用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统，目的是为主动高光谱成像系统提供光谱范围宽、功率水平高、均匀化照明的方案。本发明专利技术由第一超连续谱光源、第二超连续谱光源、信标光源、宽谱光纤合束器、光纤端帽、发射模块、调制控制模块组成；发射模块为离轴反射镜组，调制控制模块向第一超连续谱光源和第二超连续谱光源分别发送两种电触发信号，使得第一超连续谱光源和第二超连续谱光源发射光谱范围不同的超连续谱脉冲，宽谱光纤合束器将超连续谱脉冲合束，光纤端帽将接收的超连续谱脉冲出射至发射模块，发射模块对接收的超连续谱进行扩束、调焦，并发射至目标处，实现均匀化照明。本发明专利技术光谱范围宽、功率水平高、照明均匀。

【技术实现步骤摘要】
用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统
本专利技术涉及一种用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统，属于激光

技术介绍
高光谱成像技术是传统二维成像技术和光谱技术有机结合而形成的一种新型成像技术。利用成像光谱仪，可在数十、甚至数百条光谱波段对目标物体连续成像，在获得目标形貌特征的同时，也获得目标的光谱信息。通过不同目标反射光谱的“指纹”效应，对目标进行探测和识别。目前，高光谱成像技术已应用在农业、植被生态、地质矿产、海洋科学等领域。传统意义上的高光谱成像系统多基于被动成像技术，即依靠太阳光等自然光对目标进行照明，由成像光谱仪对目标成像，因而在工作时间、成像质量等方面易受目标处天气和地理环境等因素的影响。尤其是，在夜晚以及阴天等光照不足的条件下，经常会存在目标反射光子数不足的情况，使高光谱成像仪难以采集到有效数据。为了突破被动高光谱成像技术在工作时间和成像质量等方面的局限，拓展高光谱成像技术的应用范围，主动高光谱成像技术得到发展。主动高光谱成像系统以人工光源替代自然光源，实现对目标的主动照明，因而能够全天时工作。在实验室中，主动高光谱成像系统中的照明系统通常采用传统的宽谱光源(如白炽灯、卤素光源等)作为光源，但这种光源光束质量差、亮度低，因而该照明系统只能对目标进行近距离照明，无法满足高光谱成像仪远距离工作的需求。激光光源光束质量好、亮度高，可实现远距离传输；但一般的激光光源输出波长单一，无法满足高光谱成像技术对宽光谱的要求。目前多光谱照明光源已经得到报道，并实现了少数几个波长的主动照明，但不能满足高光谱成像技术对光谱宽度的应用需求。因此，宽光谱、高功率、高亮度的照明系统成为全天时、远距离主动高光谱成像技术研究和发展的瓶颈问题。目前尚没有为远距离高光谱成像提供照明光源的照明系统。超连续谱光源作为一种新型激光光源，具有输出光谱宽、亮度高、空间相干性好等优点，根据应用需求能够选择性覆盖从可见光、近红外到短波中红外的光谱范围，光束质量、亮度、光谱平坦性等参数远远优于卤素光源、白炽灯等传统的宽谱光源。超连续谱光源同时具备普通光源光谱宽和一般激光光源长距离传输的特性，能够解决远距离主动高光谱成像系统的光源问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，目前各种基于传统宽谱光源的照明系统均不能同时满足高光谱成像技术对照明系统光谱范围、光束质量、功率密度、均匀化照明等方面的要求。本专利技术提出一种近红外超连续谱照明系统，为主动高光谱成像系统提供一种光谱范围宽、功率水平高、均匀化照明的解决方案。本专利技术采用的技术方案是：一种用于主动高光谱成像技术的近红外超连续谱照明系统，由第一超连续谱光源、第二超连续谱光源、信标光源、宽谱光纤合束器、光纤端帽、发射模块、调制控制模块组成。发射模块为离轴反射镜组，由准直镜、中继镜、发射次镜和发射主镜组成。其中，准直镜为凹面反射镜，中继镜为平面反射镜，发射次镜为凸面反射镜，发射主镜为凹面反射镜。上述离轴反射镜组的放置方法为：光纤端帽放的位置须保证发射模块能够完全接收光纤端帽出射的光束，光纤端帽的输出端位于准直镜的焦面上，且准直镜能够完全接收光纤端帽出射的光束；前后两面反射镜的反射面两两相对，并且后一面反射镜能够完全接收前一面反射镜反射的光束。可以通过改变发射次镜和发射主镜之间的距离来改变出射光束的发散角和目标处超连续谱光斑的大小。所述发射模块采用的这种全反射式超连续谱光源准直扩束发射系统，可以避免产生色差以及透射式系统中透镜材料和遮拦引起的光能量损耗，从而获得高效率发射。超连续谱首先经过准直镜扩束，然后通过发射次镜和发射主镜二级扩束后发射至目标处。第一超连续谱光源连接宽谱光纤合束器的第一输入纤，第二超连续谱光源连接宽谱光纤合束器的第二输入纤，信标光源连接宽谱光纤合束器的第三输入纤，宽谱光纤合束器的输出纤连接光纤端帽的输入纤。光纤端帽的输出端位于发射模块中的准直镜的焦平面上。所述第一超连续谱光源和第二超连续谱光源均为基于光纤放大器的超连续谱光源。要求第一超连续谱光源产生光谱范围为1-2μm的超连续谱，第二超连续谱光源产生光谱范围为2-2.5μm的超连续谱。第一超连续谱光源采用宋锐、侯静、刘通、杨未强、陆启生等在学术论文Ahundredsofwattall-fibernear-infraredsupercontinuum(数百瓦量级全光纤近红外超连续谱，发表在LaserPhysicsLetters，即激光物理快报，2013年第10期，065402)中图1所示的全光纤高功率超连续谱光源结构，其输出的光谱如该论文中图3(a)所示，光谱覆盖范围为1-2μm。第二超连续谱光源采用殷科、朱荣臻、张斌、江天、陈胜平、侯静等在学术论文Ultrahigh-brightness,spectrally-flat,shortwaveinfraredsupercontinuumsourceforlong-rangeatmosphericapplications(远程大气应用相关的超高亮度、光谱平坦型短波红外超连续谱光源，发表在OpticsExpress，即光学快讯，2016年，第24卷，第18期，第20010至第20020页)中图4所示的超连续谱光源结构，其输出的光谱如该论文中图5所示，光谱覆盖范围为2-2.5μm。所述信标光源为可见光波段光纤输出的激光器。工作波长为380-780nm范围内的任意波长。所述信标光源可以为连续波激光器，也可以为脉冲激光器。所述信标光源的作用是，为发射模块的调试提供指示光。所述宽谱光纤合束器是基于石英光纤的宽谱光纤合束器，要求能够对1-2μm波段和2-2.5μm波段的超连续谱进行低损耗合束，插入损耗应小于0.25dB。所述宽谱光纤合束器采用周航、靳爱军、陈子伦、张斌、周旋风、陈胜平、侯静、陈金宝等在学术论文Combinedsupercontinuumsourcewith>200Wpowerusinga3×1broadbandfiberpowercombiner(基于3×1宽谱光纤合束器的200瓦级超连续谱光源，发表在OpticsLetters，即光学快报，2015年，第40卷，第16期，第3810至3813页)中图1所示的宽谱光纤功率合束器结构。本专利技术所述的宽谱光纤合束器是在该论文中图1所示的宽谱光纤功率合束器基础上，对输出纤的参数(即输出纤纤芯直径、纤芯的数值孔径、拉锥比例、拉锥过渡区长度)进行优化得到的。所述宽谱光纤合束器的输出纤为多模光纤，输出纤纤芯直径为50-100μm范围内的任意值，纤芯的数值孔径为0.08-0.25范围内的任意值；宽谱光纤合束器中光纤组束的拉锥比例满足：拉锥完毕后，光纤组束锥腰处各根信号纤的纤芯均位于输出纤的纤芯面积范围内；拉锥过渡区长度范围为6-15mm。所述宽谱光纤合束器的输出纤的纤芯直径和数值孔径须满足对光斑的独立散斑激光模式数M的要求，光斑的独立散斑激光模式数M须满足对光斑的散斑对比度C的要求。主动高光谱成像照明应用场合对光强均匀度有一定要求。光强均匀度一般用散斑对比度C来衡量，C的定义为光斑的光强起伏均方根值与光强平均值的比值。C越小，光斑的光强分布越均匀。研究表明，对于M个独立散斑激光模式，光斑的散斑对比度C＝M-1/2，即M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统，其特征在于用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统由第一超连续谱光源(11)、第二超连续谱光源(12)、信标光源(13)、宽谱光纤合束器(14)、光纤端帽(15)、发射模块(16)、调制控制模块(17)组成；第一超连续谱光源(11)和第二超连续谱光源(12)均为基于光纤放大器的超连续谱光源，信标光源(13)为可见光波段光纤输出的激光器，信标光源(13)为发射模块(16)的调试提供指示光；宽谱光纤合束器(14)是基于石英光纤的宽谱光纤合束器；第一超连续谱光源(11)连接宽谱光纤合束器(14)的第一输入纤，第二超连续谱光源(12)连接宽谱光纤合束器(14)的第二输入纤，信标光源(13)连接宽谱光纤合束器(14)的第三输入纤，宽谱光纤合束器(14)的输出纤连接光纤端帽(15)的输入纤；光纤端帽(15)为基于石英玻璃的光纤端帽，光纤端帽(15)放的位置须保证发射模块(16)能够完全接收光纤端帽(15)出射的光束；调制控制模块(17)是一个数字信号发生器，与第一超连续谱光源(11)、第二超连续谱光源(12)相连，并外接成像光谱仪22；调制控制模块(17)向第一超连续谱光源(11)和第二超连续谱光源(12)分别发送第一电触发信号和第二电触发信号，第一超连续谱光源(11)接收第一电触发信号，输出的超连续谱脉冲簇与第一电触发信号相同，第二超连续谱光源(12)接收第二电触发信号，输出的超连续谱脉冲簇与第二电触发信号相同；第一超连续谱光源(11)和第二超连续谱光源(12)发射光谱范围不同的超连续谱脉冲，宽谱光纤合束器(14)将第一超连续谱光源(11)和第二超连续谱光源(12)发射的超连续谱脉冲合束，光纤端帽(15)将宽谱光纤合束器(14)输出的超连续谱脉冲出射至发射模块(16)，发射模块(16)对接收到的超连续谱进行扩束、调焦，将扩束、调焦后的超连续谱发射至目标处，实现对目标的均匀化照明；调制控制模块(17)向外接成像光谱仪22发送第三电触发信号，控制外接成像光谱仪(22)的开启和关闭，实现信号接收。...

【技术特征摘要】
1.一种用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统，其特征在于用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统由第一超连续谱光源(11)、第二超连续谱光源(12)、信标光源(13)、宽谱光纤合束器(14)、光纤端帽(15)、发射模块(16)、调制控制模块(17)组成；第一超连续谱光源(11)和第二超连续谱光源(12)均为基于光纤放大器的超连续谱光源，信标光源(13)为可见光波段光纤输出的激光器，信标光源(13)为发射模块(16)的调试提供指示光；宽谱光纤合束器(14)是基于石英光纤的宽谱光纤合束器；第一超连续谱光源(11)连接宽谱光纤合束器(14)的第一输入纤，第二超连续谱光源(12)连接宽谱光纤合束器(14)的第二输入纤，信标光源(13)连接宽谱光纤合束器(14)的第三输入纤，宽谱光纤合束器(14)的输出纤连接光纤端帽(15)的输入纤；光纤端帽(15)为基于石英玻璃的光纤端帽，光纤端帽(15)放的位置须保证发射模块(16)能够完全接收光纤端帽(15)出射的光束；调制控制模块(17)是一个数字信号发生器，与第一超连续谱光源(11)、第二超连续谱光源(12)相连，并外接成像光谱仪22；调制控制模块(17)向第一超连续谱光源(11)和第二超连续谱光源(12)分别发送第一电触发信号和第二电触发信号，第一超连续谱光源(11)接收第一电触发信号，输出的超连续谱脉冲簇与第一电触发信号相同，第二超连续谱光源(12)接收第二电触发信号，输出的超连续谱脉冲簇与第二电触发信号相同；第一超连续谱光源(11)和第二超连续谱光源(12)发射光谱范围不同的超连续谱脉冲，宽谱光纤合束器(14)将第一超连续谱光源(11)和第二超连续谱光源(12)发射的超连续谱脉冲合束，光纤端帽(15)将宽谱光纤合束器(14)输出的超连续谱脉冲出射至发射模块(16)，发射模块(16)对接收到的超连续谱进行扩束、调焦，将扩束、调焦后的超连续谱发射至目标处，实现对目标的均匀化照明；调制控制模块(17)向外接成像光谱仪22发送第三电触发信号，控制外接成像光谱仪(22)的开启和关闭，实现信号接收。2.如权利要求1所述的用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统，其特征在于所述第一超连续谱光源(11)产生光谱范围为1-2μm的超连续谱，第二超连续谱光源(12)产生光谱范围为2-2.5μm的超连续谱。3.如权利要求2所述的用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统，其特征在于所述第一超连续谱光源(11)采用宋锐、侯静、刘通、杨未强、陆启生在激光物理快报2013年第10期的学术论文“Ahundredsofwattall-fibernear-infraredsupercontinuum”即“数百瓦量级全光纤近红外超连续谱”中图1所示的全光纤高功率超连续谱光源结构；所述第二超连续谱光源(12)采用殷科、朱荣臻、张斌、江天、陈胜平、侯静在2016年第24卷第18期光学快讯上的学术论文“Ultrahigh-brightness,spectrally-flat,shortwaveinfraredsupercontinuumsourceforlong-rangeatmosphericapplications”即“远程大气应用相关的超高亮度、光谱平坦型短波红外超连续谱光源”中图4所示的超连续谱光源结构。4.如权利要求1所述的用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统，其特征在于所述信标光源(13)工作波长为380-780nm范围内的任意波长，信标光源(13)为连续波激光器或脉冲激光器。5.如权利要求1所述的用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统，其特征在于所述宽谱光纤合束器(14)要求能够对1-2μm波段和2-2.5μm波段的超连续谱进行低损耗合束，插入损耗小于0.25dB。6.如权利要求1所述的用于主动高光谱成像的近红外超连续谱照明系统，其特征在于所述宽谱光纤合束器(14)采用周航、靳爱军、陈...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯静，陈胜平，张斌，陈子伦，李志鸿，殷科，杨林永，姚金妹，雷成敏，刘广琛，蔡振，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43