CN106500843A - 一种成像光谱仪最佳像面检校方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像光谱仪最佳像面检校方法及装置，其采用步进扫描平行光管分划板位置，通过三维旋转台调整平行光管与成像光谱仪光轴的夹角，通过离焦测量以及软件分析处理来检测成像光谱仪的最佳像面位置，无需频繁移动成像光谱仪探测器的位置，使检测工作强度大大降低；并且，还采用计算成像光谱仪的不同视场不同波长MTF最大值的方法拟合成像光谱仪的最佳成像像面，检测精度有显著提高；同时，采用特制的分划板，可以用于成像光谱仪综合像差、谱线弯曲以及色畸变的综合评测；此外，采用光纤传像束耦合不同波长的单色光，可以用于成像光谱仪的光谱位置的快速标定，可用于成像光谱仪野外光谱标定。

Description

一种成像光谱仪最佳像面检校方法及装置

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及一种成像光谱仪最佳像面检校方法及装置。

背景技术

成像光谱仪是近年来随着对地观测的需求和光电技术的进步发展起来的新一代遥感仪器，将传统的二维成像遥感技术与光谱仪技术有效的结合在一起，在获取观测对象二维空间信息的同时获取目标的光谱信息。所获得的光谱图像数据中包括目标的光谱信息，可以揭示地物的光谱特性以及物质成分，在大气、海洋和陆地等探测中有广泛的应用。

机载宽视场成像光谱仪的一个重要指标就是大视场，视场是遥感仪器的重要指标，它决定了遥感仪器全球覆盖和局部重复观测周期。总视场越大，周期越小，工作效率越高。

机载大视场成像光谱仪由飞行平台的运动完成大范围的推扫成像，地物反射太阳光经成像光谱仪后，不同波长的光会聚于焦平面探测器的不同位置，由于前置镜的色差及场曲存在，不同波长的光经***后其焦面位置并不完全一致，这在很大程度上影响着部分光谱段部分视场的分辨能力。一般的像差特征曲线是在高斯像面上取值绘制的，但高斯像面不一定是实际成像***的最佳像面，因此，可以通过离焦的方法选取最佳像面。在成像光谱仪的研制过程中，特别是在***装校阶段，面阵探测器的放置位置在最大程度上同时符合各波段焦面位置的要求成为当前需要解决的关键问题。传统方法一般采用平行光管模拟无穷远地物，使用读数显微镜测出***的焦面位置，以这个焦面位置为基础微调面阵探测器至一个相对理想的位置，这种方法的缺点在于使用目视光学***测量及判断，受个人主观因素影响较大，同时该调校方法也不能最大程度上解决部分光谱波段部分视场分辨率下降的问题。

机载大视场成像光谱仪由于飞行平台的振动，经过多次任务后，成像光谱仪的谱线位置容易发生偏移，影响成像光谱仪地物的光谱准确性，因此，在野外对成像光谱仪的光谱位置进行标校与修正也十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种成像光谱仪最佳像面检校方法及装置，无需时时调整成像光谱仪的探测器，一次测量后通过图像处理，拟合出最佳像面的位置，计算出探测器修磨垫的修整量，实现成像光谱仪与探测器的快速精准对接，有利于宽视场高光谱成像仪探测器的快速准确的调校。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种成像光谱仪最佳像面检校装置，包括：靶面位置可调的平行光管、三维旋转台、成像光谱仪以及计算机控制***；其中，靶面位置可调的平行光管放置在三维旋转台上，且靶面位置可调的平行光管与成像光谱仪共光轴或呈一定角度；

所述靶面位置可调的平行光管包括：多光谱光源、毛玻璃、分划板、电动平移台与准直镜；所述多光谱光源、毛玻璃、分划板与准直镜依次设置，且多光谱光源、毛玻璃与分划板放置在电动平移台上；

所述成像光谱仪包括：依次设置的前置镜、光谱仪、探测器修磨垫及探测器；

所述电动平移台、三维旋转台及探测器均与计算机控制***相连。

所述分划板上根据成像光谱仪的技术指标，设有特定的图样，从而实现成像光谱仪综合像差、谱线弯曲以及色畸变的综合评测。

所述多光谱光源为利用光纤传像束耦合的多光谱光源，用于成像光谱仪光谱位置的快速标定。

一种成像光谱仪最佳像面检校方法，该方法利用权利要求前述的成像光谱仪最佳像面检校装置实现，其步骤如下：

步骤a、调整分划板位于准直镜的焦面处，此时分划板的位置坐标为Z₀；

步骤b、调整靶面可调平行光管与成像光谱仪共光轴；

步骤c、利用计算机控制***设置平移台扫描初始、终止位置及步长信息；

步骤d、打开多光谱光源，光源经毛玻璃匀光后照射在分划板上，经准直镜模拟输出不同物距的景物，经成像光谱仪前置镜与光谱仪分光后成像在探测器上；计算机控制***控制平移台按照设定的相关信息进行扫描，还通过探测器采集与存储分划板的图像信息，并记录分划板相应的位置信息Z₁,Z₂,......,Z_n；

步骤e、计算机控制***根据获得的图像信息计算Z₁,Z₂,......,Z_n不同波长对应的调制传递函数MTF，计算出同一波长MTF最高时对应的分划板的位置坐标，记为Z_band，由以下公式计算同一视场同一波长修磨垫的修整量，从而得到同一视场不同波长最佳像面位置以及探测器修磨垫的修整量：

上式中，f_{成像光谱仪}为成像光谱仪的焦距，f_平行光管为靶面可调平行光管的焦距；

步骤f、利用计算机控制***控制三维旋转台旋转，使得靶面可调平行光管与成像光谱仪光轴成一定的夹角，重复上述步骤c～步骤e，得到不同视场的最佳像面位置；

步骤g、根据不同视场的最佳像面位置，通过数据拟合得到成像光谱仪的最佳像面，计算探测器修磨垫的修整量以及倾斜角。

该方法还包括：预先确定分划板上的图案；其过程如下：

确定光谱仪的焦距f_{成像光谱仪}、探测器像元大小p以及靶面可调平行光管的焦距为f_平行光管；

计算成像光谱仪静态传递函数对应靶面可调平行光管焦距的条纹线宽d₁为：

计算成像光谱仪动态传递函数对应靶面可调平行光管焦距的条纹线宽d₂为：

根据条纹线宽d₁与条纹线宽d₂确定分划板上的图样。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，1)采用步进扫描平行光管分划板位置，通过三维旋转台调整平行光管与成像光谱仪光轴的夹角，通过离焦测量以及软件分析处理来检测成像光谱仪的最佳像面位置，无需频繁移动成像光谱仪探测器的位置，使检测工作强度大大降低；2)采用计算成像光谱仪的不同视场不同波长MTF最大值的方法拟合成像光谱仪的最佳成像像面，检测精度有显著提高；3)采用特制的分划板，可以用于成像光谱仪综合像差、谱线弯曲以及色畸变的综合评测；4)采用光纤传像束耦合不同波长的单色光，可以用于成像光谱仪的光谱位置的快速标定，可用于成像光谱仪野外光谱标定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种成像光谱仪最佳像面检校装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的利用光纤传像束耦合的多光谱光源示意图；

图3为本发明实施例提供的成像光谱仪最佳像面检校流程图；

图4为本发明实施例提供的分划板图样示意图；

图5为本发明实施例提供的拟合波长650nm对应分划板不同位置的MTF值曲线图

图6为本发明实施例提供的成像光谱仪成像质量评定测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种成像光谱仪最佳像面检校装置；如图1所示，其主要包括：靶面位置可调的平行光管10、三维旋转台11、成像光谱仪13以及计算机控制***12；其中，靶面位置可调的平行光管10放置在三维旋转台11上，且靶面位置可调的平行光管10与成像光谱仪13共光轴或呈一定角度；

所述靶面位置可调的平行光管10包括：多光谱光源1、毛玻璃2、分划板3、电动平移台4与准直镜5；所述多光谱光源1、毛玻璃2、分划板3与准直镜5依次设置，且多光谱光源1、毛玻璃2与分划板3放置在电动平移台4上；

所述成像光谱仪13包括：依次设置的前置镜8、光谱仪9、探测器修磨垫7及探测器6；

所述电动平移台4、三维旋转台11及探测器6均与计算机控制***12相连。

本发明实施例中，所述分划板3上根据成像光谱仪13的技术指标，设有特定的图样，从而实现成像光谱仪综合像差、谱线弯曲以及色畸变的综合评测。

此外，所述多光谱光源为利用光纤传像束耦合的多光谱光源，可用于成像光谱仪光谱位置的快速标定。如图2所示，为利用光纤传像束耦合的多光谱光源示意图，其中17为不同波长单色光源的控制器；18为不同波长的单色光源LD灯；19为光纤传像束。

本发明另一实施例还提供一种成像光谱仪最佳像面检校方法，该前述的成像光谱仪最佳像面检校装置实现，其步骤如下：

步骤a、调整分划板3位于准直镜5的焦面处，此时分划板3的位置坐标为Z₀。

步骤b、调整靶面可调平行光管10与成像光谱仪13共光轴。

步骤c、利用计算机控制***12设置平移台4的扫描初始、终止位置及步长信息。

步骤d、打开多光谱光源1，光源经毛玻璃2匀光后照射在分划板3上，经准直镜5模拟输出不同物距的景物，经成像光谱仪前置镜8与光谱仪9分光后成像在探测器上；计算机控制***12控制平移台4按照设定的相关信息进行扫描，还通过探测器6采集与存储分划板3的图像信息，并记录分划板3相应的位置信息Z₁,Z₂,......,Z_n；

步骤e、计算机控制***12根据获得的图像信息计算Z₁,Z₂,......,Z_n不同波长对应的MTF(调制传递函数)，计算出同一波长MTF最高时对应的分划板的位置坐标，记为Z_band，由以下公式计算同一视场同一波长修磨垫的修整量，从而得到同一视场不同波长最佳像面位置以及探测器修磨垫的修整量：

上式中，f_{成像光谱仪}为成像光谱仪的焦距，f_平行光管为靶面可调平行光管的焦距；

示例性的，可以利用曲线拟合的方法求取MTF最大值对应的分划板位置坐标Z_band。

步骤f、利用计算机控制***控制三维旋转台旋转，使得靶面可调平行光管与成像光谱仪光轴成一定的夹角，重复上述步骤c～步骤e，得到不同视场的最佳像面位置；

步骤g、根据不同视场的最佳像面位置，通过数据拟合得到成像光谱仪的最佳像面，计算探测器修磨垫的修整量以及倾斜角。

示例性的，可以利用曲面拟合的方法求取成像光谱仪成像质量最好的曲面，根据曲面拟合出一个最佳平面使得曲面与平面之间的相对偏差最小，该平面作为成像光谱仪的最佳像面，并计算出修磨垫的修整量及倾斜角。

本发明实施例的上述方案，采用离焦测量方法，无需时时调整成像光谱仪的探测器，一次测量后通过图像处理，拟合出最佳像面的位置，计算出探测器修磨垫的修整量，实现成像光谱仪与探测器的快速精准对接，有利于宽视场高光谱成像仪探测器的快速准确的调校。

此外，在进行上述方法的步骤a之前，还预先确定分划板上的图案；其过程如下：

确定光谱仪的焦距f_{成像光谱仪}、探测器像元大小p以及靶面可调平行光管的焦距为f_平行光管；

计算成像光谱仪静态传递函数对应靶面可调平行光管焦距的条纹线宽d₁为：

计算成像光谱仪动态传递函数对应靶面可调平行光管焦距的条纹线宽d₂为：

根据条纹线宽d₁与条纹线宽d₂确定分划板上的图样。

通过上述方式确定的分划板图样，还可以同时测量不同视场不同波长的点扩散函数PSF，用于成像光谱仪的综合像差、谱线弯曲以及色畸变的综合评测。

为了便于理解，下面结合具体示例进行说明。

示例一

如图3所示，为成像光谱仪最佳像面检校流程图，其主要包括：

(a)确定被测成像光谱仪的***参数，成像光谱仪的焦距f_{成像光谱仪}＝224mm、成像光谱仪的半视场角ω＝4°、探测器像元大小p＝16um、靶面可调平行光管的焦距为f_平行光管＝1000mm。则成像光谱仪静态传递函数对应1000mm平行光管的条纹线宽为成像光谱仪动态传递函数对应1000mm平行光管的条纹线宽为根据计算结果设计分划板图样如图4所示，其中，14为十字丝目标；15为点源目标；16为条纹目标。

(b)调整靶面可调平行光管10与成像光谱仪13共光轴.

(c)启动主控计算机中的分析测量软件，输入相关参数，调整靶面可调平行光管10的分划板3位于平行光管准直镜的焦面处，此时分划板3的位置坐标为Z₀＝46.4mm。设置平移台4扫描初始位置坐标Z₁＝30mm、步长信息为0.5mm、终止位置坐标Z_n＝60mm，打开多光谱光源，光源经毛玻璃匀光后照射在分划板上，经准直镜模拟输出不同物距的景物，经成像光谱仪前置镜光谱仪分光后成像在探测器上，平移台4按照程序设置进行扫描，计算机控制***12通过成像光谱仪13的探测器6采集存储分划板3的图像信息，并记录分划板3的位置信息Z₁,Z₂,......,Z_n；计算机控制***12根据探测器6获得的图像信息计算Z₁,Z₂,......,Z_n不同波长对应的MTF，计算出650nm传递函数最高时对应分划板3的位置坐标，如图5所示，记为Z₆₅₀＝47mm，可由以下公式可得中心视场波长为650nm时理论上修磨垫7修整量应为同理可以计算出中心视场450nm，500nm，550nm，600nm，700nm，750nm，800nm，850nm，900nm，950nm传递函数最高时对应分划板的位置坐标以及理论上修磨垫7修整量。

(d)设置三维旋转台11信息，调整靶面可调平行光管10与成像光谱仪13光轴夹角为2°，重复步骤(c)，同理设置光轴夹角为4°,-2°,-4°，重复步骤(c)，获得整个像面理想像面的位置坐标；

(e)通过数据拟合得到成像光谱仪的最佳像面，计算探测器修磨垫7的修整量以及倾斜角，从而可以实现成像光谱仪与探测器的快速精准对接。

示例二

前文已经提到，本发明实施例中的分划板带有特定的图样，因而可以实现成像光谱仪的综合像差、谱线弯曲以及色畸变的综合评测。本示例中主要介绍成像光谱仪成像质量评定测量方法，如图6所示，其主要包括：

(a)确定被测成像光谱仪的***参数，成像光谱仪的焦距f_{成像光谱仪}＝224mm、成像光谱仪的半视场角ω＝4°、探测器像元大小p＝16um、靶面可调平行光管的焦距为f_平行光管＝1000mm。则成像光谱仪静态传递函数对应1000mm平行光管的条纹线宽为成像光谱仪动态传递函数对应1000mm平行光管的条纹线宽为根据计算结果设计分划板图样如图4所示。

(b)启动计算机控制***12中的分析测量软件，输入相关参数，调整靶面可调平行光管10的分划板3位于平行光管准直镜5的焦面处，此时分划板3的位置坐标为Z₀＝46.4mm，调整分划板3，使点源目标15为φ₁的圆孔图样成像在探测器上。设置三维转台11信息，调整靶面可调平行光管10与成像光谱仪13光轴夹角为0°，打开多光谱光源1，多光谱光源1的特定波长为442nm、532nm、660nm、808nm、904nm、1064nm，计算机控制***12通过成像光谱仪13的探测器6采集存储分划板3的图像信息，并计算图像信息中各点源目标像的点扩散函数，以及各点光斑的质心位置坐标。

(c)设置三维转台11信息，调整靶面可调平行光管10与成像光谱仪13光轴夹角为2°,4°,-2°,-4°，重复步骤(b)。

(d)计算成像光谱仪不同视场不同波长的点扩散函数用于成像光谱仪13像差的综合评测，根据不同视场不同波长的点光斑质心位置坐标计算成像光谱仪13的光谱位置、谱线弯曲以及色畸变的大小。

本发明实施例的上述方案，主要具有如下优点：

1)采用步进扫描平行光管分划板位置，通过三维旋转台调整平行光管与成像光谱仪光轴的夹角，通过离焦测量以及软件分析处理来检测成像光谱仪的最佳像面位置，无需频繁移动成像光谱仪探测器的位置，使检测工作强度大大降低。

2)采用计算成像光谱仪的不同视场不同波长MTF最大值的方法拟合成像光谱仪的最佳成像像面，检测精度有显著提高。

3)采用特制的分划板，可以用于成像光谱仪综合像差、谱线弯曲以及色畸变的综合评测。

4)采用光纤传像束耦合不同波长的单色光，可以用于成像光谱仪的光谱位置的快速标定，可用于成像光谱仪野外光谱标定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种成像光谱仪最佳像面检校装置，其特征在于，包括：靶面位置可调的平行光管、三维旋转台、成像光谱仪以及计算机控制***；其中，靶面位置可调的平行光管放置在三维旋转台上，且靶面位置可调的平行光管与成像光谱仪共光轴或呈一定角度；

所述靶面位置可调的平行光管包括：多光谱光源、毛玻璃、分划板、电动平移台与准直镜；所述多光谱光源、毛玻璃、分划板与准直镜依次设置，且多光谱光源、毛玻璃与分划板放置在电动平移台上；

所述成像光谱仪包括：依次设置的前置镜、光谱仪、探测器修磨垫及探测器；

所述电动平移台、三维旋转台及探测器均与计算机控制***相连。

2.根据权利要求1所述的一种成像光谱仪最佳像面检校装置，其特征在于，所述分划板上根据成像光谱仪的技术指标，设有特定的图样，从而实现成像光谱仪综合像差、谱线弯曲以及色畸变的综合评测。

3.根据权利要求1所述的一种成像光谱仪最佳像面检校装置，其特征在于，所述多光谱光源为利用光纤传像束耦合的多光谱光源，用于成像光谱仪光谱位置的快速标定。

4.一种成像光谱仪最佳像面检校方法，其特征在于，该方法利用权利要求1-2任一项所述的成像光谱仪最佳像面检校装置实现，其步骤如下：

步骤a、调整分划板位于准直镜的焦面处，此时分划板的位置坐标为Z₀；

步骤b、调整靶面可调平行光管与成像光谱仪共光轴；

步骤c、利用计算机控制***设置平移台扫描初始、终止位置及步长信息；

步骤d、打开多光谱光源，光源经毛玻璃匀光后照射在分划板上，经准直镜模拟输出不同物距的景物，经成像光谱仪前置镜与光谱仪分光后成像在探测器上；计算机控制***控制平移台按照设定的相关信息进行扫描，还通过探测器采集与存储分划板的图像信息，并记录分划板相应的位置信息Z₁,Z₂,......,Z_n；

步骤e、计算机控制***根据获得的图像信息计算Z₁,Z₂,......,Z_n不同波长对应的调制传递函数MTF，计算出同一波长MTF最高时对应的分划板的位置坐标，记为Z_band，由以下公式计算同一视场同一波长修磨垫的修整量，从而得到同一视场不同波长最佳像面位置以及探测器修磨垫的修整量：

上式中，f_{成像光谱仪}为成像光谱仪的焦距，f_平行光管为靶面可调平行光管的焦距；

步骤f、利用计算机控制***控制三维旋转台旋转，使得靶面可调平行光管与成像光谱仪光轴成一定的夹角，重复上述步骤c～步骤e，得到不同视场的最佳像面位置；

步骤g、根据不同视场的最佳像面位置，通过数据拟合得到成像光谱仪的最佳像面，计算探测器修磨垫的修整量以及倾斜角。

5.根据权利要求4所述的一种成像光谱仪最佳像面检校方法，其特征在于，该方法还包括：预先确定分划板上的图案；其过程如下：

确定光谱仪的焦距f_{成像光谱仪}、探测器像元大小p以及靶面可调平行光管的焦距为f_平行光管；

计算成像光谱仪静态传递函数对应靶面可调平行光管焦距的条纹线宽d₁为：

计算成像光谱仪动态传递函数对应靶面可调平行光管焦距的条纹线宽d₂为：

根据条纹线宽d₁与条纹线宽d₂确定分划板上的图样。