專利名稱：空間調(diào)制干涉型計(jì)算層析成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種干涉型計(jì)算層析成像光譜儀，屬于遙感技術(shù)領(lǐng)域中成像光譜儀的設(shè)計(jì)制作技術(shù)范疇；特別涉及空間調(diào)制干涉型計(jì)算層析成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
計(jì)算層析成像光譜儀(computed-tomography imaging spectrometer)簡稱CTIS，是近年來倍受人們重視的新型成像光譜儀技術(shù)。與當(dāng)前受到普遍重視的另一種高光譜分辨率成像光譜儀技術(shù)即傅立葉變換成像光譜儀相比較，CTIS的光學(xué)系統(tǒng)具有更高的光通量，因此更易于制作成高靈敏度的成像光譜系統(tǒng)。
把計(jì)算層析術(shù)(CT)應(yīng)用于成像光譜儀領(lǐng)域的思想早在20世紀(jì)90年代初期就由日本及俄羅斯的學(xué)者提出。在此之后，包括我國在內(nèi)的世界各國科技工作者紛紛在該方向上開展研究[。目前通常使用的CT成像光譜儀的基本原理可以概括為一個(gè)沿三維方向分布(二維空間和一維光譜)的多光譜圖像數(shù)據(jù)立方體，可以壓縮或投影成沿二維方向分布(一維空間和一維光譜)的多光譜光學(xué)圖像序列；這些被壓縮的二維多光譜光學(xué)圖像序列由一個(gè)或多個(gè)二維焦平面陣列探測器接收；采用CT重建算法將壓縮的二維多光譜光學(xué)圖像序列重建為原始目標(biāo)的光譜圖像數(shù)據(jù)立方體。
迄今為止，國際上公布的CT成像光譜儀的實(shí)現(xiàn)方案有多種，例如景物旋轉(zhuǎn)方式、光學(xué)棱鏡或色散部件旋轉(zhuǎn)方式、儀器整體旋轉(zhuǎn)方式以及二元位相型平面光柵(或一維組合光柵)分束投影方式等等。其中，采用旋轉(zhuǎn)投影方式的CTIS的共同特點(diǎn)是在光路中采用一套一維色散元件以及光學(xué)狹縫，因此它們的光譜分辨率受到狹縫寬度的制約。另一種采用二元平面光柵分束投影結(jié)構(gòu)的CTIS雖然不需要光學(xué)狹縫，但它也存在另一些致命的缺陷其投影角度數(shù)量有限以及投影角度存在盲區(qū)，即所謂的“錐失”(missing cones)現(xiàn)象，因此該類系統(tǒng)的光譜及空間分辨率是非常有限的，只適合于某特殊場合的使用。
在國內(nèi)專利方面，中國專利№01213109，№01213108，№99256129，№99256131，№99115953，№99115952為非層析式的干涉型成像光譜儀；№00261470，№99256128為色散式計(jì)算層析成像光譜儀，不屬于干涉型成像光譜儀范疇。
在國外專利方面，美國專利US2004021934，US5260767為全反射式色散型成像光譜儀。US6519040，US4523846為非計(jì)算層析的干涉型成像光譜儀。上述系統(tǒng)都不是計(jì)算層析式成像光譜儀。US6522403為采用二維光柵的色散型CT成像光譜儀，不屬于干涉型范疇。
總之，在目前所使用的成像光譜儀中沒有將空間調(diào)制干涉技術(shù)和計(jì)算層析成像技術(shù)結(jié)合使用的先例。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種新型的成像光譜儀——空間調(diào)制干涉型計(jì)算層析成像光譜儀[CTII(computed-tomography imaging interferometer)]。它把傳統(tǒng)空間調(diào)制式傅立葉變換成像光譜儀的原理與計(jì)算層析成像光譜儀的原理巧妙結(jié)合起來，在光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理分析過程中同時(shí)使用了空間調(diào)制干涉技術(shù)和計(jì)算層析成像技術(shù)。具有高光通量、高光譜分辨率、高空間分辨率和高信噪比的特點(diǎn)，并且易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明主要由前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)投影器、干涉光學(xué)系統(tǒng)，二維焦平面探測器，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。干涉光學(xué)系統(tǒng)采用大口徑投影式空間調(diào)制干涉結(jié)構(gòu)，具體形式為產(chǎn)生等厚干涉條紋的邁克爾遜式干涉器，并用柱透鏡系統(tǒng)進(jìn)行投影擴(kuò)展。光路中無須采用傳統(tǒng)干涉光路中常見的光學(xué)狹縫，因此可充分的利用光能。前置望遠(yuǎn)鏡觀察目標(biāo)，入射光線經(jīng)準(zhǔn)直鏡作用后成為準(zhǔn)直光束；旋轉(zhuǎn)投影器對準(zhǔn)直光圖像以一定步長進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，獲得不同角度的圖像此旋像過程采用道威棱鏡或其他旋像機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；干涉光學(xué)系統(tǒng)使從旋轉(zhuǎn)投影器出射的準(zhǔn)直光束進(jìn)行干涉、投影及聚焦，在聚焦鏡的像方焦平面上可以同時(shí)得到清晰的投影圖像和干涉條紋；分別采用光譜響應(yīng)范圍為可見光及近紅外(0.4～1μm)、短波紅外(1～5μm)以及長波紅外(8～14μm)的二維焦平面探測器采集干涉投影圖像信號，實(shí)現(xiàn)寬頻域干涉投影數(shù)據(jù)序列采集。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)以智能化的微處理器為核心，對焦平面探測器輸出的信號進(jìn)行采集和處理，完成由空域到頻域的變換，獲得圖像的光譜分布，同時(shí)經(jīng)計(jì)算層析投影重建后可得到光譜圖案數(shù)據(jù)立方體。投影重建算法普通CTIS的算法相同。
與普通計(jì)算層析成像光譜儀相比較，CTII采用干涉結(jié)構(gòu)代替常用的色散結(jié)構(gòu)，在計(jì)算過程中用傅立葉變換把干涉圖案轉(zhuǎn)變成為光譜圖案。與傳統(tǒng)的傅立葉變換成像光譜儀相比較，成像環(huán)節(jié)采用了先進(jìn)的計(jì)算層析成像技術(shù)。
本發(fā)明具有高靈敏度、高光譜分辨率、高空間分辨率及高信噪比的特點(diǎn)，特別適合于航空航天遙感領(lǐng)域的高光譜成像系統(tǒng)。


圖1本發(fā)明的干涉型計(jì)算層析成像光譜儀的系統(tǒng)光路示意。
圖2本發(fā)明的大口徑投影式空間調(diào)制干涉結(jié)構(gòu)示意。
圖3目標(biāo)重建過程中目標(biāo)旋轉(zhuǎn)及投影示意。
圖4實(shí)施原理圖。
圖中主要結(jié)構(gòu)為1-前置望遠(yuǎn)鏡、2-準(zhǔn)直鏡、3-旋轉(zhuǎn)投影器、4-干涉分束器、5-聚焦鏡系統(tǒng)、6-柱透鏡系統(tǒng)、7-二維焦平面探測器、8-數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明敘述的空間調(diào)制干涉型計(jì)算層析成像光譜儀，其特點(diǎn)是在光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理分析過程中同時(shí)采用干涉調(diào)制技術(shù)和計(jì)算層析成像技術(shù)，并在干涉環(huán)節(jié)使用大口徑投影式空間調(diào)制干涉結(jié)構(gòu)，是一種創(chuàng)新式的成像光譜儀。現(xiàn)結(jié)合圖1，圖2，圖3和圖4將其原理進(jìn)行說明。
如圖1所示，本發(fā)明由前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)投影器(3)、干涉光學(xué)系統(tǒng)，二維焦平面探測器(7)和數(shù)據(jù)采集處理(8)系統(tǒng)等部分組成。包括目標(biāo)觀測，目標(biāo)圖像旋轉(zhuǎn)投影、光學(xué)干涉投影成像、采集干涉投影圖案數(shù)據(jù)序列，經(jīng)傅立葉變換獲取光譜數(shù)據(jù)序列，通過CT投影重建數(shù)據(jù)立方體等過程。
前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)由前置望遠(yuǎn)鏡(1)和準(zhǔn)直鏡(2)組成，可以采用反射式或透射式結(jié)構(gòu)，其焦距、孔徑、視場、像差水平以及光譜帶寬等應(yīng)當(dāng)根據(jù)成像光譜儀系統(tǒng)的總體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。前置望遠(yuǎn)鏡觀察目標(biāo)，入射光線在光路中無須經(jīng)過傳統(tǒng)的光學(xué)狹縫，因此可以減少目標(biāo)光能的損失，這正是本發(fā)明的高通量的特點(diǎn)。入射光線經(jīng)準(zhǔn)直鏡作用后成為準(zhǔn)直光束。旋轉(zhuǎn)投影器(3)對準(zhǔn)直光圖像以一定步長進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，獲得不同角度的圖像。步長＝旋轉(zhuǎn)角度/采集圖像數(shù)目，在實(shí)施舉例中選取為1°。此旋像過程采用道威棱鏡或其他旋像機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施舉例中采用道威棱鏡。干涉光學(xué)系統(tǒng)使從旋轉(zhuǎn)投影器出射的準(zhǔn)直光束進(jìn)行干涉、投影及聚焦，在聚焦鏡(5)的像方焦平面上用探測器(7)接收，得到清晰的投影圖像和干涉條紋。干涉光學(xué)系統(tǒng)采用大口徑投影式空間調(diào)制干涉結(jié)構(gòu)。具體形式為邁克爾遜干涉分束器(4)，并采用柱透鏡系統(tǒng)(6)進(jìn)行投影擴(kuò)展(見圖2)。其產(chǎn)生干涉條紋為等厚條紋。這種干涉結(jié)構(gòu)可充分利用目標(biāo)的光能，且可在焦平面探測器上產(chǎn)生理想像，是一個(gè)理想的干涉投影成像系統(tǒng)。干涉面在平面反射鏡的共軛面上，成像面在聚焦鏡的焦平面上。干涉圖案條紋方向平行于柱透鏡系統(tǒng)母線。干涉裝置將在后面介紹。分別采用光譜響應(yīng)范圍分別為可見光及近紅外(0.4～1μm)、短波紅外(1～5μm)以及長波紅外(8～14μm)的二維焦平面探測器采集干涉投影圖像信號，實(shí)現(xiàn)寬頻域干涉投影數(shù)據(jù)序列的采集(其中紅外部分采用透紅外干涉裝置測量)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(8)以智能化的微處理器為核心，對探測器輸出的信號進(jìn)行采集和處理，完成由空域到頻域的變換，獲得圖像的光譜分布，同時(shí)經(jīng)CT投影重建后可得到光譜圖案數(shù)據(jù)立方體。投影重建算法與普通CTIS的算法相同，將在后面進(jìn)行介紹。
圖2為大口徑投影式空間調(diào)制干涉結(jié)構(gòu)的示意。分束器的兩平面鏡不是90度，而是其中一面平面鏡略有一偏角θ。入射光線經(jīng)半反半透分束板并在平面鏡反射后，因θ角的存在而產(chǎn)生光程差，因此發(fā)生干涉。產(chǎn)生條紋的類型為等厚干涉條紋。此時(shí)，為了在探測器的像方焦平面上得到投影圖像的同時(shí)也得到干涉條紋像，就需要適當(dāng)?shù)倪x擇柱透鏡系統(tǒng)的焦距和位置。這樣在整個(gè)焦平面探測器上，我們就可以得到被測二維目標(biāo)的一幅完整的投影干涉圖。在本發(fā)明中柱透鏡系統(tǒng)位于聚焦鏡和焦平面探測器之間，母線平行于干涉分束器兩平面反射鏡。
假設(shè)目標(biāo)源的功率頻譜密度為S’(v)，當(dāng)相干光的強(qiáng)度相同而光程差相差為Δ時(shí)，干涉場的強(qiáng)度為I(Δ)=C′∫0+∞S′(v)[1+cos(2πvcΔ)]]]>其中C’為一個(gè)常數(shù)。由于我們只關(guān)心干涉圖像的可變部分，因此可以對探測器上的干涉圖像進(jìn)行去直流操作，最后得到的干涉圖函數(shù)為G(Δ)=C′∫0+S′(v)cos(2πvcΔ)dv]]>
G(Δ)是可測量的，稱為“干涉圖”。對G(Δ)作逆傅立葉余弦變換，就能求得S’(v)。為了可以采用現(xiàn)成的傅立葉變換程序，往往把它改寫成傅立葉變換形式G(Δ)=C′2∫-∞+∞S′(v)exp(-j2πvcΔ)dv]]>或S′(v)=2cC′∫-∞+∞G(Δ)exp(j2πvcΔ)dΔ]]>其頻譜分辨能力只取決于Δ的最大變化量，這個(gè)量越大，S’(v)可能出現(xiàn)的“頻率”就越高，其分辨本領(lǐng)就越大。在本發(fā)明中，Δ的大小與干涉分束器中傾斜的平面反射鏡的傾斜角θ和焦平面探測器的分辨率密切相關(guān)。θ越大，Δ隨之也越大。但Δ的上限受探測器分辨率限制。ΔL為最大光程差，D為通光孔徑，ΔL＝2×D×tanθ.通常θ小于1°。在實(shí)施舉例中，采用0.16°實(shí)施中的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的共軸旋轉(zhuǎn)。采用道威棱鏡，旋轉(zhuǎn)精度要求較高。在成像維上，探測器恰好位于被測目標(biāo)的共軛面上，因此可以產(chǎn)生理想像。本裝置是一個(gè)理想的投影干涉成像系統(tǒng)。
結(jié)合圖3，我們來說明本發(fā)明的圖像重建過程。進(jìn)行重建的方法有很多種，可以采用直接FFT求逆法、濾波(卷積)反投影法以及代數(shù)重建技術(shù)(ART)。我們采用直接FFT求逆法。
設(shè)CTII系統(tǒng)輸入圖像信息為f(x，y，λ)。其中x，y表示圖像平面，垂直于光軸方向，λ為圖像的光譜維分布，垂直于x，y平面。又設(shè)CTII系統(tǒng)的圖像投影方向平行于y軸，則二維輸入圖像f(x，y，λ)在x方向上的一維投影為(此時(shí)把λ看作固定參數(shù))p(x,λ)=∫-∞+∞f(x,y,λ)dy---(1)]]>再設(shè)θ為圖像的旋轉(zhuǎn)角度，則任意θ角旋轉(zhuǎn)圖像的投影為(如圖3所示)pθ(x,λ)=∫-∞+∞fθ(x,y,λ)dy---(2)]]>其中fθ(x，y，λ)＝f(xcosθ-ysinθ，xsinθ+ycosθ，λ) (3)令θ在0～π范圍內(nèi)以等角度間距旋轉(zhuǎn)n個(gè)角度，于是在CTII中可以采集到對應(yīng)于pθ(x，λ)的n組干涉圖案，設(shè)該干涉圖案分布為Iθ(x，r)，其中x方向仍然代表投影分布，r方向則反映干涉條紋強(qiáng)度變化。根據(jù)傅立葉變換光譜儀原理，對Iθ(x，r)圖案序列進(jìn)行沿r方向的一維傅立葉變換，就可以還原到投影圖案的pθ(x，λ)序列。
根據(jù)中心切片定理(即投影定理)，旋轉(zhuǎn)圖像fθ(x，y，λ)沿y軸方向的投影pθ(x，λ)的一維傅立葉變換(x為變量)，記為Pθ(ρ，λ)，給出原始圖像f(x，y，λ)的二維傅立葉變換F(ξ，η，λ)的一個(gè)切片，該切片與ξ軸的夾角為θ，且通過坐標(biāo)原點(diǎn)。
因此，問題的關(guān)鍵是如何構(gòu)造出二維傅立葉變換F(ξ，η，λ)。對于本文的離散采樣情況，可以把n個(gè)不同θ角投影的Pθ(ρ，λ)數(shù)據(jù)在ξ，η坐標(biāo)平面內(nèi)沿各自的直線方向排列，這些直線與x軸的交角為θ，且都過坐標(biāo)原點(diǎn)。一般情況下，n個(gè)Pθ(ρ，λ)序列無法將ξ，η坐標(biāo)平面填滿，此時(shí)可以用內(nèi)插法將空缺部分填滿。
對構(gòu)造出的F(ξ，η，λ)進(jìn)行二維離散傅立葉變換，則還原到f(x，y，λ)，即所需的光譜圖像數(shù)據(jù)立方體。
實(shí)施舉例以圖4中的黑白方塊狀圖案為目標(biāo)，用普通白熾燈光源進(jìn)行照明，并用面陣CCD成像，取得了0°、45°、90°三個(gè)典型角度的投影干涉圖案，結(jié)果如圖4所示，該圖是一種圖譜合一的采樣結(jié)果，其中水平方向表現(xiàn)干涉條紋分布，垂直方向表現(xiàn)投影圖案的灰度分布。從中可以看出(1)0°、45°、90°的投影灰度分布與圖4在三個(gè)方向上的投影吻合，每一幅圖案在水平方向投影灰度分布均與理想情況相符合，本實(shí)驗(yàn)裝置的投影灰度分布效果已經(jīng)達(dá)到了非常好的效果。(2)干涉條紋以圖案的中心呈對稱分布，其調(diào)制度在中心處為最大，沿左右兩邊迅速衰減，這與白光的干涉規(guī)律完全吻合；若進(jìn)行水平方向的一維傅立葉變換，就可以得到垂直方向上各個(gè)位置的光譜分布。
經(jīng)過CT投影重建，可看到復(fù)原后的圖片與目標(biāo)基本完全一致。
權(quán)利要求
1.一種空間調(diào)制干涉型計(jì)算層析成像光譜儀，包括光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、焦平面探測器(7)以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(8)；其特征是在光學(xué)系統(tǒng)中采用了大口徑投影式空間調(diào)制干涉結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的空間調(diào)制干涉型計(jì)算層析成像光譜儀的干涉光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由前置望遠(yuǎn)鏡(1)、準(zhǔn)直鏡(2)、旋轉(zhuǎn)投影器(3)、干涉分束器(4)、聚焦鏡系統(tǒng)(5)、柱透鏡系統(tǒng)(6)組成；其中旋轉(zhuǎn)投影器(3)采用道威棱鏡或其它旋像結(jié)構(gòu)；干涉分束器(4)的兩面反射鏡不垂直，而是具有一定角度；柱透鏡系統(tǒng)(6)位于聚焦鏡系統(tǒng)(5)和二維焦平面探測器(7)之間，且母線平行于干涉分束器(4)的兩平面反射鏡；柱透鏡系統(tǒng)(6)亦可位于光路中的其他位置，其母線方向亦相應(yīng)變化；柱透鏡系統(tǒng)(6)亦可用柱面鏡系統(tǒng)替代；二維焦平面探測器(7)位于聚焦透鏡(5)的像方焦平面位置。
全文摘要
一種空間調(diào)制干涉型計(jì)算層析成像光譜儀。屬于遙感技術(shù)領(lǐng)域中成像光譜儀的設(shè)計(jì)技術(shù)范疇。其主要組成結(jié)構(gòu)為前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)投影器、干涉光學(xué)系統(tǒng)，二維焦平面探測器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。干涉光學(xué)系統(tǒng)采用大口徑投影式空間調(diào)制干涉結(jié)構(gòu)，具體形式為產(chǎn)生等厚干涉條紋的邁克爾遜式干涉器，并用柱面(透)鏡進(jìn)行投影擴(kuò)展。入射光經(jīng)準(zhǔn)直鏡作用后成為準(zhǔn)直光束；旋轉(zhuǎn)投影器對準(zhǔn)直光圖像以一定步長進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，獲得不同角度的圖像；干涉光學(xué)系統(tǒng)使從旋轉(zhuǎn)投影器出射的準(zhǔn)直光束進(jìn)行干涉、投影及聚焦，在聚焦鏡的像方焦平面上可以同時(shí)得到投影圖像和干涉條紋；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行由空域到頻域的變換，獲得圖像的光譜分布，同時(shí)經(jīng)計(jì)算層析投影重建后得到光譜圖案數(shù)據(jù)立方體。本發(fā)明具有高靈敏度、高光譜分辨率、高空間分辨率的特點(diǎn)。
文檔編號G01S17/89GK1766532SQ200510130308
公開日2006年5月3日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者廖寧放, 林宇, 趙達(dá)尊, 吳文敏, 方俊永, 林軍, 賀書芳 申請人:北京理工大學(xué)