專利名稱：一種基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏振超光譜成像儀，具體涉及一種基于像面拼接的、能同時獲取 正交偏振光譜圖像信息的、具有多譜段復(fù)合成像能力的可編程偏振超光譜成像儀。
背景技術(shù)：
利用光譜圖像信息可以獲得目標的物質(zhì)組成、含量等化學特征及其空間分布信 息，因而成像光譜技術(shù)在國民經(jīng)濟社會的各個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。首先，成像光譜 儀可以作為空間飛行器的有效載荷，利用其獲取的光譜信息可以應(yīng)用于以下領(lǐng)域土地資 源調(diào)查(礦產(chǎn)勘探、城市規(guī)劃、城郊土地分類利用、土地沙化治理和土壤侵蝕監(jiān)測等)、林業(yè) (林業(yè)資源調(diào)查和伐林造林監(jiān)測等)、生態(tài)(環(huán)境監(jiān)測、陸地生態(tài)研究和區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價 等)、農(nóng)業(yè)(大面積農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測、農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測、農(nóng)作物長勢分析預(yù)測、病蟲害監(jiān)測等)、 深空探測(月球、火星等星體的礦物勘探、太陽系行星大氣探測等)等領(lǐng)域。其次，光譜分析技術(shù)還廣泛應(yīng)用于食品飲料、石油化工、紡織、臨床醫(yī)學等各個行 業(yè)。偏振圖像信息提供了關(guān)于目標的粗糙度、含水量、空隙度、微粒粒徑等物理特征及 其空間分布信息。偏振遙感與傳統(tǒng)遙感相比，有許多獨特之處，它可以解決普通光度學無法解決的 一些問題，如云和氣溶膠的粒徑分布等。來自地物的散射光往往為線偏振光，如林冠覆蓋、耕地、草場的散射光具有20%以 上的偏振度，泥灘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， 而人造目標往往具有比自然目標更強的偏振特征，利用這些偏振信息可以反演出地物目標 的物理結(jié)構(gòu)、水份含量、巖石中的金屬含量等，監(jiān)測海水污染狀況，探測地面上空云分布、種 類、高度及大氣氣溶膠粒子的尺寸分布等。無疑，與成像光譜技術(shù)和成像偏振技術(shù)相比，偏振超光譜成像技術(shù)可以獲取更詳 盡、更全面的目標信息。成像光譜技術(shù)依分光原理可分為干涉型(空間調(diào)制型、時間調(diào)制型)、色散型(光 柵型和棱鏡型)和濾光型(旋轉(zhuǎn)濾光片、液晶可調(diào)諧濾光器(Liquid CrystalTunable Filter, LCTF)、聲光可調(diào)諧濾光器(Acousto-Optic Tunable Filter, A0TF)等)三種， 每種均有其優(yōu)缺點及其適用范圍，其中基于聲光可調(diào)諧濾光器(AcoustoOptic Tunable Filter, A0TF)的成像光譜技術(shù)具有光譜通道和光譜透過率可快速電調(diào)諧所提供的靈活性 (光譜通道順序或隨機調(diào)諧、多通道同時獲取、智能自主光譜通道選擇和獲取、實現(xiàn)矩形光 譜響應(yīng)曲線等)、無運動部件帶來的結(jié)構(gòu)緊湊性(適應(yīng)惡劣的力學環(huán)境)、無需復(fù)雜數(shù)據(jù)處 理帶來的易用性以及能同時獲取偏振、光譜和圖像等多維信息(提高目標探測和識別的能 力)的集成性等諸多特色，而具有廣泛的應(yīng)用前景。由于自然光經(jīng)AOTF衍射后產(chǎn)生偏振態(tài)正交的窄帶0光和E光，同時采集窄帶0 光和E光圖像即可構(gòu)成最簡單和緊湊的偏振超光譜成像系統(tǒng)(Li-Jen Cheng, Tien-HsinChao,Mack Dowdy,Clayton LaBaw,Cohn Mahoney,George Reyes,"Multispectral imaging systems using acousto-optic tunable filter，，，Proc. SPIE Vol. 1874, pp. 223-231, 1993.)。但已有技術(shù)方案有以下缺陷(1)需要兩個探測器去分別獲取O光圖像和E光圖 像，無疑使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加；(2)沒有補償AOTF調(diào)諧時引起的圖像飄移，從而導(dǎo)致 復(fù)原光譜因譜段混疊而信噪比惡化；(3)AOTF驅(qū)動裝置采用DDS芯片，只能工作在單頻模 式，無法獲得多頻模式下多譜段復(fù)合圖像。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種像面可拼接、可對 圖像的漂移進行補償以及可多頻驅(qū)動的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是本發(fā)明提供了一種基于像面拼接的可編程偏振超光譜 成像儀，其特殊之處在于所述基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀包括前置鏡、視場 光闌、準直鏡、聲光可調(diào)諧濾光器、成像鏡、O光成像系統(tǒng)、E光成像系統(tǒng)、探測器以及探測器 控制處理系統(tǒng)；所述前置鏡、視場光闌、準直鏡、聲光可調(diào)諧濾光器、成像鏡依次設(shè)置在同一 光路上；所述成像鏡后焦面上在0光像面處設(shè)置有0光成像系統(tǒng)、以及在E光像面處設(shè)置有 E光成像系統(tǒng)；所述0光成像系統(tǒng)與E光成像系統(tǒng)拼接后依次和探測器以及探測器控制處 理系統(tǒng)相連。上述0光成像系統(tǒng)包括0光準直鏡、0光一次轉(zhuǎn)折鏡、0光二次轉(zhuǎn)折鏡以及0光成 像鏡；所述0光準直鏡的前焦面與成像鏡后焦面重合；所述0光一次轉(zhuǎn)折鏡、0光二次轉(zhuǎn)折 鏡設(shè)置于0光準直鏡和0光成像鏡之間。上述0光成像系統(tǒng)還包括0光光楔；所述0光光楔設(shè)置于0光準直鏡和0光成像 鏡之間的準直光路中。上述0光光楔是單光楔或多個單光楔的組合。上述E光成像系統(tǒng)包括E光準直鏡、E光一次轉(zhuǎn)折鏡、E光二次轉(zhuǎn)折鏡以及E光成 像鏡；所述E光準直鏡的前焦面與成像鏡后焦面重合；所述E光一次轉(zhuǎn)折鏡、E光二次轉(zhuǎn)折 鏡設(shè)置于E光準直鏡和E光成像鏡之間。上述E光成像系統(tǒng)還包括E光光楔；所述E光光楔設(shè)置于E光準直鏡和E光成像 鏡之間的準直光路中。上述E光光楔是單光楔或多個單光楔的組合。上述基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀還包括和聲光可調(diào)諧濾光器電性 連接的聲光可調(diào)諧濾光器驅(qū)動器，所述聲光可調(diào)諧濾光器驅(qū)動器是基于FPGA與DAC的結(jié)合 結(jié)構(gòu)或CPLD與DAC的結(jié)合結(jié)構(gòu)的任意波形發(fā)生器。上述基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀還包括用于減小對0光圖像和E光 圖像的雜光干擾的抑制零級衍射光的光學陷阱，所述光學陷阱設(shè)置在成像鏡后焦面零級光 像面處。上述探測器是紫外探測器、可見光探測器或紅外探測器；對于紫外探測器尤其是 紫外CXD ；對于可見光探測器，尤其是CXD、CMOS或EMCXD。本發(fā)明的優(yōu)點是1、像面拼接。本發(fā)明將現(xiàn)有技術(shù)中兩個分離的0光像面和E光像面用光學拼接裝置拼接在同一個探測器感光面的不同位置，從而將現(xiàn)有技術(shù)中兩套探測器控制處理系統(tǒng)合 二為一，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得儀器體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，抗沖擊振動能力強，具 有較強的航天環(huán)境適應(yīng)能力。2、圖像漂移補償。本發(fā)明分別在0光成像光路和E光成像光路之內(nèi)設(shè)置有0光光 楔和E光光楔，該部件的設(shè)置使得本發(fā)明可對圖像漂移進行補償，利用圖像配準方式可以 進一步消除圖像漂移，從而提高偏振光譜復(fù)原精度和信噪比。3、具備多譜段復(fù)合成像能力。本發(fā)明將現(xiàn)有的AOTF驅(qū)動器用多頻驅(qū)動器替代，可 以實現(xiàn)多譜段復(fù)合成像。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明提供了 一種基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，包括前置 鏡2、視場光闌3、準直鏡4、聲光可調(diào)諧濾光器AOTF 5、成像鏡6、0光成像系統(tǒng)22、E光成像 系統(tǒng)23、探測器18以及探測器控制處理系統(tǒng)19以及控制采集處理系統(tǒng)20 ；前置鏡2、視場 光闌3、準直鏡4、A0TF 5、成像鏡6依次設(shè)置在同一光路上；經(jīng)AOTF 5衍射后通過成像鏡6 后在0光光路上設(shè)置有0光成像系統(tǒng)22以及在E光光路上設(shè)置有E光成像系統(tǒng)23 ；0光成 像系統(tǒng)22與E光成像系統(tǒng)23拼接后依次和探測器18以及、探測器控制處理系統(tǒng)19以及 控制采集處理系統(tǒng)20相連。0光成像系統(tǒng)22包括0光準直鏡8、0光一次轉(zhuǎn)折鏡9、0光二次轉(zhuǎn)折鏡11以及0 光成像鏡12 ；0光準直鏡8的前焦面與成像鏡6后焦面重合；0光一次轉(zhuǎn)折鏡9、0光二次轉(zhuǎn) 折鏡11設(shè)置于0光準直鏡8和0光成像鏡12之間。為了消除A0TF5調(diào)諧時所引起的圖像 漂移，0光成像系統(tǒng)22還包括0光光楔10 ；0光光楔10設(shè)置于0光準直鏡8和0光成像鏡 12之間的準直光路中。0光光楔10是單光楔或多個單光楔的組合。E光成像系統(tǒng)23包括E光準直鏡13、E光一次轉(zhuǎn)折鏡14、E光二次轉(zhuǎn)折鏡16以及 E光成像鏡17 ；E光準直鏡13的前焦面與成像鏡6后焦面重合；E光一次轉(zhuǎn)折鏡14、E光二 次轉(zhuǎn)折鏡16設(shè)置于E光準直鏡13和E光成像鏡17之間。為了消除A0TF5調(diào)諧時所引起 的圖像漂移，E光成像系統(tǒng)23還包括E光光楔15 ；E光光楔15設(shè)置于E光準直鏡13和E 光成像鏡17之間的準直光路中。E光光楔15是單光楔或多個單光楔的組合。0光光楔10和E光光楔15的光學材料色散特性應(yīng)與AOTF 5聲光材料的色散特性 相匹配，并且其設(shè)計參數(shù)應(yīng)進行優(yōu)化，以使聲光調(diào)諧所引起的探測器18感光面上圖像漂移 小于十分之一像元。該基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀還包括和AOTF 5電性連接的AOTF驅(qū) 動器21以及用于減小對0光圖像和E光圖像的雜光干擾的抑制零級衍射光的光學陷阱7， 光學陷阱7設(shè)置在成像鏡6后焦面零級光像面處，該AOTF驅(qū)動器21是基于FPGA與DAC的 結(jié)合結(jié)構(gòu)或CPLD與DAC的結(jié)合結(jié)構(gòu)的任意波形發(fā)生器。探測器18是紫外探測器、可見光探測器或紅外探測器；對于紫外探測器尤其是紫 外CCD ；對于可見光探測器，尤其是CCD、CMOS或EMCCD。
控制采集處理系統(tǒng)20設(shè)置探測器控制處理系統(tǒng)19的工作參數(shù)和工作模式以及 AOTF驅(qū)動器21的驅(qū)動頻率和驅(qū)動功率，采集探測器控制處理系統(tǒng)19輸出的偏振超光譜數(shù) 字圖像，通過圖像配準算法進一步消除圖像漂移，通過偏振光譜復(fù)原算法獲得目標場景1 的偏振超光譜圖像數(shù)據(jù)立方體。下面將結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實施例為了保證寬譜段成像質(zhì)量和偏振光譜信噪比，前置鏡2、準直鏡4、成像鏡6、0光準 直鏡8、0光成像鏡12、E光準直鏡13、E光成像鏡17采用復(fù)消色差設(shè)計，保證在全譜段范 圍內(nèi)，全系統(tǒng)單色光彌散圓直徑小于探測器18的像元尺寸。為了充分利用AOTF 5的有效 孔徑，準直鏡4的出瞳應(yīng)設(shè)置在AOTF 5的中心。探測器18可以是紫外探測器(紫外(XD)、可見光探測器(CXD、CMOS、EMCXD等) 或紅外探測器。AOTF 5作為可調(diào)諧濾光器，可以調(diào)諧AOTF 5的驅(qū)動頻率選擇感興趣的窄帶偏振 光譜。AOTF 5采用非共線設(shè)計，聲光材料可以是Te02、TAS等，其輸出的兩路偏振態(tài)正交的 0光和E光均可以分別經(jīng)0光成像系統(tǒng)和E光成像系統(tǒng)獲得拼接在一起的正交偏振光譜圖像。為了抑制AOTF 5出射光束中零級衍射光對一級衍射光的影響，在無用光的光路 終端加光學陷阱7，以使其產(chǎn)生的雜散光影響盡可能小。該偏振超光譜成像儀得工作過程如下來自目標場景1的發(fā)射、反射或透射光經(jīng)前置鏡2收集后在其后焦面處獲得一次 像面。位于前置鏡2像面處的視場光闌3限制成像視場范圍。目標的一次像面像經(jīng)前置準 直鏡4準直、AOTF 5分光后分成0光光束和E光光束。0光光束經(jīng)由0光準直鏡8、0光一 次轉(zhuǎn)折鏡9、0光光楔10、0光二次轉(zhuǎn)折鏡11、0光成像鏡12組成的0光成像系統(tǒng)22形成0 光光譜圖像，E光光束經(jīng)由E光準直鏡13、E光一次轉(zhuǎn)折鏡14、E光光楔15、E光二次轉(zhuǎn)折鏡 16、E光成像鏡17組成的E光成像系統(tǒng)23形成E光光譜圖像。0光光譜圖像和E光光譜圖 像在探測器18上拼接在一起，經(jīng)探測器控制處理系統(tǒng)19處理和控制采集處理系統(tǒng)20采集 處理后獲得0光光譜數(shù)字圖像和E光光譜數(shù)字圖像，采集和處理一系列譜段的0光光譜數(shù) 字圖像和E光光譜數(shù)字圖像后，經(jīng)圖像配準和光譜反演后形成目標場景1的偏振超光譜數(shù) 據(jù)立方體?？刂撇杉幚硐到y(tǒng)20通過控制AOTF驅(qū)動器21輸出的驅(qū)動信號頻點數(shù)和頻率 值可以選擇感興趣的窄帶偏振光譜圖像或多譜段復(fù)合圖像，通過控制AOTF驅(qū)動器21輸出 驅(qū)動信號的功率可以控制AOTF 5的衍射效率。
權(quán)利要求
一種基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀包括前置鏡、視場光闌、準直鏡、聲光可調(diào)諧濾光器、成像鏡、O光成像系統(tǒng)、E光成像系統(tǒng)、探測器以及探測器控制處理系統(tǒng)；所述前置鏡、視場光闌、準直鏡、聲光可調(diào)諧濾光器、成像鏡依次設(shè)置在同一光路上；所述成像鏡后焦面上在O光像面處設(shè)置有O光成像系統(tǒng)、以及在E光像面處設(shè)置有E光成像系統(tǒng)；所述O光成像系統(tǒng)與E光成像系統(tǒng)拼接后依次和探測器以及探測器控制處理系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所 述0光成像系統(tǒng)包括0光準直鏡、0光一次轉(zhuǎn)折鏡、0光二次轉(zhuǎn)折鏡以及0光成像鏡；所述0 光準直鏡的前焦面與成像鏡后焦面重合；所述0光一次轉(zhuǎn)折鏡、0光二次轉(zhuǎn)折鏡設(shè)置于0光 準直鏡和0光成像鏡之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所 述0光成像系統(tǒng)還包括0光光楔；所述0光光楔設(shè)置于0光準直鏡和0光成像鏡之間的準 直光路中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所 述0光光楔是單光楔或多個單光楔的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所 述E光成像系統(tǒng)包括E光準直鏡、E光一次轉(zhuǎn)折鏡、E光二次轉(zhuǎn)折鏡以及E光成像鏡；所述E 光準直鏡的前焦面與成像鏡后焦面重合；所述E光一次轉(zhuǎn)折鏡、E光二次轉(zhuǎn)折鏡設(shè)置于E光 準直鏡和E光成像鏡之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所 述E光成像系統(tǒng)還包括E光光楔；所述E光光楔設(shè)置于E光準直鏡和E光成像鏡之間的準 直光路中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所 述E光光楔是單光楔或多個單光楔的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一權(quán)利要求所述的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像 儀，其特征在于所述基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀還包括和聲光可調(diào)諧濾光 器電性連接的聲光可調(diào)諧濾光器驅(qū)動器，所述聲光可調(diào)諧濾光器驅(qū)動器是基于FPGA與DAC 的結(jié)合結(jié)構(gòu)或CPLD與DAC的結(jié)合結(jié)構(gòu)的任意波形發(fā)生器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所 述基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀還包括用于減小對0光圖像和E光圖像的雜光 干擾的抑制零級衍射光的光學陷阱，所述光學陷阱設(shè)置在成像鏡后焦面零級光像面處。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所 述探測器是紫外探測器、可見光探測器或紅外探測器；對于紫外探測器尤其是紫外CCD ；對 于可見光探測器，尤其是CCD、CMOS或EMCCD。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀，該成像儀包括前置鏡、視場光闌、準直鏡、聲光可調(diào)諧濾光器、成像鏡、O光成像系統(tǒng)、E光成像系統(tǒng)、探測器以及探測器控制處理系統(tǒng)；前置鏡、視場光闌、準直鏡、聲光可調(diào)諧濾光器、成像鏡依次設(shè)置在同一光路上；成像鏡后在O光光路上設(shè)置有O光成像系統(tǒng)以及在E光光路上設(shè)置有E光成像系統(tǒng)；O光成像系統(tǒng)與E光成像系統(tǒng)拼接后依次和探測器以及探測器控制處理系統(tǒng)相連。本發(fā)明提供了一種對圖像漂移進行補償和具備多譜段復(fù)合成像能力的基于像面拼接的可編程偏振超光譜成像儀。
文檔編號G01J3/447GK101995293SQ20091002371
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者李英才, 趙葆常, 邱躍洪 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所