移相式幹涉光譜成像系統和成像方法與流程
2023-07-17 11:37:41
本發明涉及一種移相式幹涉光譜成像系統和成像方法。
背景技術：
幹涉光譜成像技術在對地遙感方面有著非常重要的應用價值，基於等傾幹涉的大口徑橫向剪切幹涉儀在應用於幹涉光譜成像時具有高探測靈敏度，且易於實現大視場成像的技術特點，其幹涉圖的特點非常適合於近地軌道衛星平臺的推掃工作模式，但當這種工作模式在地球靜止軌道時就無法實現推掃成像，需要增加大尺度高精度的前置掃描反射鏡，除對衛星平臺帶來擾動影響外，還需佔用大量的衛星平臺資源。
技術實現要素：
針對上述應用需求，本發明提出一種基於位相掃描的移相式幹涉光譜成像系統和成像方法，可在凝視狀態下工作，適用於靜止軌道衛星的遙感探測。
本發明的技術方案是：
移相式幹涉光譜成像系統，其特殊之處在於：包括前置望遠系統、移相式橫向剪切幹涉儀、傅立葉成像物鏡和光電探測器；所述移相式橫向剪切幹涉儀位於前置望遠系統的輸出光路上，傅立葉成像物鏡位於移相式橫向剪切幹涉儀的輸出光路上，光電探測器位於傅立葉成像物鏡的像面上；待測目標波前經前置望遠系統準直後進入移相式橫向剪切幹涉儀，產生一系列的幹涉圖，傅立葉成像物鏡將所述幹涉圖聚焦到光電探測器靶面上，由光電探測器記錄所述幹涉圖。
上述移相式橫向剪切幹涉儀包括第一直角反射鏡、第二直角反射鏡、分束器、移相器和補償器；所述移相器和第一直角反射鏡沿所述分束器的反射光路依次設置；所述補償器和第二直角反射鏡沿所述分束器的透射光路依次設置。
上述移相式橫向剪切幹涉儀包括第一直角稜鏡、第二直角稜鏡、分束器、移相器和補償器；所述移相器和第一直角稜鏡沿所述分束器的反射光路依次設置；所述補償器和第二直角稜鏡沿所述分束器的透射光路依次設置。
上述移相器由一對楔角板組成，這兩個楔角板的斜邊相貼合，即兩個楔角板的反向相對放置。
上述分束器為稜鏡式分束器。
採用上述成像系統對目標波前進行成像的方法，其特殊之處在於：包括以下步驟：
1)將目標波前進行收集和準直；
2)準直後的目標波前入射至移相式橫向剪切幹涉儀，產生相干的兩個橫向剪切波前；
3)利用傅立葉成像物鏡將所述幹涉圖聚焦成像，形成帶幹涉圖調製的景物圖像；
4)利用光電探測器採集步驟3)中所成的像；
5)調整移相式橫向剪切幹涉儀使所述幹涉圖在傅立葉成像物鏡的像面上移動；
6)利用光電探測器記錄移相器的每一步相移所對應的幹涉圖，從而獲取目標波前對應的幹涉圖序列；
7)通過數據處理與傅立葉逆變換得到目標波前的光譜分布。
本發明的優點是：
本發明可在凝視狀態下工作，適用於靜止軌道衛星的遙感探測，在地球靜止軌道時能實現凝視狀態下的寬視場高光譜成像，無需增加大尺度高精度的前置掃描反射鏡，不會對衛星平臺帶來擾動影響，不會佔用衛星平臺資源。本發明的成像系統具有高通量和多通道的優勢，探測靈敏度高，易於實現高時間解析度的光譜探測，有利於實現局部區域的動態光譜觀測。
附圖說明
圖1是本發明一具體實施例的結構示意圖；
圖2a和圖2b是本發明移相器的工作原理示意圖；
圖3是移相器零位時幹涉原理示意圖；
圖4是移相器移相後幹涉原理示意圖；
圖中，1-前置望遠系統，2-移相式橫向剪切幹涉儀，21-分束器，22-移相器，23-補償器，24-第一直角反射鏡，25-第二直角反射鏡，3-傅立葉成像物鏡，4-光電探測器。
具體實施方式
如圖1所示，本發明所提供的移相式幹涉光譜成像系統由前置望遠系統1、移相式橫向剪切幹涉儀2、傅立葉成像物鏡3和光電探測器4組成。
移相式橫向剪切幹涉儀2是本發明實現光譜遙感探測的核心，它由第一直角反射鏡24、第二直角反射鏡25、分束器21、移相器22和補償器23組成，其中,移相器22和第一直角反射鏡24依次設置在分束器21的反射光路上；補償器23和第二直角反射鏡25依次設置在分束器21的透射光路上。這裡兩個直角反射鏡可由直角稜鏡替代；分束器可以是兩塊平行平板，也可以是稜鏡式分束器。移相器22由兩塊楔角為α的楔板相向組成，當其中一塊楔板沿斜面移動時，移相器22的厚度會產生變化。
遠距離目標波前經前置望遠系統1收集準直進入移相式橫向剪切幹涉儀2，入射的目標波前經移相式橫向剪切幹涉儀2後進入傅立葉成像物鏡，聚焦到光電探測器4靶面形成帶幹涉調製的目標景物圖像。
移相式橫向剪切幹涉儀2在像面(即光電探測器4的靶面所在平面)上產生直線條紋的幹涉圖，當移相器22發生相移時，所述幹涉圖在像面上產生移動，光電探測器4記錄每一步相移所產生的幹涉圖，從而獲取目標波前對應的幹涉圖序列，最後經過重新排列幹涉圖和傅立葉逆變換即可得到目標波前的光譜分布。
下面結合附圖1～附圖4對本發明的具體工作原理進行詳述。
來自物點的入射波前W經橫向剪切幹涉儀2後形成兩路剪切開的相干波前W1和W2，具體為：
入射波前W經分束器21分成兩路：一路光經過移相器22和第一反射鏡24後，再反射回到分束器21，從分束器21透射形成波前W1；另一路光經過補償器23和第二反射鏡25後，反射回到分束器21，從分束器21透射形成波前W2。
波前W1和波前W2在像面處的光振動E可以表示為：
上式中a1、a2分別為兩束光波的振幅，L1、L2分別為兩束光波到像點處的光程，ωt為時間位相因子，為空間位相因子。
波前W1和波前W2在像面處的光的合振動E可以表示為
E＝E1+E2 (3)
光電探測器4接收的是幹涉圖的強度信息，因此，兩光波在像點處的振動強度I可表示為：
其中ΔL＝L1-L2
由公式(4)可以看出，像面上物點的幹涉圖強度變化取決於位相差κ(ΔL)，也即取決於兩光波的光程差這裡s為圖1所示幹涉儀剪切量,fftl為傅立葉成像物鏡的焦距，Dp為光電探測器像元間隔，i為探測器像元位置，N為探測器像元數。
移相器22的作用是產生兩個剪切波面的附加光程差ΔL′，為公式(4)引入一個附加相位以實現幹涉圖的位相掃描。如圖2a和圖2b所示，當移相器22的一塊楔板沿另一塊楔板的斜面移動時，移相器的厚度會產生變化，從而使得移相器這一支光路的波前W1產生附加光程ΔL′；第j步相移對應的附加光程差ΔL′可表示為
ΔL′＝2(j.δd)(n-1) (5)
公式(5)中n為移相器材料的折射率，d為移相器零位時的厚度(即初始狀態時的厚度)，δd為楔板每步相移器厚度變化量，且滿足：
對於移相式橫向剪切幹涉儀2所能實現的最大剪切量S應滿足Nyqui st採樣定理：
式中υm為光譜成像系統所探測目標的光譜的最高頻率。
橫向剪切幹涉儀所能實現的最大光程差ΔLm取決於探測器靶面的像元數：
公式(8)中N是光電探測器相機的像元數。因此移相器的最大工作範圍為±ΔLm。
則相移式幹涉幹涉光譜成像幹涉圖強度可以表示為：
圖3與圖4進一步解釋了本發明移相干涉成像的技術原理。
在圖3中，當移相器22在零位時，光軸上物點兩個波前WO1和WO2具有相等的光程，其光程差ΔL為零，此時光軸外物點P點的光程差的大小由公式確定，式中y為軸外物點P點的成像像高，S為橫向剪切幹涉儀的最大剪切量。
在圖4中，當移相器22產生相移後，光軸上物點的光程差ΔL即為移相器22產生的附加光程差ΔL′；對於光軸外物點P，當移相器22產生的附加光程差ΔL′等於橫向剪切幹涉儀在P點的光程差ΔL時，光軸外物點P發出的兩束光WP1和WP2的光程相等，光程差為零，表示零光程差的位置已從光軸上物點移動至光軸外物點，在整個移相過程中，光電探測器4記錄採集一系列的移相干涉圖，以獲取目標景物進行光譜復原所需的幹涉圖序列。
對於本發明，第一反射鏡或第二反射鏡也可以作為移相器使用，任意一塊反射鏡沿光軸移動產生能夠附加光程差以實現幹涉圖的位相掃描，其原理同上所述。