寬譜段二維色散高速成像光譜儀的製作方法
2023-10-09 11:41:39
寬譜段二維色散高速成像光譜儀的製作方法
【專利摘要】一種寬譜段二維色散高速成像光譜儀包含一個望遠鏡、一個色散系統、一個成像鏡頭、一個面陣探測器、和數據處理系統；色散系統包括三個稜鏡(即第一稜鏡、第二稜鏡和第三稜鏡)；第一稜鏡主要對近紅外波段沿豎直方向進行色散；第二稜鏡主要對中波紅外波段沿水平方向進行色散；第三稜鏡對近紅外至中波紅外波段沿與豎直方向夾角為ω的方向進行色散；第三稜鏡主要用於控制第一稜鏡和第二稜鏡所引起的光束偏轉以及畸變放大率。這種二維色散成像光譜儀結構採用無源凝視模式，可獲得二維色散圖、被測目標的光譜-時間特徵，可得到目標的空間位置和光譜成分。這種成像光譜儀可對多個目標進行實時探測與定位，具有寬光譜範圍、高定位精度、高時間解析度、無運動部件、結構緊湊、體積小等優點，適用於對光譜特徵和空間位置快速變化的目標進行實時探測、定位與識別。
【專利說明】寬譜段二維色散高速成像光譜儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種成像光譜儀，具體涉及一種應用於對光譜特徵和空間位置快速變化的目標進行實時探測、定位與識別的寬譜段二維色散高速成像光譜儀。
【背景技術】
[0002]空間探測是現代空間信息獲取的重要途徑，空間成像技術是目前空間信息獲取和保障的主要技術手段，而光譜成像技術則是空間成像技術中的前沿技術。
[0003]傳統的光譜成像技術均是利用掃描技術獲取二維空間信息和一維光譜信息的數據立方體:要麼把光譜成分分散在一個二維的面上並通過按時間掃描構成圖像(例如色散成像光譜儀和空間調製成像光譜儀)，要麼獲取全幀圖像並按時間掃遍光譜成分(例如傅立葉變換成像光譜儀，法布裡-珀羅、聲光可調濾光片成像光譜儀)。
[0004]傳統的光譜成像技術適用於空間位置不發生變化的靜態目標的探測，可以很好地探測空間位置已知的目標，但當一個目標的空間位置與發生時間均未知時，必須在整個視場範圍內進行快速掃描以獲取目標特徵，則任何一個給定像素的積分時間受到限制、探測器噪聲將湮沒信號，從而使儀器的信噪比大大降低。另一方面，當目標光譜特徵隨時間快速變化時，由於傳統的光譜成像技術是利用掃描技術獲取空間信息和光譜信息，則傳統的光譜成像技術無法對光譜特徵快速變化的目標進行實時探測與識別。
[0005]總之，傳統的光譜成像技術不適用於對空間位置和光譜特徵快速變化的目標(如爆炸、快速燃燒等)進行實時探測、定位與識別。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種寬譜段二維色散高速成像光譜儀，其解決了【背景技術】中對光譜特徵和空間位置快速變化目標進行實時探測、定位與識別的技術問題。寬譜段二維色散高速成像光譜儀是一種採用新原理的光譜成像技術，它採用無源凝視模式，可獲得二維色散圖、對目標進行實時定位，並記錄下被測目標的光譜-時間特徵，從而將目標識別並分類。寬譜段二維色散高速成像光譜儀可對多個目標進行實時探測與定位，並具有寬光譜範圍、高定位精度、高時間解析度、無運動部件、結構緊湊、體積小等優點。
[0007]本發明的技術解決方案是:
[0008]一種寬譜段二維色散高速成像光譜儀，包括設置在入射光束光路上的一個望遠鏡；還包括設置在上述望遠鏡出射光束光路上的一個色散系統；還包括設置在上述色散系統出射光束光路上的一個成像鏡頭；還包括面陣探測器、以及數據處理系統；
[0009]其特徵在於:
[0010]所述的色散系統包括三個稜鏡；所述的第一稜鏡為一個主要對近紅外波段沿豎直方向進行色散的稜鏡；所述的第一稜鏡對中波紅外波段色散較小；所述的第二稜鏡為一個主要對中波紅外波段沿水平方向進行色散的稜鏡；所述的第二稜鏡對近紅外波段色散較小；所述的第三稜鏡為一個對近紅外至中波紅外波段沿與豎直方向夾角為ω的方向進行色散的稜鏡；所述的第三稜鏡主要用於控制第一稜鏡和第二稜鏡所引起的光束偏轉以及畸變放大率。
[0011]上述的寬譜段二維色散高速成像光譜儀可為:所述的第一稜鏡的材料為硫化鋅(ZnS)或硒化鋅(ZnSe);所述的第二稜鏡的材料為藍寶石(Al2O3);所述的第三稜鏡的材料為氟化鈣(CaF2);所述的面陣探測器為InSb探測器。
[0012]本發明的優點在於:
[0013]1.可同時對多個目標進行實時探測、定位，只需一幀數據即可確定多個目標的位置。
[0014]2.寬光譜範圍(1.0-5.5 μ m)。
[0015]3.高定位精度，可獲得亞像素定位精度。
[0016]4.高時間解析度，因該二維色散成像光譜儀採用無源凝視模式。
[0017]5.無運動部件。
[0018]6.結構緊湊，體積小，重量輕。
[0019]7.不進行傳統意義上的成像，不依賴於被測目標的空間特性，其孔徑尺寸不受空間解析度要求的限制，可使儀器體積小，同時可提高儀器的信噪比。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明結構原理示意圖。
[0021]圖2為硒化鋅(ZnSe)、藍寶石(Al2O3)、氟化鈣(CaF2)在近紅外至中波紅外波段的色散曲線。
[0022]圖3為該寬譜段二維色散高速成像光譜儀可獲得的二維色散圖。
[0023]圖4為二維色散圖與非色散成像位置(NDIL)之間的關係圖。
[0024]圖5為同時探測兩個目標時，一幀數據中兩個目標的二維色散圖。
[0025]圖6為同時探測三個目標時，一幀數據中三個目標的二維色散圖。
【具體實施方式】
[0026]寬譜段二維色散高速成像光譜儀包含一個望遠鏡、一個色散系統、一個成像鏡頭、一個面陣探測器、和數據處理系統；色散系統包括三個稜鏡(即第一稜鏡、第二稜鏡和第三稜鏡，如圖1所示)；第一稜鏡主要對近紅外波段沿豎直方向進行色散；第二稜鏡主要對中波紅外波段沿水平方向進行色散；第三稜鏡對近紅外至中波紅外波段沿與豎直方向夾角為ω的方向進行色散；第三稜鏡主要用於控制第一稜鏡和第二稜鏡所引起的光束偏轉以及畸變放大率。
[0027]實施方式1:第一稜鏡的材料為硒化鋅(ZnSe);第二稜鏡的材料為藍寶石(Al2O3)；第三稜鏡的材料為氟化鈣(CaF2);面陣探測器為InSb探測器。
[0028]實施方式2:第一稜鏡的材料為硫化鋅(ZnS);第二稜鏡的材料為藍寶石(Al2O3)；第三稜鏡的材料為氟化鈣(CaF2);面陣探測器為InSb探測器。
[0029]對於上述任何一種實施方式，被測目標發出的輻射光譜經望遠鏡收集並轉化為平行光束，該平行光束經色散系統色散後、由成像鏡頭成像在面陣探測器上，這些色散波長成像位置形成一個二維色散圖，參見圖3，同時記錄下各個波長在探測器上所成像點的強度值，可得到被測目標的光譜-時間特徵；爾後由數據處理系統進行相關數據處理，可得到目標的空間位置和光譜成分，從而達到對目標進行實時探測、定位與識別。
[0030]當被測目標發出的輻射光譜經過色散系統時，第一稜鏡主要對近紅外波段沿豎直方向進行色散、對中波紅外波段色散較小；第二稜鏡主要對中波紅外波段沿水平方向進行色散、對近紅外波段色散較小；第三稜鏡對近紅外至中波紅外波段進行色散、其色散方向與豎直方向夾角為ω ;第三稜鏡主要用於控制第一稜鏡和第二稜鏡所引起的光束偏轉以及畸變放大率。
[0031]假設α為第一稜鏡的頂角，β為第二稜鏡的頂角，Y為第三稜鏡的頂角！Ii1Oi)為第一稜鏡對波長λ i的折射率，n2 ( λ j)為第二稜鏡對波長λ j的折射率，η3(λ j)為第三稜鏡對波長λ J的折射率；f為成像鏡頭的焦距；Φ為望遠鏡出射光束與光軸在子午面內的夾角，P為望遠鏡出射光束與光軸在弧矢面內的夾角。
[0032]在面陣探測器上，色散波長成像位置的y軸坐標為
[0033]
【權利要求】
1.一種寬譜段二維色散高速成像光譜儀，包括設置在入射光束光路上的一個望遠鏡；還包括設置在上述望遠鏡出射光束光路上的一個色散系統；還包括設置在上述色散系統出射光束光路上的一個成像鏡頭；還包括面陣探測器、以及數據處理系統； 其特徵在於: 所述的色散系統包括三個稜鏡(即第一稜鏡、第二稜鏡和第三稜鏡)；所述的第一稜鏡為一個主要對近紅外波段沿豎直方向進行色散的稜鏡；所述的第一稜鏡對中波紅外波段色散較小；所述的第二稜鏡為一個主要對中波紅外波段沿水平方向進行色散的稜鏡；所述的第二稜鏡對近紅外波段色散較小；所述的第三稜鏡為一個對近紅外至中波紅外波段沿與豎直方向夾角為ω的方向進行色散的稜鏡；所述的第三稜鏡主要用於控制第一稜鏡和第二稜鏡所引起的光束偏轉以及畸變放大率。
2.根據權利要求1所述的寬譜段二維色散高速成像光譜儀，其特徵在於:所述的第一稜鏡的材料為硫化鋅(ZnS)或硒化鋅(ZnSe);所述的第二稜鏡的材料為藍寶石(Al2O3);所述的第三稜鏡的材料為氟化鈣(CaF2);所述的面陣探測器為InSb探測器。
【文檔編號】G01J3/28GK103792005SQ201410081561
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年3月6日 優先權日:2014年3月6日
【發明者】楊慶華 申請人:西安電子科技大學