一種可攜式光譜定標裝置及其光譜定標方法
2023-12-05 12:36:26
一種可攜式光譜定標裝置及其光譜定標方法
【專利摘要】本發明公開了一種可攜式光譜定標裝置及其光譜定標方法。定標裝置的激發光源模組包括光源、電池、振蕩電路和集光原件；照明面板為導光板和稜鏡板兩層結構，上層為稜鏡板，下層為導光板，導光板包括入光口、導光條和勻光板，勻光板的底面由若干個四面體單體構成，稜鏡板置於勻光板的上部；激發光源模組發出的雷射通過光纖傳輸到照明面板的入光口進入導光條。照明面板採用兩層結構，提供了具有一定均勻性的大面積且發散角控制的光源；導光板底部具有四面體微結構，使定標光源達到一定均勻程度，採用稜鏡板控制光發散角度，並能提高光能利用率。本發明提供的光譜定標裝置，體積小，重量輕，便於野外成像光譜儀定標使用。
【專利說明】一種可攜式光譜定標裝置及其光譜定標方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光譜定標裝置，特別涉及一種適用於外場的可攜式光譜定標裝置。
【背景技術】
[0002]目前，成像光譜儀在農業生產管理、資源調查、生物醫療等領域取得了廣泛的應用。但隨著光學、電子、計算機等技術的發展，成像光譜儀的光譜解析度可以做的很高，伴隨著成像光譜儀性能的提高，成像光譜儀的光譜定標精度也要求越來越高，這要求成像光譜儀使用前進行光譜定標，以提高光譜數據的可靠性。目前實驗室光譜定標設備都是基於單色儀波長掃描和光譜燈完成，基於單色儀定標設備與定標方法複雜，很難在野外、機載或星載使用，光譜燈很難提供均勻和大口徑系統地的照明。目前機載或星載成像光譜儀採用的光譜定標設備都是基於濾光片或反射板的方法進行光譜定標。美國專利US006111640A公開了一種採用反射板 的定標方法，利用反射板材料的吸收特徵進行光譜定標。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是針對現有技術存在的不足，提供一種體積小，重量輕，便於野外攜帶，易於操作，可實現高精度光譜定標的光譜定標裝置及其光譜定標方法。
[0004]本發明的技術方案是提供光譜定標裝置，包括激發光源模組、光纖和照明面板；所述的激發光源模組包括光源、電池、振蕩電路和集光原件；所述的照明面板為導光板和稜鏡板兩層結構，上層為稜鏡板，下層為導光板，導光板包括入光口、導光條和勻光板，勻光板的底面由若干個四面體單體構成，稜鏡板置於勻光板的上部；激發光源模組發出的雷射通過光纖傳輸到照明面板的入光口進入導光條。
[0005]本發明所述的光源為汞燈、汞氬燈或汞鎘燈中的一種；所述的四面體為正四面體；所述的集光原件為聚光鏡透鏡、背面光反射鏡中的一種，或它們的組合。
[0006]本發明技術方案還包括採用上述可攜式光譜定標裝置的光譜定標方法，包括如下步驟:
(1)將定標裝置的照明面板的上層稜鏡板緊貼於成像光譜儀的前置物鏡的鏡頭前，使成像光譜儀狹縫方向平行於稜鏡板的槽形方向；
(2)打開光譜定標裝置的光源前，採集#幅暗背景圖像，N^ 10，進行平均處理，得到背
景噪聲；
(3)打開光譜定標裝置的光源，成像光譜儀採集照明面板發出的光信號，得到激發光源的輻射譜線圖像；
(4)對得到的圖像數據進行預處理後，再進行高斯擬合，得到成像光譜儀的譜線峰值位置及半峰值寬度；
(5)採用多項式擬合處理，得到成像光譜儀的譜面的波長與像元對應關係及半峰值寬度，用於光譜定標。[0007]步驟(3)為通過#幅圖像平均降低隨機噪聲，#≥10，剩餘噪聲通過對每個通道的譜線Savitzky-Golay法平滑濾波處理，並去除背景噪聲，得到保留光譜特徵的降噪聲激發譜線圖像。
[0008]在定標時，定標裝置的照明面板的上層稜鏡板與成像光譜儀的前置物鏡的鏡頭間設置去雜光遮光裝置。
[0009]步驟(5)中採用η次多項式擬合，η為3。
[0010]本發明提供的光譜定標裝置的工作原理是；根據成像光譜儀工作光譜範圍確定電路、集光元件等；電池提供電路的工作電壓，振蕩電路部分把低壓轉換成高頻高壓，使汞、氬等物質產生激發譜線。光纖用於把雷射光源產生的光傳輸到照面面板上，光纖數值孔徑及其口徑根據光耦合需要確定；照明面板用於把光進行均勻處理，照明面板具有兩層結構，一層為導光板，一層為稜鏡板，導光板對光進行均勻散射處理，稜鏡板用於限制散射視場，在狹縫寬度對應的方向上限制發散視場，使大部分能量集中於一定發散角內，在狹縫長度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導光板，其底部採用微型四面體結構的排布，能夠使光均勻反射，導光板上層採用稜鏡板，通過稜鏡槽深、槽頂角來控制發散角度。
[0011]聚光鏡透鏡的材料根據光譜波段選擇，如在紫外-短波紅外波段可選擇石英玻璃；光源可採用汞燈(Hg)、汞氬燈(HgAr)、汞鎘燈(HgCd)等；背面光反射鏡的凹面鍍有寬波段高反射膜，振蕩電路產生高頻高壓的振蕩電路，頻率為Ik Hz以上，電壓為600V左右，電池可採用市面上常用的9V電池。
[0012]本發明提供的照明面板其上層為稜鏡板，下層為導光板，導光板的底面由四面體微結構單元構成；導光板對光進行均勻散射處理，稜鏡板用於限制散射視場，在狹縫寬度對應的方向上限制發散視場，使大部分能量集中於一定發散角內，在狹縫長度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導光板底部採用四面體結構的排布，能夠使光均勻反射，導光板上層採用稜鏡板，通過稜鏡槽深、槽頂角來控制發散角度。
[0013]本發明提供的光譜定標裝置，其定標方法包括如下步驟:
1、把定標裝置緊貼於成像光譜儀前置物鏡前，照明板與鏡頭間可採取遮光措施，防止雜光影響定標精度；
2、在定標光源打開前採集多幅暗背景圖像，用於後期本底去除；
3、採集激發光源輻射譜線圖像，可通過多幅圖像平均，降低隨機噪聲，剩餘噪聲通過平滑濾波處理，降低噪聲對定標精度的影響；
4、數據預處理後進行高斯擬合，確定譜線峰值位置及其半峰值寬度；
5、通過多項式擬合，確定整個譜面的波長與像元對應關係及其半峰值寬度，進而確定光譜彎曲等指標。
[0014]本發明提供的光譜定標裝置的工作原理是；根據成像光譜儀工作光譜範圍確定電路、集光元件等；電池提供電路的工作電壓，振蕩電路部分把低壓轉換成高頻高壓，使汞、氬等物質產生激發譜線。光纖用於把雷射光源產生的光傳輸到照面面板上，光纖數值孔徑及其口徑根據光耦合需要確定；照明面板用於把光進行均勻處理，照明面板具有兩層結構，一層為導光板，一層為稜鏡板，導光板對光進行均勻散射處理，稜鏡板用於限制散射視場，在狹縫寬度對應的方向上限制發散視場，使大部分能量集中於一定發散角內，在狹縫長度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導光板，其底部採用微型四面體結構的排布，能夠使光均勻反射，導光板上層採用稜鏡板，通過稜鏡槽深、槽頂角來控制發散角度。
[0015]聚光鏡透鏡的材料根據光譜波段選擇，如在紫外-短波紅外波段可選擇石英玻璃；光源可採用汞燈(Hg)、汞氬燈(HgAr)、汞鎘燈(HgCd)等；背面光反射鏡的凹面鍍有寬波段高反射膜，振蕩電路產生高頻高壓的振蕩電路，頻率為Ik Hz以上，電壓為600V左右，電池可採用市面上常用的9V電池。
[0016]本發明提供的照明面板其上層為稜鏡板，下層為導光板，導光板的底面由四面體微結構單元構成；導光板對光進行均勻散射處理，稜鏡板用於限制散射視場，在狹縫寬度對應的方向上限制發散視場，使大部分能量集中於一定發散角內，在狹縫長度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導光板底部採用四面體結構的排布，能夠使光均勻反射，導光板上層採用稜鏡板，通過稜鏡槽深、槽頂角來控制發散角度。
[0017]與現有技術相比，本發明取得的有益效果是:
1、發明的光譜定標裝置，體積小，重量輕，便於野外成像光譜儀定標使用，採用電池供電的激發光源作為定標源，光源具有若干條線狀譜線，利用光纖導光消除採用反射鏡或透鏡等進行光傳輸的不利因素，利用照明面板進行光均勻處理，滿足光譜定標口徑、視場要求。
[0018]2、照明面板採用兩層設計，降低光能損耗，提供一定均勻性的大面積且發散角控制的光源，導光板底部具有四面體微結構，使定標光源達到一定均勻程度，採用稜鏡板控制光發散角度，並能提高光能利用率。
[0019]3、利用發明提供的光譜定標裝置進行非掃描成像，不需要任何運動部件，能夠完成整個焦面光譜定標；數據預處理採用Savitzky-Golay濾波器去除噪聲的影響同時能夠保留譜線分布特性，運用高斯擬合迭代算法尋找各譜線對應的峰值像元位置，運用多項式擬合焦面光譜方向上波長對應的像元位置，並計算成像光譜儀整個焦面對應的中心波長及光譜解析度，定量分析光譜彎曲等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明實施例提供的光譜定標裝置的結構示意圖；圖中，101為均勻照明面板，102為光纖，103為激發光源模組；
圖2為本發明實施例提供的光譜定標裝置中的照明板的結構示意圖；圖中，1011A為入光口、1011B為導光條、1011C為勻光板、1012為稜鏡板；
圖3為本發明實施例提供的光譜定標裝置中均光板採用的四面體微結構底面的結構示意圖；
圖4為四面體微結構單元的結構示意圖；
圖5為本發明實施例提供的光譜定標裝置中的照明板採用的稜鏡板的結構示意圖；
圖6為光譜定標裝置中採用的光源模組；圖中，103A為聚光鏡透鏡，103B為發光體，103C為背面光反射鏡，103D產生高頻高壓的振蕩電路，103E為電池；
圖7為本發明提供的光譜定標方法的流程圖；
圖8為CXD成像光譜儀通獲取的HgCd光源的二維譜線圖；
圖9為譜線對應的探測器響應值及其高斯擬合曲線。【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步的闡述。
[0022]實施例1
參見附圖1，為本發明提出的光譜定標裝置，主要是三部分組成，101為均勻照明面板，102為光纖，103為激發光源模組。
[0023]照明面板的結構如圖2所不，下層為導光板，導光板由入光口 1011A、導光條1011B、勻光板1011C組成。1011C底面為四面體微結構，稜鏡板1012放置於勻光板1011C上部。進光口 1011A，把光纖傳輸的光導入到導光條1011B ;導光條1011B用於把從1011A進入的光反射到勻光板1011C，為提高光的利用率，導光條側面做成一定傾角，並且鍍寬波段高反射膜；勻光板1011C用把1011B發射的光進行均勻化處理，為提高勻光效果和控制勻光角度，勻光板底面採用微結構形式。四面體微結構單元依次緊密、整齊排列呈矩陣，分布在勻光板的底部。
[0024]參見附圖3和4，它們分別為本實施例提供的均光板採用的四面體微結構底面的結構示意圖及四面體微結構單元的結構示意圖；每個微結構形式如圖4，Hl為頂角深度，L為等邊三角邊長，經過優化，四面體選擇用正四面體，Z選取為IOOMmjl為81.6Mm。
[0025]圖5為稜鏡板1012,放置於勻光板1011C上部,用於在一維方向限制光散射角度，當設置α為鈍角時比銳角更有較高的控制能力，一般在稜鏡材η=1.5時，鈍角設置為120度左右，發散角度β可控制在70度左右，根據全反射原理，部分不滿足條件的光線會反射回勻光板，經勻光反射後稜鏡高度慫對光均勻性有一定影響，一般設置為50um，D為稜鏡高度和基底的厚度總和，其值可根據具體工藝確定。
[0026]導光板對光進行均勻散射處理，稜鏡板用於限制散射視場，在狹縫寬度對應的方向上限制發散視場，使大部分能量集中於〈100°的發散角度以內，在狹縫長度方向具有接近朗伯特性的散射光，為此導光板底部採用微型四面體結構的排布，頂角深度50?100 μ m,邊長為50?150 μ m,導光板上層採用稜鏡板,通過稜鏡槽深30?60 μ m、槽頂角100° ?130°。
[0027]圖6提供了光源模組的構成，聚光鏡透鏡103A材料根據光譜波段選擇，如在紫外-短波紅外波段可選擇石英玻璃；光源採用原子激發光源，發光體103B可採用汞燈(Hg)、汞氬燈(HgAr)、汞鎘燈(HgCd)等，在200?IOOOnm內具有多條特徵譜線，激發光源由電池提供電路的工作電壓，其電路部分把低壓轉換成高頻高壓，使汞、氬等物質產生激發譜線。採用光纖用於把雷射光源產生的光傳輸到照面面板上，光纖數值孔在0.18?0.5範圍；背面光反射鏡103C凹面鍍有寬波段高反射膜，電路103D採用振蕩電路產生高頻高壓，頻率為Ik Hz以上，電壓為600V左右，電池103E可採用市面上常用的9V電池。
[0028]當輸入HgCd譜線燈作為本定標裝置的光源，對?Inm解析度的CXD成像光譜儀定標時，根據本發明提供的光譜定標裝置，提出了相應的定標方法。參見附圖7，給出了利用本實施例提供的裝置進行光譜定標的方法的流程圖。定標前把光譜定標裝置直接緊貼於成像光譜儀前，並做適當擋光措施，防止環境光進入成像光譜儀影響定標結果，光譜定標的流程為:
1、步驟201為背景採集，定標光源關閉時採集圖像背景，用於後期圖像本底扣除；
2、步驟202為光譜數據採集，定標光源打開，採集激發光譜線，在成像光譜儀焦平面上獲得平行於狹縫的多條譜線；
3、步驟203為平滑去噪處理，由於受噪聲、非均勻響應等影響，原始數據在定標處理前需要進行本底扣除和平滑去噪處理，平滑去噪處理採用Savitzky-Golay濾波法，此濾波器是基於多項式，通過移動窗口利用最小二乘法進行最佳擬合的方法，能夠保留譜線相對極大值、極小值和寬度等分布特性。通過構造一個η階多項式來擬合探測器平面上光譜維上的一行數據yi，i的取值為2m+1個連續的整數，i=_m,…，O,…m,且m≥(n_l)/2,則得到式
(I)如下:
【權利要求】
1.一種可攜式光譜定標裝置，其特徵在於:它包括激發光源模組、光纖和照明面板；所述的激發光源模組包括光源、電池、振蕩電路和集光原件；所述的照明面板為導光板和稜鏡板兩層結構，上層為稜鏡板，下層為導光板，導光板包括入光口、導光條和勻光板，勻光板的底面由若干個四面體單體構成，稜鏡板置於勻光板的上部；激發光源模組發出的雷射通過光纖傳輸到照明面板的入光口進入導光條。
2.根據權利要求1所述的一種可攜式光譜定標裝置，其特徵在於:所述的光源為汞燈、汞氬燈或汞鎘燈中的一種。
3.根據權利要求1所述的一種可攜式光譜定標裝置，其特徵在於:所述的四面體為正四面體。
4.根據權利要求1所述的一種可攜式光譜定標裝置，其特徵在於:所述的集光原件為聚光鏡透鏡、背面光反射鏡中的一種，或它們的組合。
5.一種如權利要求1所述的可攜式光譜定標裝置的光譜定標方法，其特徵在於包括如下步驟: (1)將定標裝置的照明面板的上層稜鏡板緊貼於成像光譜儀的前置物鏡的鏡頭前，使成像光譜儀狹縫方向平行於稜鏡板的槽形方向； (2)打開光譜定標裝置的光源前，採集#幅暗背景圖像，N^ 10，進行平均處理，得到背景噪聲； (3)打開光譜定標裝置的光源，成像光譜儀採集照明面板發出的光信號，得到激發光源的輻射譜線圖像； (4)對得到的圖像數據進行預處理後，再進行高斯擬合，得到成像光譜儀的譜線峰值位置及半峰值寬度； (5)採用多項式擬合處理，得到成像光譜儀的譜面的波長與像元對應關係及半峰值寬度，用於光譜定標。
6.根據權利要求5所述的一種可攜式光譜定標裝置的光譜定標方法，其特徵在於:步驟(3)為通過#幅圖像平均降低隨機噪聲，# ^ 10，剩餘噪聲通過對每個通道的譜線Savitzky-Golay法平滑濾波處理，並去除背景噪聲，得到保留光譜特徵的降噪聲激發譜線圖像。
7.根據權利要求5所述的一種可攜式光譜定標裝置的光譜定標方法，其特徵在於:定標裝置的照明面板的上層稜鏡板與成像光譜儀的前置物鏡的鏡頭間設置去雜光遮光裝置。
8.根據權利要求5所述的一種可攜式光譜定標裝置的光譜定標方法，其特徵在於:步驟(5)採用η次多項式擬合，η為3。
【文檔編號】G01J3/28GK103983356SQ201410237318
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】周建康, 陳新華, 陳宇恆, 季軼群, 沈為民 申請人:蘇州大學