专利名称：滤光片调谐式窗扫光谱成像系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种滤光片调谐式窗扫光谱成像系统及方法，特别涉及其窗扫 工作模式(窗扫工作模式，指在目标与仪器具有一维相对运动的状态下，进行 连续二维成像。由于二维成像区域像一个窗口，故习惯称其为窗扫)，属于光谱 成像领域。
背景技术：
成像光谱仪是成像技术和光谱技术的有机结合，它的光学系统一般由成像 光学系统和光谱仪系统组成，光谱仪系统采用的分光技术直接影响着整个成像 光谱仪的性能、结构的复杂程度、重量和体积等。成像光谱仪器的光谱分光方 法主要有滤光片型，棱镜、光栅色散型和傅里叶变换干涉型。其中，滤光片型 可分为传统单色滤光片式和可调谐滤光片式；干涉型又可分为有狭缝式和无狭 缝式两种。目前，以上列举的各种原理都不能同时满足窗扫成像工作模式和兼 具高光谱分辨率、高多波段数、灵活的波段选择、高光通量的特点。以下分别 详细说明
1、 传统单色滤光片波段单一，属于较早使用的原理，很难达到高波段数。
中国专利200520040206. 3介绍了窄带滤光片多探测器构成多光谱成像的应用， 其虽然可以应用于光谱成像，但是收工艺和结构限制通道数较少，有效光谱波 段数不多，且波长选择固定，不可调节。
2、 可调谐滤光片式成像光谱仪采用普通二维成像系统，光谱分辨率高，在 同等光谱分辨率水平上，对光能利用率较高。此外，还具有波段灵活可调，高 波段数的特点。但是唯一缺憾是目前其工作原理仅可应用于静态工作模式，无 法满足仪器的窗扫应用需求。在国内外专利方面，美国专利5216484介绍了声 光调谐滤光片式静态成像光谱，但不具有在窗扫模式下工作的能力；美国专利 6734962， 6917423， 7084972，中国专利02290194. 9介绍了滤光片调谐式成像 光谱仪在静态显微成像方面的应用，同样是静态工作，不具有窗扫工作能力。
3、 棱镜、光栅色散型和有狭缝式干涉型的光学系统中都需要狭缝，达到探 测器的光信号强度较弱因此，在高光通量方面存在一定的局限性。对于低照度应用，特别是在航空航天遥感器上应用时，受到光学系统和探测器性能的制约， 对弱信号探测能力较差。
4、对于无狭缝式干涉型，在其数据处理环节中，需要对干涉图进行重组， 由于对干涉条纹进行的傅里叶变换处理是相位敏感的，所以数据重组时引入的 随机相位误差会对重建光谱造成严重影响，不易重建出真实光谱。
综上所述，除滤光片调谐式成像光谱仪外，其它原理都各具特点，但都不 能够实现兼具高光谱分辨率、高多波段数、灵活的波段选择、高光通量的特点。 而对于滤光片调谐式成像光谱仪虽已有一些应用方法，但都是应用于医学或显 微等静态凝视成像领域中，即观测目标与仪器相对静止，通过调节滤光片中心 波长，在不同时间采集不同波段的图像。迄今为止，尚无其在动态窗扫模式工 作的文献证据。

发明内容
本发明的目的是为了解决同时实现高光谱分辨率、高多波段数、灵活的波 段选择、高光通量和窗扫光谱成像的问题，而提出了一种滤光片调谐式窗扫光 谱成像系统及方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的滤光片调谐式窗扫光谱成像系统及方法，实现该方法的成像光谱 仪包括成像光学系统、焦平面探测器、可调谐滤光片、滤光片驱动器、数据采 集处理系统、控制系统和扫描系统，其中
成像光学系统，其功能是使入射光线在焦平面探测器上成像。它一般包括 前置光学系统和后置光学系统两部分。前置光学系统多起到望远作用，后置光 学系统则主要为了将图像清晰成像在焦平面探测器上；
焦平面探测器，其功能是接收二维光信号，并进行光电转换；
可调谐滤光片，其功能是对入射光进行窄带滤波；
滤光片驱动器焦平面探测器调节控制可调谐滤光片，改变其透过波长； 数据采集处理系统，其功能是采集焦平面探测器输出的图像电信号，并进
行数据重组处理，以输出光谱图像立方体；
控制系统，其功能是控制扫描系统、滤光片驱动器和数据采集处理系统同
步工作；扫描系统，其功能是使目标入射光线与成像光谱仪具有相对运动，完成窗 扫动作。本发明的工作原理是在滤光片调谐式静态光谱成像系统中加入扫描系统， 使之可以进行动态窗扫成像。并采用与扫描系统配套的数据采集处理系统，使 之可以在窗扫模式下完成处理，输出正确的光谱立方体结果。本发明的滤光片调谐式窗扫光谱成像系统方法是指在窗扫成像时，瞬时 扫描图像区域一般都是二维空间，其中的每一个物点在通过可调谐滤光片到达 探测器后，探测器就会输出该点的强度信息，此像素点在当前波段代表的光谱 信息就会记录到此波段采集图像中。因滤光片通过波段的调谐是随时间变化的， 所以不同时刻就会记录下不同波段的图像；而在窗扫过程中，因入射光线与成 像光谱仪存在相对运动，不同时刻采集到的目标点信息在图像xy平面的位置也 是不同的，且各个波段图中对应同一目标点的像素点位置成一维排列，如图2 所示，L时刻记录波段l， T2时刻记录波段2，……，T。时刻记录波段n;由于目 标与成像光谱仪的相对运动，使得不同时刻的波段图中对应同一目标点的像素 点位置存在沿运动方向相反的位移，所以，对采集到的图像进行逆运动方向抽 取重组即可获得正确的图像立方体。其中，图像立方体中定义如图3所示，xy 平面是目标图像的空间维平面，入维是光谱维。所以，立方体中的每个像素就 代表该目标点在该波长的光谱信息。 有益效果1、 本发明的滤光片调谐式窗扫成像光谱仪及方法既具有光谱分辨率高，可 实现数十个乃至上百个窄带波段滤波，并能充分利用窗扫模式高光通量的优点， 又能满足动态窗扫的工作要求，应用优势明显，特别是在图像和光谱信噪比方 面容易达到较高水平。2、 本发明的滤光片调谐式窗扫成像光谱仪及方法与成像光谱领域其它已经 出现的成像光谱仪及方法相比还具有光谱通道灵活可调的特点，根据特殊用途 需要可以只针对某些特定谱段成像。这种情况下会带来两方面优势 一方面， 在相同条件下，单波段图像积分时间的调节范围增大，可以提高对微弱信号的 探测水平；另一方面，对不需要的波段不进行成像，可以降低数据采集、处理 和传输系统的处理压力。3、 可调谐滤光片成像光谱系统结构简单，且解决了目前成像光谱仪不能兼顾高光谱分辨率、高多波段数、灵活的波段选择、高光通量特点和窗扫成像工 作的问题，较易提升仪器性能。


图1-为本发明的系统框图；图2-为本发明扫描系统和数据采集处理系统工作模式示意图；图3-为本发明数据处理结果图像立方体的定义示意图；图4-为本发明实施例中液晶可调谐滤光片的Lyot波片结构图；图5-为本发明实施例中液晶可调谐滤光片的窄带滤波原理示意图；图6-为本发明平台搭载示意图；图7-为本发明扫描装置示意图；图8-为本发明实施例的系统组合框图；图9-为本发明实施例的数据处理结果波段图；图10-为本发明的滤光片调谐同歩窗扫工作模式(空间对地面)； 图11-为本发明的滤光片调谐同步窗扫工作模式(地面对地面)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明中使用的可调谐滤光片可以有多种选择，如液晶可调谐滤光片LCTF (Liquid Crystal Tunable Filter)、声光可调谐滤光片AOTF (Acoustic-Optic Tunable Filter)、磁光可调谐滤光片MOTF (Magneto-Optical Tunable Filter)。下面以液晶可调谐滤光片LCTF为例，介绍滤光片调谐式窗扫光谱成像系统 及方法的调节原理。LCTF由若干利奥(LyoO波片单元级联构成，如图4所示， 它包括偏振片、石英、液晶，构成相位延迟片。由双折射效应可知，当自然光通过Lyot波片时，o光与e光产生的相位延迟为义式中，/^^A"为o光与e光产生的光程差。因此对于单组Lyot波片，可知厂冶=厂鹏+厂石英其光谱透射率7; = J-0.5(l + cosS) =0.5[l + cos(27rdAw/;i)]因此， 一般LCTF使用多组(如6组)级联的Lyot波片结构，如图4所示。 其中，T +1=2/;，即结构中任意一个Lyot波片单元的光程差是其前一个单元光程差的两倍。光通过第一个Lyot单元的光谱透射率为7;丄=0.5(1十cos5) 丫o=0.5[l + cos(2;rdArt/;i)]式中，I为光强矢量。由于7^,27^，那么72丄=0.5(1十cos2S)r3 =会=0.5(1 +cos4S)同理，可得To T5， Ts……当丁=1，即^""d时(m取整数)，波K:在义处的波段被选择输出。因此， LCTF在很宽的波段可见近红外范围内可电控调谐。通过改变对液晶所施加电压 的大小，分别对波长的相位进行调制，选择波段的输出范围，同时锁定其它波 长，从而实现对滤光片的动态调制，获得高精度的窄波输出；如图5所示，其中， 横坐标为波长方向，纵坐标为参考幅度，Stagel-Stage6分别表示波通过波片l 一波片6的透射率；550mii附近的波段干涉加强获得输出，而其它波段则相互抵 消，被滤光片锁定；通过改变施加在液晶上的电压，从而改变Aw，可达到选择 不同波段输出的目的。本发明扫描系统又可分为两大类方式实施通过平台搭载或使用扫描装置。平台搭载可有两种实现方法，其原理如图6所示。其中，a)将成像光谱仪 固定在平动平台上，如卫星、飞机，通过平台的平行运动，带动成像光谱仪完 成扫描动作；b)将成像光谱仪固定在转动平台上，如旋转平台，通过平台的旋 转运动，带动成像光谱仪完成扫描动作。扫描装置原理如图7所示，在成像光谱仪成像光学系统前端加入摆镜，通 过摆镜的旋转改变成像光学系统入瞳视场，完成扫描动作。实施例根据具体设计需要，本发明的系统结构共有三种实施方案可供选择，如图8所示，其中(a)为可调谐滤光片前置结构，可调谐滤光片前置结构指将可调谐滤 光片放置在成像光学系统入瞳前端。(b)为可调谐滤光片中置结构，可调谐滤光
片置入成像光学系统中光阑附近；(c)为可调谐滤光片后置结构，可调谐滤光片 放置在成像光学系统出瞳后端，焦平面探测器前端；当成像光学系统内空间不 足，不利于插入可调谐滤光片滤波系统时，可以采用(a)方案。
可调谐滤光片前置结构成像原理如下，如图1所示，本发明的滤光片调谐式 窗扫成像光谱仪，包括成像光学系统、焦平面探测器、可调谐滤光片、滤光片 驱动器、数据采集处理系统、控制系统和扫描系统，其中，成像光学系统包括 前置光学系统和后置光学系统。目标光线首先进入可调谐滤光片，可调谐滤光 片在500nm窄带工作状态下通带宽度为7nm，可以起到对入射光窄带滤波的效果，
经过滤波后的光信号为单波段成像光信号；单波段成像光信号接着进入前端光 学系统，出射后经过后置光学系统后到达焦平面探测器像面上成像(焦平面探 测器像素大小为18um)。此时，焦平面探测器对其进行光电转换，然后将二维图 像电信号输出，由数据采集处理系统进行重组处理并输出，至此，完成一个波 段数据的采集工作。
控制系统根据窗扫过程(窗扫过程实施例见后)中目标的像面在焦平面探 测器上的相对运动速度180um/s，发出波段调整信号到滤光片驱动器，驱动器控 制液晶调谐，使可调谐滤光片工作在507醒波长状态下，继续前面所述的成像 采集处理过程，则可完成另一个波段数据的采集工作；同理，如此循环工作， 就可以完成成像光谱仪数据立方体的采集工作；经过重组后，得到正确的数据 立方体数据，如图9所示。
可调谐滤光片中置结构成像原理如下，如图1所示，本发明的滤光片调谐式 窗扫成像光谱仪，包括成像光学系统、焦平面探测器、可调谐滤光片、滤光片 驱动器、数据采集处理系统、控制系统和扫描系统，其中，成像光学系统包括 前置光学系统和后置光学系统。目标光线由前端光学系统进入，出射后到达可 调谐滤光片，可调谐滤光片在500mii窄带工作状态下通带宽度为7，，可以起到 对入射光窄带滤波的效果，经过滤波后的光信号为单波段成像光信号；此信号 经过后置光学系统后到达焦平面探测器像面上成像(焦平面探测器像素大小为 18um)。此时，焦平面探测器对其进行光电转换，然后将二维图像电信号输出， 由数据采集处理系统进行重组处理并输出，至此，完成一个波段数据的采集工作。
控制系统根据窗扫过程(窗扫过程实施例见后)中目标的像面在焦平面探
测器上的相对运动速度180um/s，发出波段调整信号到滤光片驱动器，驱动器控 制液晶调谐，使可调谐滤光片工作在507nm波长状态下，继续前面所述的成像 采集处理过程，则可完成另一个波段数据的采集工作；同理，如此循环工作， 就可以完成成像光谱仪数据立方体的采集工作；经过重组后，得到正确的数据 立方体数据，同可调谐滤光片前置结构处理结果。
可调谐滤光片后置结构成像原理如下，如图l所示，本发明的滤光片调谐式 窗扫成像光谱仪，包括成像光学系统、焦平面探测器、可调谐滤光片、滤光片 驱动器、数据采集处理系统、控制系统和扫描系统，其中，成像光学系统包括 前置光学系统和后置光学系统。目标光线首先进入前端光学系统，出射后经过 后置光学系统后进入可调谐滤光片，可调谐滤光片在500nm窄带工作状态下通 带宽度为7nm，可以起到对入射光窄带滤波的效果，经过滤波后的光信号就是一 个单波段成像光信号；然后，单波段成像光信号到达焦平面探测器像面上成像 (焦平面探测器像素大小为18um)。此时，焦平面探测器对其进行光电转换，然 后将二维图像电信号输出，由数据采集处理系统进行重组处理并输出，至此， 完成一个波段数据的采集工作。
控制系统根据窗扫过程(窗扫过程实施例见后)中目标的像面在焦平面探 测器上的相对运动速度180um/s，发出波段调整信号到滤光片驱动器，驱动器控 制液晶调谐，使可调谐滤光片工作在507mn波长状态下，继续前面所述的成像 采集处理过程，则可完成另一个波段数据的采集工作；同理，如此循环工作， 就可以完成成像光谱仪数据立方体的采集工作；经过重组后，得到正确的数据 立方体数据，同可调谐滤光片前置结构处理结果。
本发明可使用两种窗扫工作模式，分别是空间对地面观测和地面对地面观 测。其中，空间对地面观测过程可以应用本发明动态窗扫工作原理中平台搭载 实现方法a)实现，即成像光谱仪固定在平动平台，如图3 (a)所示。下面以 卫星平台为例进行说明，卫星轨道高度680km，极地近圆轨道，当地面被观测目 标静止不动时，卫星平台沿一维方向环绕地球飞行，同时成像光谱仪对地面进 行窗扫成像，在不同时间进行不同波段的成像，如Os时刻成像波段500nm， 0. ls 时刻成像波段507nrn， ls时刻成像波段570nm，如图10所示。地面对地面观测过程可以应用本发明动态窗扫工作原理中平台搭载实现方 法b)即成像光谱仪固定在转动平台上，或者扫描系统实现。下面分别举例说明
1) 成像光谱仪固定在转动平台上，如图3 (b)所示，此时，观测目标静止，
转动平台与目标无相对位移，成像光谱仪瞬时视场角IF0V为0.2mrad，转动平台 转速为2mrad/s，在平台转动时，成像光谱仪对目标进行窗扫成像，在不同时间 进行不同波段的成像，如0s时刻成像波段500nm， 0. ls时刻成像波段507nm， ls 时刻成像波段570nm，如图11所示。
2) 使用扫描系统实现，如图4所示，此时，观测目标静止，转动平台与目 标无相对位移，成像光谱仪瞬时视场角IF0V为0.2mrad，成像光谱仪光学系统前 加入摆镜，摆镜转动速度为2mrad/s，在摆镜转动时，成像光谱仪对目标进行窗 扫成像，在不同时间进行不同波段的成像，如0s时刻成像波段500mn， 0. ls时刻 成像波段507nm， ls时刻成像波段570nm。
权利要求
1. 滤光片调谐式窗扫光谱成像系统，实现该方法的系统包括成像光学系统、可调谐滤光片、焦平面探测器、滤光片驱动器、数据采集处理系统和控制系统；其特征在于还包括扫描系统，用于完成窗扫工作；该扫描系统与成像光学系统、可调谐滤光片、焦平面探测器、滤光片驱动器、数据采集处理系统和控制系统组合一起实现窗扫工作模式；在滤光片调谐式成像光谱仪的静态工作系统中加入扫描系统，使之可以进行动态窗扫成像；并采用与扫描系统配套的数据采集处理系统，使之可以在窗扫模式下完成处理，输出正确的光谱立方体结果。
2. 如权利要求1所述的滤光片调谐式窗扫光谱成像系统，其特征在于可 调谐滤光片为窄带光谱滤波器，可使用液晶可调谐滤光片、声光可调谐滤光片、 磁光可调谐滤光片。
3. 如权利要求1所述的滤光片调谐式窗扫光谱成像系统，其特征在于扫 描系统可分为两大类方式供选择通过平台搭载或使用扫描装置；平台搭载可有两种实现方法其一，将成像光谱仪固定在平动平台上，如 卫星、飞机，通过平台的平行运动，带动成像光谱仪完成扫描动作；其二，将 成像光谱仪固定在转动平台上，如旋转平台，通过平台的旋转运动，带动成像 光谱仪完成扫描动作；扫描装置是指在成像光谱仪成像光学系统前端加入摆镜，通过摆镜的旋转 改变成像光学系统入瞳视场，完成扫描动作。
4. 如权利要求1所述的滤光片调谐式窗扫光谱成像系统，其特征在于整 个系统结构包括三种实现方式可调谐滤光片前置结构，可调谐滤光片前置结构指将可调谐滤光片放置在成像光学系统入瞳前端；可调谐滤光片中置结构，可调谐滤光片置入成像光学系统中光阑附近； 可调谐滤光片后置结构，可调谐滤光片放置在成像光学系统出瞳后端，焦平面探测器前端。
5. 滤光片调谐式窗扫光谱成像方法，其特征在于在窗扫成像时，瞬时扫 描图像区域一般都是二维空间，其中的每一个物点在通过可调谐滤光片到达焦 平面探测器后会输出该点的强度信息，此像素点在当前波段代表的光谱信息就 会记录到此波段采集图像中；由于滤光片通过波段的调谐是随时间变化的，所以不同时刻就会记录下不同波段的图像；而在窗扫过程中，因入射光线与成像 光谱仪存在相对运动，不同时刻采集到的目标点信息在图像xy平面的位置也是 不同的，且各个波段图中对应同一目标点的像素点位置成一维排列，L时刻记录 波段1， T2时刻记录波段2，……，T。时刻记录波段n;由于目标与成像光谱仪 的相对运动，使得不同时刻的波段图中对应同一目标点的像素点位置存在沿运 动方向相反的位移，所以，对采集到的图像进行逆运动方向抽取重组即可获得正确的图像立方体。
6. 如权利要求5所述的滤光片调谐式窗扫光谱成像系统及方法，其特征在于滤光片调谐同步窗扫工作模式为在动态调谐滤光片选择波长时，同步进行 窗扫采集工作。
7. 如权利要求5所述的滤光片调谐式窗扫光谱成像系统及方法，其特征在于滤光片调谐同步窗扫工作模式包括空对地观测方式和地对地观测方式。
全文摘要
本发明涉及滤光片调谐式窗扫光谱成像系统及方法，属于光谱成像领域。本发明是指在滤光片调谐式静态光谱成像系统中加入扫描系统，使之可以进行动态窗扫成像。并采用与扫描系统配套的数据采集处理系统，使之可以在窗扫模式下完成处理，输出正确的光谱立方体结果。本发明对光能利用率高，图像和光谱信噪比均易达较高水平、光谱分辨率高、光谱工作波段灵活可调，可只在感兴趣波段工作，降低了数据量，增大了积分时间调节范围，可以提高对微弱信号的探测水平；本发明广泛适于农业生产、资源勘探、环境监测、防灾减灾、物质鉴别、公共安全等领域应用。
文档编号G01J3/12GK101504316SQ20081023972
公开日2009年8月12日 申请日期2008年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者吴文敏, 崔德琪, 廖宁放, 曹玮亮, 楚建军, 田立勋, 谭博能, 赵达尊 申请人:北京理工大学