CN103323117B - 一种移动式宽波段傅里叶变换红外成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
一种移动式宽波段傅里叶变换红外成像光谱仪，包括迈克尔逊干涉仪、红外光学望远***、内置冷源、准直透镜、两面聚焦透镜、中波面阵红外探测器、长波面阵红外探测器以及***电路组件；迈克尔逊干涉仪包括刚性双摆臂、固定转轴、两个立体直角反射镜和分光镜；一个立体直角反射镜前方设有第一输入端口和第一输出端口，另一个前方设有第二输入端口和第二输出端口；红外光学望远***的光轴与第一输入端口光轴共线；内置冷源和准直透镜依次共轴设置，其光轴与第二输入端口光轴共线；一个聚焦透镜和中波面阵红外探测器依次共轴设置，其光轴与第一输出端口光轴共线；另一个聚焦透镜和长波面阵红外探测器依次共轴设置，其光轴与第二输出端口光轴共线。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像光谱仪，具体地指一种可在中波红外和长波红外两个波段对目标实现高精度超光谱成像的移动式宽波段傅里叶变换红外成像光谱仪。
背景技术
自上个世纪80年代第一台成像光谱仪诞生以来，红外成像光谱仪在技术和应用等方面都有了很大的发展。红外成像光谱仪具有“图谱合一”的特性，即结合了传统的光谱仪和光电成像技术的特点，可同时提供图像二维空间信息和高分辨率的光谱信息，实现对目标场景的探测和深度分析。它拥有全面的成像分析能力、较高的光谱分辨率和良好的平台通用性，在环境监测、公共安全、无损监测、国防研究等领域均有着广泛的应用价值。
红外成像光谱仪采用的分光技术直接影响其性能、结构的复杂程度、重量以及体积。目前研究和应用较为广泛的红外成像光谱仪主要分为色散型和干涉型两大类。色散型光谱仪的光谱分辨率与入射狭缝的宽度成反比，因此，要获得更高的光谱分辨率，就要不断减小狭缝的宽度，以至于光通量很小，导致***的灵敏度降低。干涉型成像光谱仪与色散型光谱仪相比具有工作光谱范围广、灵敏度高、光谱分辨率高等特点，因此通常选择干涉型成像光谱仪。其中，基于迈克尔逊干涉仪的干涉型成像光谱仪由于结构设计简单被广泛地应用。但是，现有红外成像光谱仪中的迈克尔逊干涉仪需要高精度的扫描反射镜，反射镜扫描时的倾斜和横移均会严重影响迈克尔逊干涉仪的精度，进而导致红外成像光谱仪的精度降低。人们对迈克尔逊干涉仪进行了各种改进，以提高其动镜的扫描精度，例如授权公告号为CN 100383597C的中国发明专利《傅立叶红外光谱仪动镜扫描装置》提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的体积小、控制简单的动镜扫描装置。然而，这种装置在晃动的时候，仍然存在扫描不精确的缺陷，因此适用环境有限。此外，目前的红外成像光谱仪成像波段较窄，不能够全面探测目标的光谱信息，使其应用受限，并且红外成像光谱仪在对目标成像的时候还会受到背景辐射的影响，导致目标光谱探测精度的降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种移动式宽波段傅里叶变换红外成像光谱仪，能够避免迈克尔逊干涉仪动镜倾斜或横移带来的干涉误差，使红外成像光谱仪可以适用于各种运动环境中，并且扩大成像光谱仪成像的光谱范围，消除背景辐射信号的影响，提高目标探测及超光谱成像的精度。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种移动式宽波段傅里叶变换红外成像光谱仪，包括迈克尔逊干涉仪、红外光学望远***、内置冷源、准直透镜、两面聚焦透镜、中波面阵红外探测器、长波面阵红外探测器以及***电路组件；
所述迈克尔逊干涉仪包括刚性双摆臂、固定转轴、动镜驱动装置、两个立体直角反射镜和分光镜；刚性双摆臂的两条摆臂相互垂直，刚性双摆臂的顶点安装在所述固定转轴上并连接动镜驱动装置，用于刚性双摆臂在动镜驱动装置的驱动下绕固定转轴转动；两个立体直角反射镜的顶点分别固定安装在刚性双摆臂的两条摆臂内侧，两个立体直角反射镜的顶点与刚性双摆臂顶点距离相同，且两个立体直角反射镜相对于刚性双摆臂的角平分面呈对称安装；一个立体直角反射镜的前方设有第一输入端口和第一输出端口；另一立体直角反射镜的前方设有第二输入端口和第二输出端口；第一输入端口和第一输出端口的间距与第二输入端口和第二输出端口的间距相同；第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点、第一输出端口光轴与第二输出端口光轴的交点以及刚性双摆臂顶点三点共线；所述分光镜的中心面经过第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点、第一输出端口光轴与第二输出端口光轴的交点以及刚性双摆臂顶点，且通过转动刚性双摆臂可使其角平分面与分光镜的中心面重合；分光镜的两侧分别设有相同的补偿板，用于补偿不同波长光程差；
所述红外光学望远***设置于迈克尔逊干涉仪一侧，其光轴与第一输入端口光轴共线；
所述内置冷源和准直透镜依次共轴设置于迈克尔逊干涉仪另一侧，内置冷源和准直透镜的光轴与第二输入端口光轴共线；
一个聚焦透镜和中波面阵红外探测器依次共轴设置于迈克尔逊干涉仪一侧，该聚焦透镜和中波面阵红外探测器的光轴与第一输出端口光轴共线，中波面阵红外探测器位于聚焦透镜的焦平面上；
另一个聚焦透镜和长波面阵红外探测器依次共轴设置于迈克尔逊干涉仪另一侧，该聚焦透镜和长波面阵红外探测器的光轴与第二输出端口光轴共线，长波面阵红外探测器位于聚焦透镜的焦平面上；
所述***电路组件分别与动镜驱动装置、中波面阵红外探测器和长波面阵红外探测器电连接，用于控制动镜驱动装置的动作，以及接收、转换和处理中波面阵红外探测器和长波面阵红外探测器输出的信号，输出目标的超光谱立方图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1）迈克尔逊干涉仪中刚性双摆臂及与其固定的立体直角反射镜的使用，保证了有效克服了传统结构中反射镜倾斜或者横移引起的干涉误差，显著提高了红外成像光谱仪的光谱分辨率，使其在运动过程中仍然能够稳定工作；
2）采用了内置冷源模拟产生目标场景背景辐射信号，使其与目标场景辐射光相减，消除了目标场景背景辐射的影响，显著提高了目标超光谱成像的精度，进而提高了目标探测的灵敏度；
3）同时采用中波红外面阵探测器和长波红外面阵探测器对干涉光进行探测，有效提高了超光谱成像的光谱范围，使红外成像光谱仪能够获取目标更加全面的光谱信息，有效扩展了红外成像光谱仪的应用范围；
4）本发明结构设计简单，体积小，具有很高的可靠性和实用性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为图1中迈克尔逊干涉仪的结构示意图。
图3为图1光谱仪的光路图。
图中：1—红外光学望远***，2—迈克尔逊干涉仪（其中：2.1、2.2—立体直角反射镜，2.3—刚性双摆臂，2.4—固定转轴，2.5—动镜驱动装置，2.6—分光镜，2.7、2.8—补偿板），3—内置冷源，4—准直透镜，5、6—聚焦透镜，7—中波面阵红外探测器，8—长波面阵红外探测器，9—***电路组件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的一种移动式宽波段傅里叶变换红外成像光谱仪，包括迈克尔逊干涉仪2、红外光学望远***1、内置冷源3、准直透镜4、两面聚焦透镜5、6、中波面阵红外探测器7、长波面阵红外探测器8以及***电路组件9。具体如下。
如图2所示，迈克尔逊干涉仪2包括刚性双摆臂2.3、固定转轴2.4、动镜驱动装置2.5、两个立体直角反射镜2.1、2.2和分光镜2.6。刚性双摆臂2.3的两条摆臂相互垂直，其顶点O安装在固定转轴2.4上并连接动镜驱动装置2.5，使得刚性双摆臂2.3在动镜驱动装置2.5的驱动下能够按照一定规律绕固定转轴2.4转动。两个立体直角反射镜2.1、2.2的顶点A、B分别固定安装在刚性双摆臂2.3的两条摆臂内侧，且满足OA=OB。两个立体直角反射镜2.1、2.2相对于刚性双摆臂2.3的角平分面呈对称安装，立体直角反射镜2.2的前方设有第一输入端口和第一输出端口；立体直角反射镜2.1的前方设有第二输入端口和第二输出端口；第一输入端口和第一输出端口的间距与第二输入端口和第二输出端口的间距相同。第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点、第一输出端口光轴与第二输出端口光轴的交点以及刚性双摆臂2.3顶点三点共线；分光镜2.6的中心面经过第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点C、第一输出端口光轴与第二输出端口光轴的交点D以及刚性双摆臂2.3顶点O。分光镜2.6的两侧分别设有相同的补偿板2.7、2.8，两片补偿板2.7、2.8分别与分光镜2.6平行，用于补偿不同波长光程差。
红外光学望远***1设置于迈克尔逊干涉仪2一侧，其光轴与第一输入端口光轴共线，用于将目标场景辐射的信号光压缩口径和准直后从第一输入端***入。
内置冷源3和准直透镜4依次共轴设置于迈克尔逊干涉仪2另一侧，内置冷源3和准直透镜4的光轴与第二输入端口光轴共线。内置冷源3辐射的光信号用于减小仪器内部辐射信号的影响，提高目标与仪器的对比度，该信号光经准直透镜4准直后从第二输入端***入。
聚焦透镜5和中波面阵红外探测器7依次共轴设置于迈克尔逊干涉仪2一侧，该聚焦透镜5和中波面阵红外探测器7的光轴与第一输出端口光轴共线，中波面阵红外探测器7位于聚焦透镜5的焦平面上。
聚焦透镜6和长波面阵红外探测器8依次共轴设置于迈克尔逊干涉仪2另一侧，该聚焦透镜6和长波面阵红外探测器8的光轴与第二输出端口光轴共线，长波面阵红外探测器8位于聚焦透镜6的焦平面上。
***电路组件9分别与动镜驱动装置2.5、中波面阵红外探测器7和长波面阵红外探测器8电连接，用于控制动镜驱动装置2.5的动作，以及接收、转换和处理中波面阵红外探测器7和长波面阵红外探测器8的光信号，最终输出目标的超光谱立方图像。
本发明的工作原理为：目标场景辐射的信号光（全波段）经红外光学望远***1压缩口径和准直之后入射到迈克尔干涉仪2的第一输入端口，内置冷源3辐射的光信号经准直透镜4准直后入射到迈克尔干涉仪2的第二输入端口。迈克尔逊干涉仪2分别对目标场景辐射的信号光和内置冷源3辐射的光信号进行干涉，并输出两路干涉光。从迈克尔逊干涉仪2第一输出端***出的光信号经过聚焦透镜5聚焦到中波面阵红外探测器7的焦平面上，经过中波面阵红外探测器7将光信号转换为模拟电信号。从迈克尔逊干涉仪2第二输出端***出的光信号经过聚焦透镜聚6焦到长波面阵红外探测器8的焦平面上，长波面阵红外探测器8将光信号转换为模拟电信号。***电路组件9控制两个探测器以及迈克尔逊干涉仪2的工作过程，并且将两个探测器输出的模拟电信号转换为数字信号并进行傅里叶变换等处理，最终输出目标的超光谱立方图像。
如图3所示，设目标场景辐射的信号光经红外光学望远***1后的光信号为I 1 ，内置冷源3发出的辐射光经过迈克尔逊干涉仪2之后在输出端与目标场景背景辐射光相差1800相位角，内置冷源3发出的信号经准直透镜4后的光信号为I 2 。本发明的更详细的操作过程如下：
1）动镜驱动装置2.5控制刚性双摆臂2.3绕固定转轴2.4转动一定角度θ i ；
2）I 1 经过分光镜2.6后被分为两束光I 11 和I 12 ，I 2 经过分光镜2.6后被分为两束光I 21 和I 22 ；
3）I 11 和I 12 分别经过立体直角反射镜2.1和立体直角反射镜2.2反射后再次回到分光镜2.6分光，最终输出两束干涉光O 11和O 12。I 21 和I 22 分别经过立体直角反射镜2.1和立体直角反射镜2.2反射后再次经过分光镜2.6分光，最终输出两束干涉光O 21和O 22，其中I 11 和I 12 的光程差为θ i 的函数f(θ i )，I 21 和I 22 也为f(θ i )。在上述过程中，两个补偿板2.7补偿不同波长光程差；
4）中波面阵红外探测器7接收到光信号是由迈克尔逊干涉仪2第一输出端口输出的O 11和O 21的叠加信号。长波面阵红外探测器8接收到光信号是由迈克尔逊干涉仪2第二输出端口输出的O 12和O 22的叠加信号。由于O 11和O 21相差1800相位角，O 12和O 22相差1800相位角，所以中波面阵红外探测器7实际接受到的光信号为O 11与O 21的差，长波面阵红外探测器8也是类似情况。两个探测器将接受到的光信号转换为模拟电信号并传输给***电路组件9进行后续处理；
5）***电路组件9将接受到的模拟电信号转变为数字信号，并存储起来，然后再次回到步骤1），重复步骤1）~5）；
6）在上述过程中，动镜驱动装置2.5控制一系列光程差f(θ i )按照一定的变化步长d成线性分布。当动镜驱动装置2.5控制刚性双臂摆2.3摆动了一周期后，***电路组件9对这一周期内获取的一系列图像对应的每个像素位置的数据进行傅里叶变换，即可得到这个像素位置对应的超光谱成像，最终得到整个目标的超光谱立方图像。为了保证较高光谱分辨率，通常光程差变化步长d不超过300nm。
Claims (1)
1.一种移动式宽波段傅里叶变换红外成像光谱仪，其特征在于：包括迈克尔逊干涉仪（2）、红外光学望远***（1）、内置冷源（3）、准直透镜（4）、两组聚焦透镜（5、6）、中波面阵红外探测器（7）、长波面阵红外探测器（8）以及***电路组件（9）；
所述迈克尔逊干涉仪（2）包括刚性双摆臂（2.3）、固定转轴（2.4）、动镜驱动装置（2.5）、两个立体直角反射镜（2.1、2.2）和分光镜（2.6）；刚性双摆臂（2.3）的两条摆臂相互垂直，刚性双摆臂（2.3）的顶点安装在所述固定转轴（2.4）上并连接动镜驱动装置（2.5），用于刚性双摆臂（2.3）在动镜驱动装置（2.5）的驱动下绕固定转轴（2.4）转动；两个立体直角反射镜（2.1、2.2）的顶点分别固定安装在刚性双摆臂（2.3）的两条摆臂内侧，两个立体直角反射镜（2.1、2.2）的顶点与刚性双摆臂（2.3）顶点距离相同，且两个立体直角反射镜（2.1、2.2）相对于刚性双摆臂（2.3）的角平分面呈对称安装；一个立体直角反射镜（2.2）的前方设有第一输入端口和第一输出端口；另一立体直角反射镜（2.1）的前方设有第二输入端口和第二输出端口；第一输入端口和第一输出端口的间距与第二输入端口和第二输出端口的间距相同；第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点、第一输出端口光轴与第二输出端口光轴的交点以及刚性双摆臂（2.3）顶点三点共线；所述分光镜（2.6）的中心面经过第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点、第一输出端口光轴与第二输出端口光轴的交点以及刚性双摆臂（2.3）顶点，且通过转动刚性双摆臂（2.3）可使其角平分面与分光镜（2.6）的中心面重合；分光镜（2.6）的两侧分别设有相同的补偿板（2.7、2.8），用于补偿不同波长光程差；
所述红外光学望远***（1）设置于迈克尔逊干涉仪（2）一侧，其光轴与第一输入端口光轴共线；
所述内置冷源（3）和准直透镜（4）依次共轴设置于迈克尔逊干涉仪（2）另一侧，内置冷源（3）和准直透镜（4）的光轴与第二输入端口光轴共线；
一个聚焦透镜（5）和中波面阵红外探测器（7）依次共轴设置于迈克尔逊干涉仪（2）一侧，该聚焦透镜（5）和中波面阵红外探测器（7）的光轴与第一输出端口光轴共线，中波面阵红外探测器（7）位于聚焦透镜（5）的焦平面上；
另一个聚焦透镜（6）和长波面阵红外探测器（8）依次共轴设置于迈克尔逊干涉仪（2）另一侧，该聚焦透镜（6）和长波面阵红外探测器（8）的光轴与第二输出端口光轴共线，长波面阵红外探测器（8）位于聚焦透镜（6）的焦平面上；
所述***电路组件（9）分别与动镜驱动装置（2.5）、中波面阵红外探测器（7）和长波面阵红外探测器（8）电连接，用于控制动镜驱动装置（2.5）的动作，以及接收、转换和处理中波面阵红外探测器（7）和长波面阵红外探测器（8）输出的信号，输出目标的超光谱立方图像。
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