一种集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪

摘要

本发明涉及一种集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪，包括依次设置于同一光路上的前置镜、视场光阑、准直镜、声光可调谐滤光器和转折镜，经转折镜转折后在一级衍射光的光路上设置有偏振超光谱成像系统，经转折镜转折后在零级衍射光的光路上设置有全色光成像系统。本发明提供了一种通过光学拼接装置将O光图像和E光图像拼接在同一个探测器的感光面上、通过光路转折使系统结构紧凑、通过光楔补偿装置和图像配准算法进行图像漂移补偿、基于任意波形发生器方案实现多频AOTF驱动、能同时获取全色图像信息和窄带正交偏振图像信息的可编程偏振超光谱和全色联合成像仪。

权利要求

1.一种集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪包括前置镜、视场光阑、准直镜、声光可调谐滤光器、转折镜、偏振超光谱成像系统以及全色成像系统；所述前置镜、视场光阑、准直镜、声光可调谐滤光器和转折镜依次设置于同一光路上，所述经转折镜转折后在一级衍射光的光路上设置有偏振超光谱成像系统以及经转折镜转折后在零级衍射光的光路上设置有全色成像系统；

所述偏振超光谱成像系统包括偏振超光谱探测器、偏振超光谱探测器控制处理系统以及经转折镜转折后在O光光路上的O光成像系统和在E光光路上的E光成像系统；所述O光成像系统与E光成像系统拼接后依次和偏振超光谱探测器以及偏振超光谱探测器控制处理系统相连；所述全色成像系统包括全色成像镜、全色探测器以及全色探测器控制处理系统；所述全色成像镜和全色探测器依次设置在经转折镜转折后在零级衍射光的光路上；

所述全色探测器和全色探测器控制处理系统电性连接；

所述O光成像系统包括O光转折镜和O光成像镜；所述O光转折镜和O光成像镜依次设置于转折镜和偏振超光谱探测器之间；所述E光成像系统包括E光转折镜和E光成像镜；

所述E光转折镜和E光成像镜依次设置于转折镜和偏振超光谱探测器之间；

所述O光成像系统还包括O光光楔；所述O光光楔置于O光转折镜和O光成像镜之间的准直光路中；所述E光成像系统还包括E光光楔；所述E光光楔置于E光转折镜和E光成像镜之间的准直光路中。

2.根据权利要求1所述的集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述O光光楔是单光楔或多个单光楔的组合。

3.根据权利要求2所述的集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述E光光楔是单光楔或多个单光楔的组合。

4.根据权利要求1或2或3所述的集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述成像仪还包括和声光可调谐滤光器电性连接的声光可调谐滤光器驱动器，所述声光可调谐滤光器驱动器是基于FPGA与DAC的结合结构或CPLD与DAC的结合结构的任意波形发生器。

5.根据权利要求4所述的集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述偏振超光谱探测器和全色探测器是紫外探测器、可见光探测器或红外探测器。

说明书

一种集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光谱成像仪，尤其涉及一种集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪。

背景技术

[0002] 利用光谱图像信息可以获得目标的物质组成、含量等化学特征及其空间分布信息，因而成像光谱技术在国民经济社会的各个领域具有广泛的应用前景。

[0003] 首先，成像光谱仪可以作为空间飞行器的有效载荷，利用其获取的光谱信息可以应用于以下领域：土地资源调查(矿产勘探、城市规划、城郊土地分类利用、土地沙化治理和土壤侵蚀监测等)、林业(林业资源调查和伐林造林监测等)、生态(环境监测、陆地生态研究和区域生态环境评价等)、农业(大面积农业资源监测、农作物产量预测、农作物长势分析预测、病虫害监测等)、深空探测(月球、火星等星体的矿物勘探、太阳系行星大气探测等)等领域。其次，光谱分析技术还广泛应用于食品饮料、石油化工、纺织、临床医学等各个行业。

[0004] 偏振图像信息提供了关于目标的粗糙度、含水量、空隙度、微粒粒径等物理特征及其空间分布信息。偏振遥感与传统遥感相比，有许多独特之处，它可以解决普通光度学无法解决的一些问题，如云和气溶胶的粒径分布等。来自地物的散射光往往为线偏振光，如林冠覆盖、耕地、草场的散射光具有20％以上的偏振度，泥滩和水面的反射光具有50％以上的偏振度，不同地物具有不同的偏振特征，而人造目标往往具有比自然目标更强的偏振特征，利用这些偏振信息可以反演出地物目标的物理结构、水份含量、岩石中的金属含量等，监测海水污染状况，探测地面上空云分布、种类、高度及大气气溶胶粒子的尺寸分布等。无疑，与成像光谱技术和成像偏振技术相比，偏振超光谱成像技术可以获取更详尽、更全面的目标信息。

[0005] 成像光谱技术依分光原理可分为干涉型(空间调制型、时间调制型)、色散型(光栅型和棱镜型)和滤光型(旋转滤光片、液晶可调谐滤光器(Liquid CrystalTunable Filter，LCTF)、声光可调谐滤光器(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)等)三种，每种均有其优缺点及其适用范围，其中基于声光可调谐滤光器(AcoustoOptic Tunable Filter，AOTF)的成像光谱技术具有光谱通道和光谱透过率可快速电调谐所提供的灵活性(光谱通道顺序或随机调谐、多通道同时获取、智能自主光谱通道选择和获取、实现矩形光谱响应曲线等)、无运动部件带来的结构紧凑性(适应恶劣的力学环境)、无需复杂数据处理带来的易用性以及能同时获取偏振、光谱和图像等多维信息(提高目标探测和识别的能力)的集成性等诸多特色，而具有广泛的应用前景。

[0006] 由于自然光经AOTF衍射后产生偏振态正交的窄带O光和E光，同时采集窄带O光和E光图像即可构成最简单和紧凑的偏振超光谱成像系统(Li-JenCheng，Tien-Hsin Chao，Mack Dowdy，Clayton LaBaw，Cohn Mahoney，GeorgeReyes，“Multispectral imaging systems using acousto-optic tunable filter”，Proc.SPIE Vol.1874，pp.223-231，1993.)。但已有技术方案有以下缺陷：(1)需要两个探测器去分别获取O光图像和E光图像，无疑使系统结构复杂，成本增加；(2)没有补偿AOTF调谐时引起的图像飘移，从而导致复原光谱因谱段混叠而信噪比恶化；(3)AOTF驱动装置采用DDS芯片，只能工作在单频模式，无法获得多频模式下多谱段复合图像；(4)没有利用零级衍射光信息；(5)没有光路转折而导致系统结构尺寸较长。

发明内容

[0007] 为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种通过光学拼接装置将O光图像和E光图像拼接在同一个探测器的感光面上、通过光路转折使系统结构紧凑、通过光楔补偿装置和图像配准算法进行图像漂移补偿、基于任意波形发生器方案实现多频AOTF驱动、能同时获取全色图像信息和窄带正交偏振图像信息的可编程偏振超光谱和全色联合成像仪。

[0008] 本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪，其特殊之处在于：所述集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪包括前置镜、视场光阑、准直镜、声光可调谐滤光器、转折镜、偏振超光谱成像系统以及全色成像系统；所述前置镜、视场光阑、准直镜、声光可调谐滤光器和转折镜依次设置于同一光路上；所述经转折镜转折后在一级衍射光的光路上设置有偏振超光谱成像系统以及经转折镜转折后在零级衍射光的光路上设置有全色成像系统。

[0009] 上述偏振超光谱成像系统包括偏振超光谱探测器、偏振超光谱探测器控制处理系统以及经转折镜转折后在O光光路上的O光成像系统和在E光光路上的E光成像系统；所述O光成像系统与E光成像系统拼接后依次和偏振超光谱探测器以及偏振超光谱探测器控制处理系统相连。

[0010] 上述O光成像系统包括O光转折镜和O光成像镜；所述O光转折镜和O光成像镜依次设置于转折镜和偏振超光谱探测器之间。

[0011] 上述O光成像系统还包括O光光楔；所述O光光楔置于O转折镜和成像镜之间的准直光路中。

[0012] 上述O光光楔是单光楔或多个单光楔的组合。

[0013] 上述E光成像系统包括E光转折镜和E光成像镜；所述E光转折镜和E光成像镜依次设置于转折镜和偏振超光谱探测器之间。

[0014] 上述E光成像系统还包括E光光楔；所述E光光楔置于E转折镜和成像镜之间的准直光路中。

[0015] 上述E光光楔是单光楔或多个单光楔的组合。

[0016] 上述全色成像系统包括全色成像镜、全色探测器以及全色探测器控制处理系统；所述全色成像镜和全色探测器依次设置在经转折镜转折后在零级衍射光的光路上；所述全色探测器和全色探测器控制处理系统电性连接。

[0017] 上述成像仪还包括和声光可调谐滤光器电性连接的声光可调谐滤光器驱动器，所述声光可调谐滤光器驱动器是基于FPGA与DAC的结合结构或CPLD与DAC的结合结构的任意波形发生器。

[0018] 上述偏振超光谱探测器和全色探测器是紫外探测器、可见光探测器或红外探测器；对于紫外探测器尤其是紫外CCD；对于可见光探测器，尤其是CCD、CMOS或EMCCD。

[0019] 本发明的优点是：

[0020] 1、能同时获取全色图像和偏振超光谱图像。本发明在零级衍射光路上设置全色成像探测系统，能在获取偏振超光谱图像的同时获得全色图像。

[0021] 2、可实现光路转折。本发明所提供的光谱成像仪在声光可调谐滤光器出射端零级衍射光和一级衍射光未分离处设置转折镜进行光路转折，使得仪器结构紧凑。

[0022] 3、可实现图像拼接。本发明将现有技术中两个分离的O光像面和E光像面用光学拼接装置拼接在同一个探测器感光面的不同位置，从而将现有技术中两套探测器控制处理系统合二为一，大大简化了系统结构，使得仪器体积小，重量轻，结构紧凑，抗冲击振动能力强，具有较强的航天环境适应能力。

[0023] 4、可对图像漂移进行补偿。本发明分别在O光光路和E光光路内设置有O光光楔和E光光楔，该部件的设置使得本发明可对图像漂移进行补偿，另外，对采集到的O光光谱图像和E光光谱图像用图像配准算法进行谱段配准可以进一步消除图像漂移，从而提高偏振光谱复原精度和信噪比。

[0024] 5、多谱段复合成像。本发明将现有的声光可调谐滤光器驱动器用多频驱动器替代，可以实现多谱段复合成像。

附图说明

[0025] 图1为本发明所提供的集成全色和偏振超光谱探测能力的成像仪的结构示意图。

具体实施方式

[0026] 参见图1，本发明提供了一种成像仪，包括前置镜2、视场光阑3、准直镜4、声光可调谐滤光器5；前置镜2、视场光阑3、准直镜4、声光可调谐滤光器5依次设置在同一光路上；声光可调谐滤光器5出射光路包括一级衍射光(O光和E光)和零级衍射光；在一级衍射光(该一级衍射光包括O光和E光)和零级衍射光未分离处设置转折镜6进行光路转折；在经转折镜6转折的O光光路上设置有O光成像系统20；在经转折镜6转折的E光光路上设置有E光成像系统21；O光成像系统20的像面和E光成像系统21的像面在偏振超光谱探测器13的感光面上形成拼接在一起的O光光谱图像和E光光谱图像；在经转折镜6转折的零级衍射光光路上依次设置有全色成像镜15和全色探测器16；全色探测器15与全色探测器控制处理系统16相连；偏振超光谱探测器13与偏振超光谱探测器控制处理系统14相连；偏振超光谱探测器控制处理系统14和全色探测器控制处理系统16与控制采集处理计算机18相连。

[0027] O光成像系统20依次包括O光转折镜7、O光光楔8以及O光成像镜9。O光成像系统20设置于转折镜6转折光路中零级衍射光和一级衍射光完全分离处。为了消除声光可调谐滤光器5调谐时所引起的图像漂移，在O光转折镜7和O光成像镜9之间的光路中设置O光光楔8，O光光楔8是单光楔或多个单光楔的组合。

[0028] E光成像系统21依次包括E光转折镜10、E光光楔11以及E光成像镜12。E光成像系统21设置于转折镜6转折光路中零级衍射光和一级衍射光完全分离处。为了消除声光可调谐滤光器5调谐时所引起的图像漂移，在E光转折镜10和E光成像镜12之间的光路中设置E光光楔11，E光光楔11是单光楔或多个单光楔的组合。

[0029] O光光楔8和E光光楔11的光学材料色散特性应与声光可调谐滤光器5声光材料的色散特性相匹配，并且其设计参数应进行优化，以使声光调谐所引起的探测器14感光面上图像漂移小于十分之一像元。

[0030] 该可编程偏振超光谱成像仪还包括和声光可调谐滤光器5电性连接的声光可调谐滤光器驱动器19，该声光可调谐滤光器驱动器19是基于FPGA与DAC的结合结构或CPLD与DAC的结合结构的任意波形发生器。

[0031] 偏振超光谱探测器13和全色探测器15是紫外探测器、可见光探测器或红外探测器；对于紫外探测器尤其是紫外CCD；对于可见光探测器，尤其是CCD、CMOS或EMCCD。

[0032] 控制采集处理计算机18设置偏振超光谱探测器控制处理系统14、全色探测器控制处理系统16和声光可调谐滤光器驱动器19的工作模施和工作参数，调谐声光可调谐滤光器5的光谱通道，采集超光谱探测器控制处理系统14输出的一系列不同谱段的O光光谱图像和E光光谱图像和全色探测器控制处理系统16输出的全色图像，通过图像配置算法进一步补偿声光可调谐滤光器偏振超光谱图像漂移，最后通过偏振光谱反演算法获得目标场景的偏振超光谱图像数据立方体。

[0033] 为了保证宽谱段成像质量和偏振超光谱信噪比，前置镜2、准直镜4、O光成像镜9、E光成像镜12采用复消色差设计，保证在全谱段范围内，全系统单色光弥散圆直径小于偏振超光谱探测器13的像元尺寸。为了充分利用声光可调谐滤光器5的有效孔径，准直镜4的出瞳以及O光成像镜9和E光成像镜12的入瞳应设置在声光可调谐滤光器5的中心。

[0034] 偏振超光谱探测器13和全色探测器15可以是紫外探测器(紫外CCD)、可见光探测器(CCD、CMOS、EMCCD等)或红外探测器。

[0035] 通过调谐声光可调谐滤光器5的驱动频率以选择感兴趣的窄带偏振光谱图像。声光可调谐滤光器5采用非共线设计，声光材料可以是TeO2、TAS等，其输出的两路偏振态正交的O光和E光经O光成像系统20和E光成像系统21获得在偏振超光谱探测器13的感光面上拼接在一起的正交偏振光谱图像。

[0036] 本发明所提供的该偏振超光谱成像仪的工作过程是：来自目标场景1的发射、反射或透射光经前置镜2收集后在其后焦面处获得一次像面。位于前置镜2像面处的视场光阑3限制成像视场范围。目标的一次像面像经前置准直镜4准直、声光可调谐滤光器5分光后分成零级衍射光和一级衍射光(O光和E光)。零级衍射光经转折镜6和全色成像镜在全色探测器上获得全色图像，经全色探测器控制处理系统15处理和控制采集处理计算机18采集处理后获得全色数字图像。O光光束经转折镜6以及由O光转折镜7、O光光楔8、O光成像镜9组成的O光成像系统20获得O光图像，E光光束经转折镜6以及由E光转折镜
10、E光光楔11、E光成像镜12组成的E光成像系统21获得E光图像，O光图像和E光图像在偏振超光谱探测器13的感光面上拼接在一起，经偏振超光谱探测器控制处理系统14处理和控制采集处理计算机18采集处理后获得O光光谱数字图像和E光光谱数字图像，采集和处理一系列谱段的O光光谱数字图像和E光光谱数字图像后，经图像配准和光谱反演后形成目标场景1的偏振超光谱图像数据立方体。控制采集处理计算机18通过控制声光可调谐滤光器驱动器19输出的驱动信号频点数和频率值可以选择感兴趣的窄带偏振光谱图像或多谱段复合图像，通过控制声光可调谐滤光器驱动器19输出驱动信号的功率可以控制声光可调谐滤光器5的衍射效率。