成像光譜儀的自動光譜定標系統及方法

2023-05-13 08:24:16 2

專利名稱：成像光譜儀的自動光譜定標系統及方法
技術領域：
本發明屬於應用光學領域中的成像光譜定標，具體地說，涉及一種光機電一體化並包含光源、斬波器、單色儀、平行光管、成像光譜儀頭部及前放、多路開關與單色儀控制模塊、鎖相放大器、計算機及系統控制、數據採集與分析模塊的成像光譜儀自動光譜定標系統。以及成像光譜儀的自動光譜定標方法。
背景技術：
二十世紀八十年代出現的成像光譜技術，把二維成像技術和光譜技術有機地結合起來，不僅能對物體進行形態成像，而且還能提供豐富的光譜信息；通過測量圖像中每個象素的光譜，能夠識別視覺上不明顯的顏色差異，人們可以通過複雜的算法從分析的圖像中提取最大的信息量。集成像與光譜為一體的成像光譜儀能夠在連續光譜段上對同一地物進行分光譜的同時成像，即在探測物體空間特徵的同時將各個空間象元色散形成5-10nm光譜解析度的光譜信息，從而能從圖譜合一的影像立方體上的任一象元得到類似於實驗室光譜儀測量物質的光譜曲線。成像光譜數據可以對觀測目標在幾何形狀和光譜特徵兩個方面進行分析和識別。由於成像光譜技術具有光譜解析度高、波段多、圖像與光譜相結合等優點，因而使得它一出現就受到了極大的重視，並在生態、地質、礦產、海洋、陸地水資源、冰雪和大氣環境等各遙感領域得到了廣泛的應用。
隨著成像光譜技術的發展，定量化分析的需求越來越強烈，僅僅通過目標輻射的相對強弱進行影像分析已無法滿足實際應用的需要，只有遙感數據定量化，才能更好地對地物的物理性質做出判斷，定量化已經成為遙感發展的必然趨勢。為了實現成像光譜應用的定量化，遙感儀器首先必須自我標定。對於每一臺成像光譜遙感儀器，自身的定標過程必不可少。此外，由於外界環境、溫度、衝擊等的影響和成像光譜儀自身光學、機械、探測器的性能隨著時間的變化，成像光譜儀的系統響應會發生變化，為了獲取正確的定量數據，必須對儀器進行經常性的定標。如果同一儀器在不同時段獲取的信息，或不同遙感儀器對同一地物獲取的信息不能有效地進行對比，那麼成像光譜技術的發展便有了阻礙。為了反演地物的光譜曲線，有必要對成像光譜儀進行光譜定標，以確定成像光譜儀各個通道的中心波長位置和通道光譜帶的寬度。光譜定標作為成像光譜儀定標的第一步具有重要的意義，是進一步開展輻射定標的基礎。
二十世紀九十年代，中國上海技術物理研究所研製了一套半自動的成像光譜儀光譜定標系統，該系統只能採集單個通道的光譜響應曲線，並且使用ISA總線傳遞採集數據。此外，由於光譜定標中，成像光譜儀各個通道出來的峰值響應幅度不一，高達100倍之多，只得靠經驗來確定每個通道相應的鎖相放大器靈敏度。上述缺陷給成像光譜儀的光譜定標帶來了很大的麻煩。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠對成像光譜儀自動光譜定標的新方法，為成像光譜儀的輻射定標、數據量化提供方便。並提供一套實現這種新方法的成像光譜儀自動光譜定標實用系統。
本發明採用模塊化集成技術構思，把光源、斬波器、單色儀、平行光管、成像光譜儀頭部及前放、多路開關與單色儀控制器、鎖相放大器有機的組合在一起，構成一套實用化的成像光譜儀自動光譜定標系統，解決了單通道光譜定標、採用ISA數據採集、靈敏度的選擇等問題，具有一定的實用性。
本發明是利用光源、斬波器、單色儀和平行光管產生調製的充滿成像光譜儀孔徑的單色光，單色光經過45°反射鏡、成像光譜儀頭部的光學系統會聚到探測器的靈敏單元上，輸出響應經過成像光譜儀前放、多路開關與單色儀控制模塊進入鎖相放大器，鎖相放大器的輸出結果通過RS232串口傳送到計算機中；對每一個光譜通道，多路開關與單色儀控制模塊控制單色儀掃描相應的波長範圍，得到單個通道的光譜響應曲線；前一個通道掃描完成後，多路開關與單色儀控制模塊切換到下一個通道開始掃描，掃描波長起始值為上一個通道波長掃描起始值加上上一個通道的半高寬。循環進行，這樣，最終得到成像光譜儀所有通道的光譜響應曲線。


圖1是本發明的工作原理示意圖；圖2是系統的結構模塊框圖。
具體實施例方式下面根據圖1和圖2給出本發明一個較好實施例，用以說明本發明的結構特徵，技術性能和功能特點，而不是用來限定本發明的範圍。
系統採用模塊化集成的技術構思，系統的主要技術指標如下●通道波長掃描範圍30nm●波長步進間隔1nm●中心波長解析度優於1nm●掃描速度3分鐘/通道。
系統包括如下幾個部分
1)光源選用溴鎢燈做光源，其光譜範圍從400nm-2500nm。
2)斬波器採用中國上海技術物理研究所研製的斬波器，頻率360±1Hz，避開工頻幹擾。
3)單色儀採用中國北京光學儀器廠生產的WDG30-2型掃描單色儀。其主要技術指標波長範圍為190-900nm(可擴展為190nm-20μm)；光柵採用平面光柵1200條/mm，刻線面積50*50mm2，閃爍波長λb＝500nm(可按用戶要求選配其它規格的光柵)；波長準確度為±0.2nm(1200線/mm光柵)；波長重複性為0.1nm(1200線/mm光柵)；焦距為300mm；相對孔徑D/f＝1/6；解析度＜0.1nm(1200線/mm光柵)；線色散倒數為2.7nm/mm(1200線/mm光柵)。
4)平行光管選用的平行光管焦距為2m，孔徑250mm。
5)45°反射鏡選用的45°反射鏡孔徑為250mm。
6)成像光譜儀頭部及前放本發明中的實驗採用的成像光譜儀是中國上海技術物理研究所研製的第二代功能型模塊化成像光譜儀，共64個光譜通道，成像系統的口徑為200mm。
7)多路開關與單色儀控制模塊此模塊採用Philips半導體的P89C669單片機，利用單片機的兩個UART口分別與計算機和單色儀相連，用於與計算機通信和控制單色儀、切換多路開關。採用四片Analog Devices Inc.公司的ADG732，可以一次性對128個光譜通道的成像光譜儀進行光譜定標。
8)鎖相放大器採用Signal Recovery公司的SR5105型鎖相放大器。其主要技術指標工作頻率為5Hz-20kHz；靈敏度滿量程範圍為10μV-1V；輸入阻抗為10MΩ/30pF； 共模抑制比(1KHz)＞40dB；濾波器有高通濾波器和低通濾波器；輸出總動態範圍＞80dB；時間常數0.3ms-10s；接口為RS232。
9)系統控制、數據採集和處理軟體系統控制、數據採集和處理軟體在Labview8.0環境下開發完成，運行平臺為Windows 2000。
系統控制軟體主要實現以下功能選擇所有通道掃描或者一段通道掃描或者單個通道掃描，硬體控制等。
數據採集軟體主要實現以下功能數據採集，實時圖像顯示等。
數據處理軟體主要實現對採集到的數據進行高斯擬合，高斯曲線顯示，數據存儲等。
整個系統的工作流程是溴鎢燈光源1發出的白光聚光後經過斬波器2入射到單色儀3的輸入狹縫，從單色儀3輸出狹縫出來的單色光經平行光管4擴束後反射充滿成像光譜儀口徑，經過成像光譜儀頭部光學系統5、6的會聚，單色光落在探測器的靈敏單元上，探測單元做出響應，從成像光譜儀前放出來的響應信號經過多路開關7的選擇進入鎖相放大器8，鎖相放大器8檢測出來的信號通過RS232串口92輸入計算機9。計算機9和多路開關與單色儀控制模塊7之間進行通信，使多路開關與單色儀控制模塊控制單色儀在相應波長範圍內以1nm的步長進行掃描，對應地，計算機9還通過鎖相放大器8採集成像光譜儀每個通道的光譜響應，從而得到通道的離散光譜響應曲線。對數據做高斯擬合，得到通道的光譜響應函數，進而精確地得到每個通道的響應中心波長和半高寬。將數據記錄到計算機9的硬碟，並將每個通道的光譜響應曲線送到顯示設備顯示。
權利要求
1.一種把成像光譜儀光譜定標技術與自動控制技術相結合，以形成自動光譜定標的方法，包括步驟S1.利用多路開關與單色儀控制模塊對成像光譜儀所有通道進行自動切換，當完成某一個光譜通道的光譜響應曲線採集之後，該多路開關與單色儀控制模塊選擇切換到成像光譜儀的下一個光譜通道；S2.利用自帶兩個RS232串口的普通計算機控制單色儀、鎖相放大器、多路開關與單色儀控制模塊三個部分。
2.一種成像光譜儀自動光譜定標系統包括光源(1)、斬波器(2)、單色儀(3)、平行光管(4)、45°反射鏡(5)、成像光譜儀頭部及前放(6)、多路開關與單色儀控制模塊(7)、鎖相放大器(8)、及系統控制、數據採集與分析模塊，其特徵在於單色光經過光學系統匯聚到成像光譜儀頭部的探測器靈敏單元上，輸出響應經過成像光譜儀前放、多路開關與單色儀控制模塊(7)進入鎖相放大器(8)，相干檢測的結果通過RS232串口傳送到計算機(9)中；對每一個光譜通道，多路開關與單色儀控制模塊(7)控制單色儀掃描一定的波長範圍，得到單個通道的光譜響應曲線；前一個通道掃描完成後，多路開關與單色儀控制模塊(7)切換到下一個通道得到相應的光譜響應曲線，從而實現了成像光譜儀自動光譜定標。
3.根據權利要求2所述的成像光譜儀自動光譜定標系統，其特徵在於計算機(9)通過一個RS232串口(91)控制多路開關與單色儀控制模塊(7)；通過另一個RS232串口(92)控制鎖相放大器(8)。
4.根據權利要求2所述的成像光譜儀自動光譜定標系統，其特徵在於成像光譜儀通道波長掃描範圍的起始值為前一個通道波長掃描起始值與前一個通道半高寬之和。
5.根據權利要求2所述的成像光譜儀自動光譜定標系統，其特徵在於根據通道峰值波長響應值的大小自動調整鎖相放大器(8)的靈敏度範圍。
6.根據權利要求2所述的成像光譜儀自動光譜定標系統，其特徵在於平行光管(4)的孔徑比多路開關與單色儀控制模塊(7)的成像光譜的孔徑大。
全文摘要
一種成像光譜儀自動光譜定標系統，屬於應用光學領域的成像光譜儀光譜定標技術，特別是把光譜定標和自動控制相結合的集成系統，其中成像光譜儀自動光譜定標系統由光源、斬波器、單色儀、平行光管、成像光譜儀頭部及前放、多路開關與單色儀控制器、鎖相放大器、計算機及系統控制、數據採集與分析軟體構成。提供成像光譜儀所有通道的光譜響應曲線、中心波長以及半高寬，可以十分方便地對成像光譜儀進行光譜定標，為成像光譜儀的輻射定標、數據定量化提供依據。
文檔編號G01N21/25GK101055246SQ20071004055
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月11日 優先權日2007年5月11日
發明者楊宜, 肖功海, 舒嶸 申請人:中國科學院上海技術物理研究所