基于滤波效应的成像光谱仪及高空间分辨率光谱成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于滤波效应的成像光谱仪及高空间分辨率光谱成像方法，成像光谱仪包括前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片、控制器件、数据计算与分析系统；本发明专利技术所公开的成像光谱仪通过控制器件控制滤波器件，不同控制条件下同一个像素元所探测到的光强度互不相同，代入到矩阵方程计算光谱，可通过控制器件输出更多的控制参数，实现更高的光谱分辨率；由于阵列式探测芯片上的像素元数量较多，通过对待测目标进行区域划分，每个像素元都可以用来作为单独的探测器对待测成像区域的不同子单元区域进行光谱测量，因此光谱成像的空间分辨率较高。与传统成像光谱仪相比，本发明专利技术所公开的成像光谱仪体积较小，成本较低，性能较高。

Imaging Spectrometer and High Spatial Resolution Spectral Imaging Method Based on Filtering Effect

The invention discloses an imaging spectrometer based on filtering effect and a high spatial resolution spectral imaging method. The imaging spectrometer includes a pre-device, a filter device, a collimating device, an array detection chip, a control device, a data calculation and analysis system; the imaging spectrometer disclosed by the invention controls a filter device through a control device, and the same pixel under different control conditions. The intensity of light detected by the elements is different from each other, and can be substituted into the matrix equation to calculate the spectrum, which can achieve higher spectral resolution by outputting more control parameters through the controller. Because the number of pixels on the array detection chip is large, each pixel can be used as a separate detector to treat different sub-regions of the imaging region. The spatial resolution of spectral imaging is high because spectral measurement is carried out in the unit area. Compared with the traditional imaging spectrometer, the imaging spectrometer disclosed by the invention has smaller volume, lower cost and higher performance.

【技术实现步骤摘要】
基于滤波效应的成像光谱仪及高空间分辨率光谱成像方法
本专利技术涉及一种获得空间维和光谱维丰富信息的成像光谱仪及其光谱成像方法，可用于高空间分辨率和高光谱分辨率的遥感与成像

技术介绍
成像光谱仪可以获得被测目标的二维空间信息和一维光谱信息构成的数据立方体。随着超光谱成像技术的不断发展，星载超光谱成像将被应用在越来越多的领域，发展前景广阔。它在军事上可用于识别各种伪装目标，探测大规模杀伤性武器的释放，调查武器生产、海军作战、打击效果评价、检测我军战略武器、基地的伪装效果、改进和发展我国的伪装技术。民用领域可应用于农作物长势和产量评估、作物类别调查和病虫害监测、林业遥感、海洋资源普查、水色水质变化、叶绿素和浮游生物含量分析、海岸带和海洋生态变化及海洋污染监测、地质资源调查、环境监测、洪涝、干旱、冰雹、林火和地震等多种灾害监测与灾情评估。该技术除了主要的机载、星载遥感平台应用需求外，在很多近距战术观测平台上都有着巨大的潜在应用需求，因此研究适合需要的小型化、实用化、低成本的光谱成像仪器和相关探测方法具有重要意义，是成像光谱探测技术的一个重要研究趋势。而现有的便携式成像光谱仪多基于光栅色散方式实现光谱分光，光栅成本较高，且在光谱测量上存在光谱分辨率与空间分辨率难以兼顾等问题。现有的商用成像光谱仪空间分辨率较低，一般为几十甚至几百米。如果采用现有成像光谱仪产品，人造卫星对地面进行遥感监测时，由于人造卫星上的成像光谱仪离地面较远，普通相机所拍摄的地面某个微小的像点可能就是需要监测的重要目标，该像点采用空间分辨率不够的商用成像光谱仪可能就无法监测。因此需要开发同时具有较高空间分辨率和光谱分辨率的成像光谱仪。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种满足实际应用需要的、低成本、高空间分辨率和高光谱分辨率的成像光谱仪。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种基于滤波效应的成像光谱仪，包括前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片、控制器件、数据计算与分析系统；所述前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片沿光路方向依次设置；所述前置器件位于所述滤波器件之前，前置器件使得待测光谱成像区域内各部位所发出的一束光以固定角度分别入射到滤波器件表面的不同部位，而将其它光滤除；所述滤波器件可令入射光的能量部分地转化为其他能量形式，且相同频率相同强度的入射光经过滤波器件的不同部位后所透射出光的光强不同，且不同频率相同强度的入射光经过滤波器件的相同部位后所透射出光的光强也不相同；所述准直器件设置于所述滤波器件和阵列式探测芯片之间，使得滤波器件的不同部位所射出的光分别投射在阵列式探测芯片内不同位置处的像素元；所述阵列式探测芯片包括一系列具有相同频谱响应的像素元；所述控制器件用于控制滤波器件，使得相同频率相同强度的入射光在控制器件不同控制条件下被阵列式探测芯片中的同一个像素元所探测到的强度互不相同；所述数据计算与分析系统记录每一次控制条件下各像素元所测值，通过对不同控制条件下各像素元探测到的数据进行分析处理得到待测光谱成像区域的光谱成像。优选地，所述控制器件通过电调制、光调制、机械调制、磁调制、超声调制或者以上调制方法的组合，以改变滤波器件中滤波孔或滤波缝的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变滤波器件与阵列式探测芯片内同一个像素元之间的相对位置或者放置角度，以上控制条件改变后阵列式探测芯片中同一个像素元所探测到的光强度会发生变化。优选地，所述前置器件包括前置入射光学组件、第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，待测光谱成像区域所发出的光射向所述前置入射光学组件后出射的其中一束光平行于第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴，所述第一小孔光阑间隙设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间的共同焦点处。优选地，所述准直器件包括第三凸透镜、第二小孔光阑和第四凸透镜，所述第二小孔光阑间隙设置于第三凸透镜和第四凸透镜之间的共同焦点处，所述第三凸透镜和第四凸透镜的主光轴重合。优选地，所述滤波器件和阵列式探测芯片之间距离小于阵列式探测芯片中相邻像素元之间距离，所述准直器件为空气。优选地，所述成像光谱仪还包括设置于所述散射器件之前或之后的光波长转换部件，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料；所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内；所述波长转换光学材料为一切具有吸收一种波长的光，并发射其它不同波长光的特性的材料，或这些材料的组合。本专利技术还揭示了一种基于滤波效应的成像光谱仪的高空间分辨率光谱成像方法，该方法包括以下步骤：S1：将所述成像光谱仪所能探测的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各频段的中心频率为f1,f2,…fn；成像光谱仪所能探测的频率范围按照以下方法确定：从光波长转换部件所包含的所有波长转换光学材料的吸收光谱以及阵列式探测芯片所能探测的频率范围中选出频率最大值和频率最小值，所述频率最大值和频率最小值之间的频率范围即为所述成像光谱仪所能探测的频率范围。S2：令所述控制器件在不同时刻先后输出n个控制参数，在这n个控制参数的作用下从滤波器件射出光的光强分布互不相同，相应地所述阵列式探测芯片上第m个像素元在这n个控制参数的作用下可以分别探测到n个不同的光强度，第m个像素元先后所测的这n个不同的光强度分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为Im1,Im2,…Imn；S3：假设第m个像素元所测到的光来自待测光谱成像区域内的第m个子单元区域所出的光，通过求解以下矩阵方程可得到待测光谱成像区域内的第m个子单元区域(m≤k，k代表像素元数量)发出的光中各中心频率为f1,f2,…fn的频段的光分量的强度Im(f1),Im(f2),…Im(fn):其中为校准矩阵，校准矩阵H中各单元Hmij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)为中心频率为fj的窄带校准光，经过控制器件第i个控制参数控制下的滤波器件后，所述阵列式探测芯片的第m个像素元所探测到的光强度，与中心频率为fj的窄带校准光经过所述滤波器件之前光强度，分别减去环境噪声后的比值，通过实验预先测得；S4：对Im(f1),Im(f2),…Im(fn)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测光谱成像区域内第m个子单元区域所发出光的光谱；S5：阵列式探测芯片k个不同的像素元分别接收待测光谱成像区域k个不同子单元区域所发出的光，令m分别取1,2…k，采用以上步骤，求解多个矩阵方程，即可分别得到待测光谱成像区域各个子单元区域的光谱，在得到空间维的光谱信息后，通过将所得结果进行计算和处理，即可得到待测光谱成像区域所发各频率光的像。优选地，在所述S3步骤中的矩阵方程可通过凸优化算法、正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法等数学优化算法的其中一种或其改进方法求解。优选地，在凸优化算法、正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法的基础上加入光滑系数项，使得所述S4步骤中拟合得到的光谱曲线更加平顺光滑。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：该技术方案提出一种小型化、低成本、高空间分辨率和高光谱分辨率的成像光谱仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：包括前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片、控制器件、数据计算与分析系统；所述前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片沿光路方向依次设置；所述前置器件位于所述滤波器件之前，前置器件使得待测光谱成像区域内各部位所发出的一束光以固定角度分别入射到滤波器件表面的不同部位，而将其它光滤除；所述滤波器件可令入射光的能量部分地转化为其他能量形式，且相同频率相同强度的入射光经过滤波器件的不同部位后所透射出光的光强不同，且不同频率相同强度的入射光经过滤波器件的相同部位后所透射出光的光强也不相同；所述准直器件设置于所述滤波器件和阵列式探测芯片之间，使得滤波器件的不同部位所射出的光分别投射在阵列式探测芯片内不同位置处的像素元；所述阵列式探测芯片包括一系列具有相同频谱响应的像素元；所述控制器件用于控制滤波器件，使得相同频率相同强度的入射光在控制器件不同控制条件下被阵列式探测芯片中的同一个像素元所探测到的强度互不相同；所述数据计算与分析系统记录每一次控制条件下各像素元所测值，通过对不同控制条件下各像素元探测到的数据进行分析处理得到待测光谱成像区域的光谱成像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：包括前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片、控制器件、数据计算与分析系统；所述前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片沿光路方向依次设置；所述前置器件位于所述滤波器件之前，前置器件使得待测光谱成像区域内各部位所发出的一束光以固定角度分别入射到滤波器件表面的不同部位，而将其它光滤除；所述滤波器件可令入射光的能量部分地转化为其他能量形式，且相同频率相同强度的入射光经过滤波器件的不同部位后所透射出光的光强不同，且不同频率相同强度的入射光经过滤波器件的相同部位后所透射出光的光强也不相同；所述准直器件设置于所述滤波器件和阵列式探测芯片之间，使得滤波器件的不同部位所射出的光分别投射在阵列式探测芯片内不同位置处的像素元；所述阵列式探测芯片包括一系列具有相同频谱响应的像素元；所述控制器件用于控制滤波器件，使得相同频率相同强度的入射光在控制器件不同控制条件下被阵列式探测芯片中的同一个像素元所探测到的强度互不相同；所述数据计算与分析系统记录每一次控制条件下各像素元所测值，通过对不同控制条件下各像素元探测到的数据进行分析处理得到待测光谱成像区域的光谱成像。2.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述控制器件通过电调制、光调制、机械调制、磁调制、超声调制或者以上调制方法的组合，以改变滤波器件中滤波孔或滤波缝的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变滤波器件与阵列式探测芯片内同一个像素元之间的相对位置或者放置角度，以上控制条件改变后阵列式探测芯片中同一个像素元所探测到的光强度会发生变化。3.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述前置器件包括前置入射光学组件、第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，待测光谱成像区域所发出的光射向所述前置入射光学组件后出射的其中一束光平行于第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴，所述第一小孔光阑间隙设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间的共同焦点处。4.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述准直器件包括第三凸透镜、第二小孔光阑和第四凸透镜，所述第二小孔光阑间隙设置于第三凸透镜和第四凸透镜之间的共同焦点处，所述第三凸透镜和第四凸透镜的主光轴重合。5.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述滤波器件和阵列式探测芯片之间距离小于阵列式探测芯片中相邻像素元之间距离，所述准直器件为空气。6.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述成像光谱仪还包括设置于所述散射器件之前或之后的光波长转换部件，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料；所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，黄维，何浩培，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32