專利名稱：成像光譜儀的自動(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域中的成像光譜定標(biāo)，具體地說(shuō)，涉及一種光機(jī)電一體化并包含光源、斬波器、單色儀、平行光管、成像光譜儀頭部及前放、多路開關(guān)與單色儀控制模塊、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集與分析模塊的成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)。以及成像光譜儀的自動(dòng)光譜定標(biāo)方法。
背景技術(shù)：
二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的成像光譜技術(shù)，把二維成像技術(shù)和光譜技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，不僅能對(duì)物體進(jìn)行形態(tài)成像，而且還能提供豐富的光譜信息；通過測(cè)量圖像中每個(gè)象素的光譜，能夠識(shí)別視覺上不明顯的顏色差異，人們可以通過復(fù)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(xù)光譜段上對(duì)同一地物進(jìn)行分光譜的同時(shí)成像，即在探測(cè)物體空間特征的同時(shí)將各個(gè)空間象元色散形成5-10nm光譜分辨率的光譜信息，從而能從圖譜合一的影像立方體上的任一象元得到類似于實(shí)驗(yàn)室光譜儀測(cè)量物質(zhì)的光譜曲線。成像光譜數(shù)據(jù)可以對(duì)觀測(cè)目標(biāo)在幾何形狀和光譜特征兩個(gè)方面進(jìn)行分析和識(shí)別。由于成像光譜技術(shù)具有光譜分辨率高、波段多、圖像與光譜相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，因而使得它一出現(xiàn)就受到了極大的重視，并在生態(tài)、地質(zhì)、礦產(chǎn)、海洋、陸地水資源、冰雪和大氣環(huán)境等各遙感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著成像光譜技術(shù)的發(fā)展，定量化分析的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，僅僅通過目標(biāo)輻射的相對(duì)強(qiáng)弱進(jìn)行影像分析已無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，只有遙感數(shù)據(jù)定量化，才能更好地對(duì)地物的物理性質(zhì)做出判斷，定量化已經(jīng)成為遙感發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)成像光譜應(yīng)用的定量化，遙感儀器首先必須自我標(biāo)定。對(duì)于每一臺(tái)成像光譜遙感儀器，自身的定標(biāo)過程必不可少。此外，由于外界環(huán)境、溫度、沖擊等的影響和成像光譜儀自身光學(xué)、機(jī)械、探測(cè)器的性能隨著時(shí)間的變化，成像光譜儀的系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化，為了獲取正確的定量數(shù)據(jù)，必須對(duì)儀器進(jìn)行經(jīng)常性的定標(biāo)。如果同一儀器在不同時(shí)段獲取的信息，或不同遙感儀器對(duì)同一地物獲取的信息不能有效地進(jìn)行對(duì)比，那么成像光譜技術(shù)的發(fā)展便有了阻礙。為了反演地物的光譜曲線，有必要對(duì)成像光譜儀進(jìn)行光譜定標(biāo)，以確定成像光譜儀各個(gè)通道的中心波長(zhǎng)位置和通道光譜帶的寬度。光譜定標(biāo)作為成像光譜儀定標(biāo)的第一步具有重要的意義，是進(jìn)一步開展輻射定標(biāo)的基礎(chǔ)。
二十世紀(jì)九十年代，中國(guó)上海技術(shù)物理研究所研制了一套半自動(dòng)的成像光譜儀光譜定標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)只能采集單個(gè)通道的光譜響應(yīng)曲線，并且使用ISA總線傳遞采集數(shù)據(jù)。此外，由于光譜定標(biāo)中，成像光譜儀各個(gè)通道出來(lái)的峰值響應(yīng)幅度不一，高達(dá)100倍之多，只得靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定每個(gè)通道相應(yīng)的鎖相放大器靈敏度。上述缺陷給成像光譜儀的光譜定標(biāo)帶來(lái)了很大的麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)Τ上窆庾V儀自動(dòng)光譜定標(biāo)的新方法，為成像光譜儀的輻射定標(biāo)、數(shù)據(jù)量化提供方便。并提供一套實(shí)現(xiàn)這種新方法的成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)實(shí)用系統(tǒng)。
本發(fā)明采用模塊化集成技術(shù)構(gòu)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(guān)與單色儀控制器、鎖相放大器有機(jī)的組合在一起，構(gòu)成一套實(shí)用化的成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)，解決了單通道光譜定標(biāo)、采用ISA數(shù)據(jù)采集、靈敏度的選擇等問題，具有一定的實(shí)用性。
本發(fā)明是利用光源、斬波器、單色儀和平行光管產(chǎn)生調(diào)制的充滿成像光譜儀孔徑的單色光，單色光經(jīng)過45°反射鏡、成像光譜儀頭部的光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚到探測(cè)器的靈敏單元上，輸出響應(yīng)經(jīng)過成像光譜儀前放、多路開關(guān)與單色儀控制模塊進(jìn)入鎖相放大器，鎖相放大器的輸出結(jié)果通過RS232串口傳送到計(jì)算機(jī)中；對(duì)每一個(gè)光譜通道，多路開關(guān)與單色儀控制模塊控制單色儀掃描相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍，得到單個(gè)通道的光譜響應(yīng)曲線；前一個(gè)通道掃描完成后，多路開關(guān)與單色儀控制模塊切換到下一個(gè)通道開始掃描，掃描波長(zhǎng)起始值為上一個(gè)通道波長(zhǎng)掃描起始值加上上一個(gè)通道的半高寬。循環(huán)進(jìn)行，這樣，最終得到成像光譜儀所有通道的光譜響應(yīng)曲線。


圖1是本發(fā)明的工作原理示意圖；圖2是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊框圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)圖1和圖2給出本發(fā)明一個(gè)較好實(shí)施例，用以說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征，技術(shù)性能和功能特點(diǎn)，而不是用來(lái)限定本發(fā)明的范圍。
系統(tǒng)采用模塊化集成的技術(shù)構(gòu)思，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下●通道波長(zhǎng)掃描范圍30nm●波長(zhǎng)步進(jìn)間隔1nm●中心波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于1nm●掃描速度3分鐘/通道。
系統(tǒng)包括如下幾個(gè)部分
1)光源選用溴鎢燈做光源，其光譜范圍從400nm-2500nm。
2)斬波器采用中國(guó)上海技術(shù)物理研究所研制的斬波器，頻率360±1Hz，避開工頻干擾。
3)單色儀采用中國(guó)北京光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的WDG30-2型掃描單色儀。其主要技術(shù)指標(biāo)波長(zhǎng)范圍為190-900nm(可擴(kuò)展為190nm-20μm)；光柵采用平面光柵1200條/mm，刻線面積50*50mm2，閃爍波長(zhǎng)λb＝500nm(可按用戶要求選配其它規(guī)格的光柵)；波長(zhǎng)準(zhǔn)確度為±0.2nm(1200線/mm光柵)；波長(zhǎng)重復(fù)性為0.1nm(1200線/mm光柵)；焦距為300mm；相對(duì)孔徑D/f＝1/6；分辨率＜0.1nm(1200線/mm光柵)；線色散倒數(shù)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(fā)明中的實(shí)驗(yàn)采用的成像光譜儀是中國(guó)上海技術(shù)物理研究所研制的第二代功能型模塊化成像光譜儀，共64個(gè)光譜通道，成像系統(tǒng)的口徑為200mm。
7)多路開關(guān)與單色儀控制模塊此模塊采用Philips半導(dǎo)體的P89C669單片機(jī)，利用單片機(jī)的兩個(gè)UART口分別與計(jì)算機(jī)和單色儀相連，用于與計(jì)算機(jī)通信和控制單色儀、切換多路開關(guān)。采用四片Analog Devices Inc.公司的ADG732，可以一次性對(duì)128個(gè)光譜通道的成像光譜儀進(jìn)行光譜定標(biāo)。
8)鎖相放大器采用Signal Recovery公司的SR5105型鎖相放大器。其主要技術(shù)指標(biāo)工作頻率為5Hz-20kHz；靈敏度滿量程范圍為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(dòng)態(tài)范圍＞80dB；時(shí)間常數(shù)0.3ms-10s；接口為RS232。
9)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集和處理軟件系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集和處理軟件在Labview8.0環(huán)境下開發(fā)完成，運(yùn)行平臺(tái)為Windows 2000。
系統(tǒng)控制軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能選擇所有通道掃描或者一段通道掃描或者單個(gè)通道掃描，硬件控制等。
數(shù)據(jù)采集軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)圖像顯示等。
數(shù)據(jù)處理軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合，高斯曲線顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。
整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是溴鎢燈光源1發(fā)出的白光聚光后經(jīng)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(lái)的單色光經(jīng)平行光管4擴(kuò)束后反射充滿成像光譜儀口徑，經(jīng)過成像光譜儀頭部光學(xué)系統(tǒng)5、6的會(huì)聚，單色光落在探測(cè)器的靈敏單元上，探測(cè)單元做出響應(yīng)，從成像光譜儀前放出來(lái)的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過多路開關(guān)7的選擇進(jìn)入鎖相放大器8，鎖相放大器8檢測(cè)出來(lái)的信號(hào)通過RS232串口92輸入計(jì)算機(jī)9。計(jì)算機(jī)9和多路開關(guān)與單色儀控制模塊7之間進(jìn)行通信，使多路開關(guān)與單色儀控制模塊控制單色儀在相應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)以1nm的步長(zhǎng)進(jìn)行掃描，對(duì)應(yīng)地，計(jì)算機(jī)9還通過鎖相放大器8采集成像光譜儀每個(gè)通道的光譜響應(yīng)，從而得到通道的離散光譜響應(yīng)曲線。對(duì)數(shù)據(jù)做高斯擬合，得到通道的光譜響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而精確地得到每個(gè)通道的響應(yīng)中心波長(zhǎng)和半高寬。將數(shù)據(jù)記錄到計(jì)算機(jī)9的硬盤，并將每個(gè)通道的光譜響應(yīng)曲線送到顯示設(shè)備顯示。
權(quán)利要求
1.一種把成像光譜儀光譜定標(biāo)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，以形成自動(dòng)光譜定標(biāo)的方法，包括步驟S1.利用多路開關(guān)與單色儀控制模塊對(duì)成像光譜儀所有通道進(jìn)行自動(dòng)切換，當(dāng)完成某一個(gè)光譜通道的光譜響應(yīng)曲線采集之后，該多路開關(guān)與單色儀控制模塊選擇切換到成像光譜儀的下一個(gè)光譜通道；S2.利用自帶兩個(gè)RS232串口的普通計(jì)算機(jī)控制單色儀、鎖相放大器、多路開關(guān)與單色儀控制模塊三個(gè)部分。
2.一種成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)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(guān)與單色儀控制模塊(7)、鎖相放大器(8)、及系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集與分析模塊，其特征在于單色光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)匯聚到成像光譜儀頭部的探測(cè)器靈敏單元上，輸出響應(yīng)經(jīng)過成像光譜儀前放、多路開關(guān)與單色儀控制模塊(7)進(jìn)入鎖相放大器(8)，相干檢測(cè)的結(jié)果通過RS232串口傳送到計(jì)算機(jī)(9)中；對(duì)每一個(gè)光譜通道，多路開關(guān)與單色儀控制模塊(7)控制單色儀掃描一定的波長(zhǎng)范圍，得到單個(gè)通道的光譜響應(yīng)曲線；前一個(gè)通道掃描完成后，多路開關(guān)與單色儀控制模塊(7)切換到下一個(gè)通道得到相應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線，從而實(shí)現(xiàn)了成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算機(jī)(9)通過一個(gè)RS232串口(91)控制多路開關(guān)與單色儀控制模塊(7)；通過另一個(gè)RS232串口(92)控制鎖相放大器(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在于成像光譜儀通道波長(zhǎng)掃描范圍的起始值為前一個(gè)通道波長(zhǎng)掃描起始值與前一個(gè)通道半高寬之和。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)通道峰值波長(zhǎng)響應(yīng)值的大小自動(dòng)調(diào)整鎖相放大器(8)的靈敏度范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在于平行光管(4)的孔徑比多路開關(guān)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(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)，屬于應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域的成像光譜儀光譜定標(biāo)技術(shù)，特別是把光譜定標(biāo)和自動(dòng)控制相結(jié)合的集成系統(tǒng)，其中成像光譜儀自動(dòng)光譜定標(biāo)系統(tǒng)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(guān)與單色儀控制器、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集與分析軟件構(gòu)成。提供成像光譜儀所有通道的光譜響應(yīng)曲線、中心波長(zhǎng)以及半高寬，可以十分方便地對(duì)成像光譜儀進(jìn)行光譜定標(biāo)，為成像光譜儀的輻射定標(biāo)、數(shù)據(jù)定量化提供依據(jù)。
文檔編號(hào)G01N21/25GK101055246SQ20071004055
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者楊宜, 肖功海, 舒嶸 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所