專利名稱：一種單色儀與成像光譜儀的交叉光譜定標(biāo)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜技術(shù)領(lǐng)域中的光電儀器技術(shù)，具體涉及一種光、機(jī)、電、算一體化的單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)裝置及方法。
背景技術(shù)：
成像光譜儀是一種“圖譜合一”的光學(xué)遙感器，以獲取目標(biāo)的詳細(xì)圖譜信息為目的，它把光譜技術(shù)與成像技術(shù)有機(jī)地融為一體。利用它可以在遙感平臺(tái)上以高空間分辨率和高光譜分辨率獲取物質(zhì)光譜圖像，是傳統(tǒng)光譜分析技術(shù)(即定性、定量分析)向現(xiàn)代光譜分析技術(shù)(即定性、定量、定時(shí)、定位分析)發(fā)展的重要載體。遙感信息定量化要求對(duì)成像光譜儀進(jìn)行精確定標(biāo)，成像光譜儀定標(biāo)的作用是確定探測(cè)單元輸出數(shù)字量與其接收到的電磁波信號(hào)間的定量關(guān)系，通過定標(biāo)，為不同遙感儀器在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)測(cè)得的成像光譜數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的參照，是對(duì)成像光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化分析的前提。成像光譜儀定標(biāo)包括光譜定標(biāo)、輻射定標(biāo)及幾何定標(biāo)，其中光譜定標(biāo)是確定系統(tǒng)光譜特性的重要手段，同時(shí)也是進(jìn)行輻射定標(biāo)的前提。通常采用波長掃描法對(duì)成像光譜儀進(jìn)行光譜定標(biāo)，利用單色儀以一定步長連續(xù)步進(jìn)輸出單色光，并同步記錄成像光譜數(shù)據(jù)，當(dāng)單色儀全波段掃描完成后，可分析得到成像光譜儀各波段中心波長、全波半高寬、光譜取樣間隔等參數(shù)，即完成了成像光譜儀的光譜定標(biāo)過程。成像光譜儀光譜定標(biāo)的定標(biāo)精度是系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，影響光譜定標(biāo)精度的因素包括單色儀輸出波長準(zhǔn)確度、單色儀輸出能量穩(wěn)定度、單色儀輸出的單色光帶寬等因素。對(duì)于單色儀輸出波長準(zhǔn)確度，需要在光譜定標(biāo)前對(duì)單色儀進(jìn)行高精度光譜標(biāo)定；對(duì)于單色儀輸出能量穩(wěn)定度，一方面需要提高光源的亮度穩(wěn)定度，另一方面需要在實(shí)際定標(biāo)過程中對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，最后再對(duì)測(cè)量得到的光譜響應(yīng)曲線進(jìn)行高斯擬合，以降低能量波動(dòng)對(duì)定標(biāo)精度的影響；對(duì)于單色儀輸出的單色光帶寬，需要在單色儀設(shè)計(jì)、加工及裝調(diào)過程中進(jìn)行嚴(yán)格控制 。綜上所述，單色儀的高精度光譜定標(biāo)是成像光譜儀光譜定標(biāo)的基礎(chǔ)，同時(shí)由于成像光譜儀光譜分辨率高、空間像元及波段多，因此光譜定標(biāo)是一項(xiàng)工作量巨大、繁瑣耗時(shí)的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)采用同一套裝置或方法實(shí)現(xiàn)對(duì)單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)的問題，提供一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)裝置及方法。—種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)裝置，該裝置包括光源系統(tǒng)、掃描式光柵單色儀、控制器、平行光管、成像光譜儀和主控計(jì)算機(jī)；所述光源系統(tǒng)包括汞燈光源和可調(diào)連續(xù)光源；光源系統(tǒng)輸出光源經(jīng)掃描式光柵單色儀色散后，由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束由成像光譜儀接收，控制器控制光源系統(tǒng)輸出光源能量，控制掃描式光柵單色儀的波長掃描和步進(jìn)數(shù)的輸出，主控計(jì)算機(jī)接收控制器輸出的掃描式光柵單色儀掃描的波長和輸出的步進(jìn)數(shù)信息；主控計(jì)算機(jī)對(duì)成像光譜儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及獲取成像光譜儀的光譜信息。一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn):步驟一、調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置接收光源的像素點(diǎn)；通過光源切換開關(guān)切換為單色儀定標(biāo)模式，汞燈光源經(jīng)掃描式光柵單色儀后由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束由成像光譜儀接收；步驟二、主控計(jì)算機(jī)通過控制器對(duì)汞燈光源進(jìn)行波長掃描，成像光譜儀探測(cè)汞燈光源的特征譜線，獲取汞燈光源特征譜線與掃描式光柵單色儀掃描步進(jìn)數(shù)的信息；步驟三、對(duì)步驟二獲取的特征譜線與掃描步進(jìn)數(shù)進(jìn)行線性擬合，獲得掃描式光柵單色儀的光譜定標(biāo)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描式光柵單色儀的標(biāo)定；步驟四、調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置接收單色光源的像素點(diǎn)；通過光源切換開關(guān)切換為成像光譜儀定標(biāo)模式，可調(diào)連續(xù)光源經(jīng)掃描光柵單色儀色散后由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束由成像光譜儀接收；步驟五、設(shè)置掃描式光柵單色儀的定標(biāo)區(qū)間及掃描步進(jìn)波長；步驟六、調(diào)整光源系統(tǒng)輸出可調(diào)連續(xù)光源的亮度；步驟七、成像光譜議對(duì)接收的光源比較光譜曲線最高值是否接近飽和值，如果是，判斷定標(biāo)區(qū)間是否完成，如果是，判斷是否調(diào)整光源像素點(diǎn)，如果是，返回步驟四；如果否，成像光譜儀定標(biāo)完成，如果否，返回步驟五，如果否，返回步驟六。本發(fā)明的有益效果 :本發(fā)明采用一套裝置實(shí)現(xiàn)單色儀與成像光譜儀的交叉光譜定標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易操作、定標(biāo)精度高，避免了分別定標(biāo)需要兩個(gè)探測(cè)器的弊端。定標(biāo)過程中利用單色儀控制器可自動(dòng)調(diào)節(jié)連續(xù)光源亮度及對(duì)光柵位置進(jìn)行精確控制，同時(shí)采用數(shù)字濾波的方法提高光譜定標(biāo)的精度。定標(biāo)過程方便、簡單，不需要過多的人工干預(yù)。該定標(biāo)方法還具有實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)擬合及保存數(shù)據(jù)的功能。


圖1為本發(fā)明所述的一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明所述的一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)方法的流程圖；圖3為本發(fā)明中掃描式光柵單色儀光譜定標(biāo)時(shí)特征光譜響應(yīng)曲線示意圖；圖4是本發(fā)明中掃描式光柵單色儀光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)立方體的曲線擬合示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)裝置，該裝置包括光源系統(tǒng)、掃描式光柵單色儀、控制器、平行光管、成像光譜儀和主控計(jì)算機(jī)；所述的光源系統(tǒng)包括汞燈光源和可調(diào)連續(xù)光源及光源切換開關(guān)，通過光源切換開關(guān)轉(zhuǎn)換定標(biāo)模式，光源系統(tǒng)輸出光源經(jīng)掃描式光柵單色儀色散后，由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，最后由成像光譜儀接收，主控計(jì)算機(jī)通過USB接口與單色儀控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成單色儀波長掃描、光源能量控制、單色儀步進(jìn)數(shù)輸出等功能，主控計(jì)算機(jī)通過GigE (千兆網(wǎng)口)接口對(duì)成像光譜儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及獲取成像光譜數(shù)據(jù)。本實(shí)施方式所述的可調(diào)連續(xù)光源采用高精度高穩(wěn)定度光源，利用單色儀控制器根據(jù)成像光儀的探測(cè)器接收到的能量自動(dòng)調(diào)節(jié)光源亮度；掃描式光柵單色儀采用C-T水平對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過單色儀控制器對(duì)光柵位置進(jìn)行精確控制實(shí)現(xiàn)高精度單色光輸出。
具體實(shí)施方式
二、結(jié)合圖2和圖3說明本實(shí)施方式，一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)方法，—、對(duì)單色儀進(jìn)行定標(biāo)時(shí),選擇光源系統(tǒng)中的萊燈作為系統(tǒng)光源，光源經(jīng)掃描式光柵單色儀后，輸出的單色光由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，最后由成像光譜儀探測(cè)接收，主控計(jì)算機(jī)通過單色儀控制器對(duì)汞燈光源進(jìn)行波長掃描，當(dāng)掃描至汞燈特征譜線處時(shí)，成像光譜儀將在某一波段的某一空間像元處探測(cè)到該光譜信號(hào)，以單色儀的掃描步進(jìn)數(shù)為橫坐標(biāo)，以成像光譜儀的特定波段的空間像元輸出能量為縱坐標(biāo)，建立定標(biāo)曲線，結(jié)合圖3，對(duì)定標(biāo)曲線進(jìn)行高斯擬合可得到汞燈特征譜線對(duì)應(yīng)的單色儀掃描步進(jìn)數(shù)，至少掃描出汞燈的兩條特征譜線后，經(jīng)線性擬合可得到單色儀的波長定標(biāo)系數(shù)，即完成單色儀的標(biāo)定；二、對(duì)成像光譜儀進(jìn)行定標(biāo)時(shí)，切換可調(diào)連續(xù)光源作為系統(tǒng)光源，光源經(jīng)掃描式光柵單色儀后，輸出的單色光由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，最后由成像光譜儀探測(cè)接收，主控計(jì)算機(jī)通過單色儀控制器對(duì)可調(diào)連續(xù)光源進(jìn)行波長掃描及能量控制，基于波長掃描法完成成像光譜儀的光譜定標(biāo)。
具體實(shí)施方式
三、結(jié)合圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為具體實(shí)施方式
二所述的一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)方法的實(shí)施例:A、打開定標(biāo)光源、掃描式光柵單色儀及成像光譜儀，開啟計(jì)算機(jī)應(yīng)用控制程序，建立掃描式光柵單色儀與成像光譜儀之間的通訊，設(shè)置成像光譜儀探測(cè)器基本參數(shù)，調(diào)整成像光譜儀，令探測(cè)器接收到經(jīng)過平行光管的準(zhǔn)直平行光。理論計(jì)算汞燈特征光譜X1與特征光譜λ 2對(duì)應(yīng)的大概單色儀掃描步進(jìn)數(shù)N1與N2，設(shè)置步進(jìn)波長Λ λ、每次步進(jìn)Λ λ時(shí)的探測(cè)器抓拍幀數(shù)，采集多組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，在單色儀掃描步進(jìn)數(shù)N1與N2附近一定范圍內(nèi)掃描，得到單色儀光譜定標(biāo)曲線，對(duì)光譜定標(biāo)曲線進(jìn)行高斯擬合計(jì)算出特征光譜對(duì)應(yīng)的單色儀掃描步進(jìn)數(shù)N/與Ν’2?！な褂糜涗浀膬山M數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，即可得到波長與單色儀掃描步進(jìn)數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，保存此定標(biāo)系數(shù)，單色儀光譜定標(biāo)完畢。B、成像光譜儀的光譜定標(biāo):通過光源切換開關(guān)切換為成像光譜儀定標(biāo)模式，單色儀光譜定標(biāo)完成之后，單色儀步進(jìn)數(shù)可反應(yīng)連續(xù)光源輸出的單色光對(duì)應(yīng)的波長。調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置定標(biāo)像素點(diǎn)Pi ;設(shè)置探測(cè)器的基本參數(shù)、定標(biāo)起始波長、定標(biāo)終止波長及步進(jìn)波長Λ λ ;為減小測(cè)量誤差，提高信噪比，對(duì)單色儀輸出的單色光進(jìn)行數(shù)字濾波，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵從定標(biāo)起始波長位置掃描到定標(biāo)終止波長位置。計(jì)算機(jī)得到定標(biāo)像素點(diǎn)Pl的光譜曲線，提取響應(yīng)最高的DN值，若DN值未接近飽和，則調(diào)節(jié)連續(xù)光源的亮度，步進(jìn)電機(jī)重新從定標(biāo)起始波長位置掃描到定標(biāo)終止波長位置，重復(fù)上一過程直到得到的光譜曲線響應(yīng)最高點(diǎn)的DN值接近飽和，記錄定標(biāo)數(shù)據(jù)。設(shè)置波段數(shù)及定標(biāo)像素點(diǎn)，即可查看定標(biāo)像素點(diǎn)Pl任意有效波段的光譜響應(yīng)曲線。由于單色儀輸出的不穩(wěn)定性，實(shí)際得到的光譜曲線有存在一定的噪聲，需要對(duì)測(cè)試得到的光譜響應(yīng)曲線進(jìn)行高斯擬合后，再分析得到各波段中心波長、全波半高寬、光譜取樣間隔等參數(shù)，保存定標(biāo)數(shù)據(jù)。調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置其他定標(biāo)像素點(diǎn)，重復(fù)上述工作，直到得到空間維所有有效像素的有效光譜通道的光譜響應(yīng)曲線。成像光譜儀的光譜定標(biāo)工作結(jié)束。本實(shí)施方式所述的定標(biāo)方法中，在定標(biāo)過程中使用同一套定標(biāo)裝置，僅需切換系統(tǒng)光源，便能夠完成單色儀的光譜定標(biāo)及成像光譜儀的光譜定標(biāo)。其核心思想在于:對(duì)單色儀進(jìn)行定標(biāo)時(shí)，使用待定標(biāo)的成像光譜儀作為能量探測(cè)元件對(duì)單色儀進(jìn)行標(biāo)定；對(duì)成像光譜儀定標(biāo)時(shí)，使用標(biāo)定過的單色儀作為輸出元件對(duì)成像光譜儀進(jìn)行標(biāo)定，即交叉光譜定標(biāo)思想。本交叉光譜定標(biāo)方法具有結(jié)構(gòu)簡單、易操作、定標(biāo)精度高等優(yōu)點(diǎn)，且不需要過多的人工干預(yù)，能夠極大地 提高成像光譜儀的光譜定標(biāo)效率。
權(quán)利要求
1.一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)裝置，該裝置包括光源系統(tǒng)、掃描式光柵單色儀、控制器、平行光管、成像光譜儀和主控計(jì)算機(jī)；其特征是，所述光源系統(tǒng)包括汞燈光源和可調(diào)連續(xù)光源；光源系統(tǒng)輸出光源經(jīng)掃描式光柵單色儀色散后，由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束由成像光譜儀接收，控制器控制光源系統(tǒng)輸出光源能量，控制掃描式光柵單色儀的波長掃描和步進(jìn)數(shù)的輸出，主控計(jì)算機(jī)接收控制器輸出的掃描式光柵單色儀掃描的波長和輸出的步進(jìn)數(shù)信息；主控計(jì)算機(jī)對(duì)成像光譜儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及獲取成像光譜儀的光譜信
2.基于權(quán)利要求1所述的一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)裝置的方法，其特征是，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一、調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置接收光源的像素點(diǎn)；通過光源切換開關(guān)切換為單色儀定標(biāo)模式，汞燈光源經(jīng)掃描光柵單色儀后由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束由成像光譜儀接收； 步驟二、主控計(jì)算機(jī)通過控制器對(duì)汞燈光源進(jìn)行波長掃描，成像光譜儀探測(cè)汞燈光源的特征譜線，獲取汞燈光源特征譜線與掃描式光柵單色儀掃描步進(jìn)數(shù)的信息； 步驟三、對(duì)步驟二獲取的特征譜線與掃描步進(jìn)數(shù)進(jìn)行線性擬合，獲得掃描式光柵單色儀的光譜定標(biāo)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描式光柵單色儀的標(biāo)定； 步驟四、調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置接收單色光源的像素點(diǎn)；通過光源切換開關(guān)切換為成像光譜儀定標(biāo)模式，可調(diào)連續(xù)光源經(jīng)掃描光柵單色儀色散后由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束由成像光譜儀接收； 步驟五、設(shè)置掃描式光柵單色儀的定標(biāo)區(qū)間及掃描步進(jìn)波長； 步驟六、調(diào)整光源系統(tǒng)輸出可調(diào)連續(xù)光源的亮度； 步驟七、成像光譜議對(duì)接收的光源比較光譜曲線最高值是否接近飽和值，如果是，判斷定標(biāo)區(qū)間是否完成，如果是，判斷是否調(diào)整光源像素點(diǎn)，如果是，返回步驟四；如果否，成像光譜儀定標(biāo)完成，如果否，返回步驟五，如果否，返回步驟六。
全文摘要
一種單色儀與成像光譜儀的交叉光譜定標(biāo)裝置及方法，涉及光譜技術(shù)領(lǐng)域中的光電儀器技術(shù)，解決現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)采用同一套裝置或方法實(shí)現(xiàn)對(duì)單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標(biāo)的問題，所述光源系統(tǒng)包括汞燈光源和可調(diào)連續(xù)光源；光源系統(tǒng)輸出光源經(jīng)掃描式光柵單色儀色散后，由平行光管擴(kuò)束、準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束由成像光譜儀接收，控制器控制光源系統(tǒng)輸出光源能量，控制掃描式光柵單色儀的波長掃描和步進(jìn)數(shù)的輸出，主控計(jì)算機(jī)接收控制器輸出的掃描式光柵單色儀掃描的波長和輸出的步進(jìn)數(shù)信息；主控計(jì)算機(jī)對(duì)成像光譜儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及獲取成像光譜儀的光譜信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易操作、定標(biāo)精度高。
文檔編號(hào)G01J3/12GK103245414SQ20131011351
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者曹海霞, 潘明忠, 巴音賀希格, 崔繼承, 宋楠, 楊增鵬 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所