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基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置和方法

阅读：429发布：2024-01-20

专利汇可以提供基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置和方法，该装置沿光路方向依次放置成像物镜、梯度干涉调制系统、探测器及信号处理系统。可实现对场景目标的二维光强信息和光谱信息的同步获取。系统采用直光路，利用双折射晶体的光学特性，设计了微型梯度干涉调制器件，将其置于成像系统的探测器靶面前，在对目标实现光谱探测的同时，对整个成像系统的体积和重量影响不大。该方法具有高光通量、高空间分辨率以及轻小型化等优点。，下面是基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置，其特征在于：包括沿光路方向依次放置的成像物镜(1)、梯度干涉调制系统(2)、探测器(3)，探测器(3)和信号处理系统(4)连接；其中梯度干涉调制系统(2)包括沿光路方向依次放置的线偏振器P1、晶体平板R1、晶体楔板R2和线偏振器P2；线偏振器P2与探测器(3)靶面的大小相等，线偏振器P2的后表面贴于探测器(3)的感光面；所有光学元件相对于基底同轴等高。
2.根据权利要求1所述的基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置，其特征在于：梯度干涉调制系统(2)由线偏振器P1、晶体平板R1、晶体楔板R2和线偏振器P2组成，晶体楔板R2的中间厚度与晶体平板R1的厚度相等；线偏振器P1、晶体平板R1、晶体楔板R2和线偏振器P2依次贴在一起，线偏振器P1的透光轴与x轴夹角为45°，晶体平板R1的晶轴方向平行于y轴，晶体楔板R2的晶轴方向平行于x轴，线偏振器P2的透光轴与线偏振器P1的透光轴方向平行。
3.一种基于权利要求1所述的基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置的成像方法，其特征在于：
第一步，来自多个目标点的入射光束进入成像物镜(1)，确定目标视场，消除杂散光；
第二步，从成像物镜(1)出射的光束进入梯度干涉调制系统(2)，光束经过线偏振器P1后变为线偏振光，偏振方向与x轴夹角为45°，光束分为偏振方向相互垂直的x光分量和y光分量，依次经过晶体平板R1晶体楔板R2，x光分量在晶体平板R1中为o光，在晶体楔板R2中为e光，y光分量在晶体平板R1中为e光，在晶体楔板R2中为o光，最后x光分量和y光分量经过线偏振器P2后，变为偏振方向相同的两束相干光；
第三步，每个目标点经过梯度干涉调制系统(2)调制后成像在探测器(3)对应的像素上面，在探测器(3)靶面上获取目标点的干涉光强信息；通过采用系统整体推扫的方式，对场景目标进行探测，获取目标点不同光程差下的干涉信息，并将干涉光强信息转化成电信号进入信号处理系统(4)；
第四步，信号处理系统(4)从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉信息，对干涉信息数据进行傅里叶变换处理，从而得到目标各点的光谱信息。
4.根据权利要求3所述的基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置的成像方法，其特征在于：所述系统整体推扫的方式，探测器(3)获得的干涉图像序列中的干涉条纹位置不变，而探测目标的图像随着推扫产生横向偏移，即探测目标上各物点的干涉信息分布在图像序列的不同位置上，在提取物点所对应的干涉数据时首先需要进行图像配准处理，确保每幅干涉图上提取的干涉强度值属于同一个物点。

说明书全文

基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学目标探测领域，具体是一种基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置及成像方法，可用于对目标进行成像和光谱探测。

背景技术

[0002] 干涉高光谱成像技术通过在成像系统中加入干涉器获取成像目标的干涉光强信息，利用傅里叶变换复原出成像目标的光谱数据立方体,具有高光通量、高空间分辨率和高光谱分辨率的优点，在遥感成像、资源勘探、环境监测等领域具有很大的应用潜力。近年来，国内外对该类高光谱成像技术进行了研究。其中，以色列Cabib等人研究了基于Sagnac干涉器的高通量干涉成像光谱技术，通过横向剪切思想在探测器上形成干涉信号，其光通量可与直接成像的相机媲美。在该类技术方案中，Sagnac干涉器需要放置于准直光路中，因此系统中需要两个成像物镜和一个准直物镜，仪器的体积受这些物镜的限制，比较难于实现小型化。英国Harvey等人提出了基于Wollaston棱镜干涉器的技术方案，该方案同样基于横向剪切干涉的思想，由于双折射器件的光束剪切特性，系统可以实现直线光路结构，体积比Sagnac干涉器方案更为紧凑。美国Horton等人提出了基于Mach-Zehnder干涉器的技术方案，通过角度剪切思想形成两个交错的像平面，由探测器接收所形成的干涉信号。该类干涉器被称为“像平面干涉仪”，它不需要准直光路结构，放置于会聚的成像光路中即可，相比于Sagnac干涉器方案，体积较为紧凑。德国Posselt等人提出了基于Michelson干涉器的技术方案，同样利用角度剪切干涉的思想，不需要准直光路结构，但相比于Mach-Zehnder干涉器方案，需要另外一个成像物镜将两个交错的像平面重新成像于探测器上，仪器体积也较为紧凑。国内外其他研究人员对相关的干涉成像方法也进行了深入研究，分别提出了各具特色的技术方案。上述经典的干涉成像光谱技术，一般需要体积较大的干涉器，同时还可能需要多个物镜进行干涉信息成像，因此光机系统较难实现轻小型化。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置及方法，该装置和方法可以实现目标高分辨率光谱成像探测。

[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为：

[0005] 一种基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置，包括沿光路方向依次放置的成像物镜、梯度干涉调制系统、探测器，探测器和信号处理系统连接；其中梯度干涉调制系统包括沿光路方向依次放置的线偏振器P1、晶体平板R1、晶体楔板R2和线偏振器P2；梯度干涉调制系统与探测器靶面的大小相等，梯度干涉调制系统的后表面贴于探测器的感光面；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。

[0006] 所述梯度干涉调制系统由线偏振器P1、晶体平板R1、晶体楔板R2和线偏振器P2组成，晶体楔板R2的中间厚度与晶体平板R1的厚度相等；线偏振器P1、晶体平板R1、晶体楔板R2和线偏振器P2依次贴在一起，线偏振器P1的透光轴与x轴夹角为45°，晶体平板R1的晶轴方向平行于y轴，晶体楔板R2的晶轴方向平行于x轴，线偏振器P2的透光轴与线偏振器P1的透光轴方向平行。

[0007] 一种基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置的成像方法，包括以下步骤：

[0008] 第一步，来自目标各点的入射光束进入成像物镜，确定目标视场，消除杂散光；

[0009] 第二步，从成像物镜出射的光束进入梯度干涉调制系统，光束经过线偏振器P1后变为线偏振光，偏振方向与x轴夹角为45°，光束分为偏振方向相互垂直的x光分量和y光分量，依次经过晶体平板R1晶体楔板R2，x光分量在晶体平板R1中为o光在晶体楔板R2中为e光，y光分量在晶体平板R1中为e光在晶体楔板R2中为o光，最后x光分量和y光分量经过线偏振器P2后，变为偏振方向相同的两束相干光；

[0010] 第三步，每个物点经过梯度干涉调制系统调制后成像在探测器对应的像素上面，在探测器靶面上可以获取物点的干涉光强信息；通过采用系统整体推扫的方式，对场景目标进行探测，可以获取目标各点不同光程差下的干涉信息，并将光强信息转化成电信号进入信号处理系统；

[0011] 第四步，信号处理系统从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉信息，对干涉信息数据进行傅里叶变换处理，从而得到目标各点的光谱信息。

[0012] 所述采用的整体推扫的方式，探测器获得的干涉图像序列中的干涉条纹位置不变，而探测目标的图像随着推扫产生横向偏移，即探测目标上各物点的干涉信息分布在图像序列的不同位置上，在提取物点所对应的干涉数据时首先需要进行图像配准处理，确保每幅干涉图上提取的干涉强度值属于同一个物点。

[0013] 本发明对比现有技术具有以下显著优点：

[0014] (1)系统采用直光路，相当于在成像系统的探测器前面添加一组微型调制器件，对整个系统的体积和重量影响不大，可实现轻小型化；

[0015] (2)设计的微型干涉调制组件基于双光束干涉的调制原理，可产生正弦条纹，利用傅里叶变换算法可方便复原光谱。附图说明

[0016] 附图1为基于视场梯度调制干涉的高光谱成像光路结构示意图。

具体实施方式

[0017] 本发明一种基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置，系统采用直光路，设计梯度干涉调制系统，相当于在成像系统的探测器前面添加一组微型调制器件，对整个系统的体积和重量影响不大，为高光谱成像轻小型化应用提供一种有效技术途径。可同步获得目标二维空间光强信息和光谱信息。

[0018] 下面结合附图对本发明做进一步说明。

[0019] 本发明基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置，包括包括沿光路方向依次放置的成像物镜1、梯度干涉调制系统2、探测器3，探测器3和信号处理系统4连接；其中梯度干涉调制系统2包括沿光路方向依次放置的线偏振器P1、晶体平板R1、晶体楔板R2和线偏振器P2；梯度干涉调制系统2与探测器3靶面的大小相等，梯度干涉调制系统2的后表面贴于探测器3的感光面；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。

[0020] 本发明基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置探测步骤为：

[0021] 第一步，成像目标发射或者反射的光通过成像物镜1，消除杂散光，进入梯度干涉调制系统；

[0022] 第二步，从成像物镜1出射的光束进入梯度干涉调制系统2，光束经过线偏振器P1后变为线偏振光，偏振方向与x轴夹角为45°，光束分为偏振方向相互垂直的x光分量和y光分量，依次经过晶体平板R1晶体楔板R2，x光分量在晶体平板R1中为o光在晶体楔板R2中为e光，y光分量在晶体平板R1中为e光在晶体楔板R2中为o光，最后x光分量和y光分量经过线偏振器P2后，变为偏振方向相同的两束相干光。

[0023] 两束相干光在探测器3的靶面上发生双光束干涉，接收到的光强Io(Δ)满足：

[0024]

[0025] 式中，σ为波数，B(σ)为入射光束强度，Δ为两支相干光的光程差，其中光程差Δ满足：

[0026] Δ(x)＝x tanβ|no-ne|

[0027] 式中，x为像点距离探测器3靶面中线的距离，β为晶体楔板R2的楔角，no为o光在晶体中的折射率，ne为e光在晶体中的折射率。

[0028] 第三步，系统整体推扫获取场景目标各点不同光程差下的干涉信息，并将干涉光强信息转化成电信号进入信号处理系统4，信号处理系统4为装有信号处理软件的计算机；

[0029] 第四步，信号处理系统4从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉信息，对干涉信息数据进行傅里叶变换处理，从而得到目标各点的光谱信息。

[0030] 本发明基于视场梯度调制干涉的高光谱成像装置及方法可实现对场景目标的二维光强信息和光谱信息的同步获取。系统采用直光路，相当于在成像系统的探测器前面添加一组微型梯度干涉调制器件，对整个系统的体积和重量影响不大。该方法具有高光通量、高空间分辨率以及轻小型化等优点。

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