一種實時在軌光譜定標裝置及方法

2023-07-15 12:23:31 1

專利名稱：一種實時在軌光譜定標裝置及方法
技術領域：
:本發明涉及光譜成像領域，具體涉及一種實時在軌光譜定標裝置及方法。
背景技術：
:成像光譜技術在環境監測、礦物探查、地球科學等領域有著廣泛應用。要通過星載成像光譜儀獲取的數據得到真實、有效的地物光譜信息，必須對儀器進行光譜定標。除了實驗室定標之外，考慮到儀器在軌運行時的環境、狀態不斷改變，因此在軌定標是不可或缺的。對於目前廣泛應用的色散型成像光譜儀，傳統的在軌定標方式包括大氣臨邊定標、太陽定標及內定標等。這些方式都是與成像任務分時完成，因此定標與拍攝有時間差。儀器在執行拍攝任務時，一方面受到太陽光照的影響，整體溫度發生變化；另一方面儀器內部的電子學部件工作發熱，也使儀器的狀態不能保持恆定。所以成像過程中，不同時刻會發生不同的光譜漂移，在成像之前或之後進行光譜定標都會造成狀態偏差。此外，儀器中還需要設計專門的定標光路，利用運動部件(如掃描鏡)在成像模式和定標模式之間進行切換，這樣就增加了系統硬體和軟體上的複雜度
發明內容
:本發明提出了一種實時在軌光譜定標裝置及方法，解決現有定標裝置中存在的無法實時在軌光譜定標問題。—種實時在軌光譜定標裝置，如附圖1所不，包括積分球I，光譜標準濾光片2、光纖3及探測器4。積分球I的出射光經過光譜標準濾光片2後成為定標光，由光纖3引至被標定成像光譜系統5的狹縫兩端，定標光射入狹縫，經光譜儀成像在探測器4兩側的定標區4-1上，根據定標區4-1像元的光譜數據，對被標定成像光譜系統5進行光譜定標。所述積分球I採用小型積分球，直徑小於80mm，開口小於30mm，其光源有效發光譜段包含被標定成像光譜系統5的成像譜段。所述光譜標準濾光片2的直徑等於積分球開口直徑，通光譜段包含被標定成像光譜系統5的成像波段，光譜特性在儀器工作溫度範圍內保持穩定。所述光纖3的通光譜段包含被定標成像光譜系統5的成像譜段；所述探測器4分為定標區4-1和成像區4-2，定標區4-1位於成像區4_2空間維方向的兩端，每端設有1-2列，其像元尺寸為成像區4-2像元尺寸的一半。具體定標方法步驟如下:I)儀器在軌運行，完成一次成像任務，探測器4的成像區4-2獲得光譜圖像數據，兩端定標區4-1獲得光譜定標數據；2)根據光譜標準濾光片2的特徵峰，確定兩端定標區4-1每個像元對應的中心波長；
3)設一端定標區4-1像元Ai和另一端定標區4-1像元Bj對應的中心波長相同，則位於其連線上的成像區4-2像元具有與這兩個定標區4-1像元相同的中心波長；4)按照步驟3)所述方法確定成像區4-2每一行像元對應的中心波長。本發明的優點在於:光譜定標與成像同時完成，每幀成像都能獲得光譜定標數據，從根本上解決了以往定標與成像時儀器狀態不一致的問題，提高了定標數據的有效性。本發明探測器4的定標區4-1設在空間維兩側，針對一般色散成像光譜儀主要存在的位移型及旋轉型光譜漂移可以實現高精度定標，如附圖2所示。此外，定標區4-1像元尺寸小，因而譜段間隔比成像區4-2小一半，所以能夠捕捉更精細的光譜信息。再加上光譜標準濾光片2的光譜特徵，進而獲得很高的光譜定標精度。使用光纖3以及相對儀器體來說積較小的積分球I和光譜標準濾光片2，避免了單獨的定標光路，有效減輕了儀器的體積和複雜度。


:附圖1為本發明的總框圖。附圖2為光譜漂移示意圖。附圖3為實施例中光譜標準濾光片的光譜特徵圖。附圖4為實施例中探測器的結構示意圖。附圖5為實施例中CMOS探測器的具體設計框圖。
具體實施方式
:根據發明內容，本實施例構建了一套用於可見-近紅外波段色散型成像光譜儀的實時光譜定標裝置，如附圖1所示。其中各個部分的具體參數和設計如下:積分球:使用Labsphere公司的小型積分球3P-GPS-030-SF,直徑3英寸，出口 I英寸；光譜標準濾光片:使用美國Avian Technologies公司的WCT-2065,其光譜特性如附圖3所示，在400nnTl000nm的可見-近紅外範圍內有著豐富的光譜特徵峰；光纖:米用南京春暉科技實業有限公司生產的光纖,波長範圍400nnTl000nm。探測器:CM0S探測器，採用下文所述特殊設計。本實施例中CMOS探測器的結構如附圖4所示，具體設計框圖如附圖5所示。探測器通過邏輯控制部分控制行移位寄存器進行移位，選擇不同的讀出行；控制讀出移位寄存器進行移位，逐個輸出模擬信號。探測器成像時，每讀出一行圖像數據，就通過邏輯控制部分控制讀出兩行定標數據。像元信號經過相關雙採樣和列放大電路後，由讀出口向外輸出。本實施例CMOS探測器成像區的光譜維為64，空間維為512，像元尺寸30 μ m,譜段間隔IOnm ;兩側的定標區每行各有2個像元，沿光譜維一列有128個像元，像元尺寸15 μ m。則一幀圖像的大小為512X64，而對應一幀的光譜定標數據大小為(2+2) X 128，定標區域的譜段間隔為5nm。本發明可以使用的探測器不僅限於CMOS探測器。採用CXD或紅外焦平面器件時，成像區4-2和定標區4-1分別流片，然後拼接封裝在同一底座上或杜瓦內。成像區4-2和定標區4-1之間允許存在拼縫。
權利要求
1.一種實時在軌光譜定標裝置，包括積分球(1)，光譜標準濾光片(2)、光纖(3)及探測器(4)，其特徵在於: 積分球(I)的出射光經過光譜標準濾光片(2)後成為定標光，由光纖(3)引至被標定成像光譜系統(5)的狹縫兩端，定標光射入狹縫，經光譜儀成像在探測器(4)兩側的定標區(4-1)上，根據定標區(4-1)像元的光譜數據，對被標定成像光譜系統(5)進行光譜定標。
2.根據權利要求1所述的一種實時在軌光譜定標裝置，所述的積分球(I)採用小型積分球，直徑小於80mm,開口小於30mm,其光源有效發光譜段包含被標定成像光譜系統(5)的成像譜段。
3.根據權利要求1所述的一種實時在軌光譜定標裝置，所述的光譜標準濾光片(2)的直徑等於積分球開口直徑，通光譜段包含被標定成像光譜系統(5)的成像波段，光譜特性在儀器工作溫度範圍內保持穩定。
4.根據權利要求1所述的一種實時在軌光譜定標裝置，所述的光纖(3)的通光譜段包含被定標成像光譜系統(5)的成像譜段。
5.根據權利要求1所述的一種實時在軌光譜定標裝置，所述的探測器(4)分為定標區(4-1)和成像區(4-2 )，定標區(4-1)位於成像區(4-2 )空間維方向的兩端，每端設有1_2列，其像元尺寸為成像區(4-2)像元尺寸的一半。
6.一種基於權利要求1所述一種實時在軌光譜定標裝置的光譜定標方法，其特徵在於包括以下步驟: O儀器在軌運行，完成一次成像任務，探測器(4)的成像區(4-2)獲得光譜圖像數據，兩端定標區(4-1)獲得光譜定標數據； 2)根據光譜標準濾光片(2)的特徵峰，確定兩端定標區(4-1)每個像元對應的中心波長; 3)設一端定標區(4-1)像元Ai和另一端定標區(4-1)像元Bj對應的中心波長相同，則位於其連線上的成像區(4-2)像元具有與這兩個定標區(4-1)像元相同的中心波長； 4)按照步驟3)所述方法確定成像區(4-2)每一行像元對應的中心波長。
全文摘要
本發明公開了一種實時在軌光譜定標裝置及方法，用於色散型航空航天成像光譜儀的在軌定標。積分球的出射光經過光譜標準濾光片後成為定標光，由光纖引致成像光譜系統的狹縫兩端。定標光射入狹縫，經分光元件分光後投射在探測器兩端的邊緣部分。探測器的大部分區域為成像區，進行光譜成像；對應定標光的兩端邊緣區域為定標區，使用了特殊探測器設計，便於光譜定標。本發明在每一幀成像的同時，可以實時獲取該狀態下的光譜定標數據，提高了定標的有效性；採用探測器的特殊設計，提高了光譜定標精度；另外系統不需要設計額外的定標光路，減小了儀器的體積和複雜度。
文檔編號G01J3/28GK103148937SQ20131003953
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者郎均慰, 王躍明, 陳楊, 肖喜中, 鮑智康, 王晟瑋, 莊曉瓊, 王建宇 申請人:中國科學院上海技術物理研究所