可控高精度稳流电源给光源供电。用户设置好参数后，控制器可根据采集到的光谱曲线响应最大值自动调整光源强度，重新开始该波段的扫描，直到采集到该波段正确的光谱曲线。然后按同样方式继续下一个波段的定标，直到完成所有波段的定标工作。在定标过程中还发现红外波段定标时，背景杂散光对定标结果影响比较明显，因此在本发明出射狭缝处加了一个可控的反射镜，在每次定标之前都先采集一份背景数据，以便在后期处理中去除该背景的影响。

[0005] 本发明的具体技术方案如下：

[0006] 本发明的一种成像光谱仪光谱自动定标装置，包括定标光源，光栅式光谱仪，控制电路，数据采集电子学系统以及计算机控制及绘图软件。定标光源采用可控的高精度稳流电源供电，光源亮度软件可控。光栅式光谱仪由一个出射狭缝，自校正机构，被测系统对应的特定波长的光栅，步进电机及准直光学系统组成。控制电路完成步进电机驱动控制，光源亮度控制以及自校正机构控制功能。数据采集电子学系统采用通用的USB采集卡采集被测系统探测器的输出的光谱数据，。计算机控制及绘图软件用于配置控制电路参数，并且显示经过处理后的被测系统光谱曲线。

[0007] 工作原理：定标时，首先设置好各项参数，打开定标光源，驱动步进电机使光栅转动到预定的位置。自校正机构控制反射镜弹片遮挡于出射狭缝前方，读取此时探测器输出，得到背景杂散光文件F1供以后对测量值修正用。几秒后自校正机构转开反射镜，使出射光通过出射狭缝入射到被测系统。步进电机驱动光栅从起始波长位置扫描到终止波长位置。计算机得到第一个波段的光谱曲线，提取响应最高点对应的数值，若该值未接近饱和则调节光源的亮度，步进电机重新从起始波长扫描到终止波长，重复这个过程直到得到的光谱曲线响应最高点的值接近饱和，记录下这个光谱曲线。然后开始第二个波段光谱曲线采集，直到得到所有波段的光谱曲线。将所得到的所有波段的光谱曲线减去文件F1中的相应波段的背景杂散光，即得到每个波段的光谱响应曲线。如流程图1所示。

[0008] 本发明的优点是：能够对成像光谱仪进行自动光谱定标，用户只需设置好参数，整个定标过程自动完成并且只需几分钟的时间。同时包含有自校正功能，可去除定标过程中背景杂光的影响，使定标结果更加精确。附图说明：

[0009] 图1.光谱定标流程图。

[0010] 图2为本发明的装置图，图中：1.光栅式光谱仪；2.球面镜一；3.球面镜二；4.光栅；5.入射狭缝；6.反射镜；7.出射狭缝；8.折反镜。具体实施方式：

[0011] 下面根据图2给出本发明一个较好实施例，以便进一步给出本发明的技术细节，使能更好地说明本发明的结构特征和功能特点，但不是用来限定本发明的范围。

[0012] 控制电路采用DSP来实现，扩展出三个串口，分别与计算机，高精度稳流电源，步进电机通信。同时引出一根控制线与反射镜驱动相连，控制反射镜位置。

[0013] 被测系统光谱范围为7.7um-9.5um，共有30个光谱通道，每个通道的中心波长如表1所示。被测系统光学窗口对准光栅式光谱仪出射狭缝。

[0014] 表1

[0015]通道号 中心波长(um) 通道号 中心波长(um)
1 7.7 2 7.762
3 7.824 4 7.886
5 7.948 6 8.01
7 8.072 8 8.134
9 8.196 10 8.258
11 8.32 12 8.382
13 8.444 14 8.506
15 8.568 16 8.63
17 8.692 18 8.754
19 8.816 20 8.878
21 8.94 22 9.002
23 9.064 24 9.126
25 9.188 26 9.25
27 9.312 28 9.374
29 9.436 30 9.498

[0016] 按以上参数设置起始波长，终止波长，扫描步长以及每个波段中心波长的参数，存储在DSP内部存储器中，并开始定标。

[0017] DSP控制步进电机按扫描步长从起始波长扫描到终止波长，扫描完成一次就自动更新一次软件中显示的光谱曲线。调节光源亮度，当每个波段光谱曲线的响应最高值接近于饱和值时，将光谱曲线存储下来，并开始下一个波段的光谱定标。

[0018] 红外光源采用硅碳棒作为红外光源。其尺寸为：d＝4mm，h＝25mm，其特点是在工作温度1500K左右，发射本领在2～15um内平均值约为0.8。采用DH1716-4D型高精度稳流电源(电流稳定精度±10mA)使通过硅碳棒的电流稳定。在光源外部配备了光源罩，以防止由于空气流动造成光源表面温度的起伏，提高测量精度。

[0019] 步进电机工作指标：

[0020] 工作电压：直流+12V；

[0021] 单相工作电流：240mA；

[0022] 扫描区间范围(最多可设定5个区间)：190.0nm-950nm(1200线/mm)；

[0023] 扫描速度：共分10档，由0-9表示(0速最快)；

[0024] 每个区间的扫描次数：1-9次；

[0025] 波段范围内大循环次数：1-9次；

[0026] 大循环之间的间隔时间：1-99秒；

[0027] 波数打点间隔：0.5-999.9(nm)。