CN109655157A - 一种可见光-红外图谱探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光‑红外图谱探测装置及方法，包括：第一透镜接收入射的全光谱，第一分光镜将全光谱中的可见光反射，反射的可见光到达可见光成像焦平面，进行可见光波段成像；第一分光镜将全光谱中的红外光透射，透射的红外光入射到红外成像模块；光阑接收红外光，第二分光镜将光阑接收的红外光中的中波红外光按照预设比例反射，反射的中波红外光到达中波红外成像焦平面，进行中波红外波段成像；第二分光镜将光阑接收的红外光中的红外宽光谱透射，透射的红外宽光谱到达红外宽光谱成谱焦平面，进行红外宽光谱成谱，红外宽光谱包括短波红外光、透射的中波红外光以及长波红外光。本发明可以实现多波段图像处理和红外光谱处理功能。
Description
技术领域
本发明涉及红外遥感光学领域，更具体地，涉及一种可见光-红外图谱探测装置及方法。
背景技术
世界各国研制新型飞行器时，特别是在做飞行试验的时候，迫切需要对飞行器的工作状态进行实时的监控。另外，在飞行器飞行时为了防止飞行器的故障或故障出现后分析原因，也需要对飞行器的工作状态进行实时监控，例如，我国载人飞船和运载火箭在发射升空时同时传回多级火箭分离时的彩色可见光图像。但是，纵观国内外公开文献还没有发现有超动态距离范围的可见光/红外图谱关联的实时监控设备，这对于我们全面掌控飞行器的工作状态是很不利的，因为红外图像和光谱能更深刻全面反映飞行器工作状态。
这种实时监测设备要能够从近距离(m)到远距离(km)都能够获得飞行器的可见光图像、中波红外图像和红外宽光谱信息。因此，现有技术缺少超动态距离范围的可见光/红外图谱关联的实时监控设备。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术缺少超动态距离范围的可见光/红外图谱关联的实时监控设备的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种可见光-红外图谱探测装置，包括：可见光成像模块、中波红外成像模块以及红外宽光谱成谱模块；
所述可见光成像模块包括：第一透镜、第一分光镜；
所述第一透镜接收入射的全光谱，所述第一分光镜将所述全光谱中的可见光反射，反射的可见光到达可见光成像焦平面，进行可见光波段成像；所述第一分光镜将所述全光谱中的红外光透射，透射的红外光入射到所述红外成像模块；
所述中波红外成像模块和所述红外宽光谱成谱模块包括：光阑、第二分光镜；
所述光阑接收所述红外光，所述第二分光镜将所述光阑接收的红外光中的中波红外光按照预设比例反射，反射的中波红外光到达中波红外成像焦平面，进行中波红外波段成像；
所述第二分光镜将所述光阑接收的红外光中的红外宽光谱透射，透射的红外宽光谱到达红外宽光谱成谱焦平面，进行红外宽光谱成谱，所述红外宽光谱包括短波红外光、透射的中波红外光以及长波红外光。
可选地，所述可见光成像模块还包括：第二透镜；
所述第一分光镜透射的红外光经过第二透镜后再入射到所述光阑。
可选地，所述可见光成像模块还包括：第一透镜组和第二透镜组；
所述第一分光镜反射的可见光经过第一透镜组和第二透镜组到达可见光成像焦平面，所述第一透镜组和第二透镜组均为可见光透镜组。
可选地，所述中波红外成像模块还包括：第三透镜组；
所述第二分光镜反射的中波红外光经过第三透镜组到达中波红外成像焦平面，所述第三透镜组为中波红外透镜组。
可选地，所述红外宽光谱成谱模块还包括：第四透镜组和反射镜；
所述第二分光镜透射的红外宽光谱经过第四透镜组到达红外宽光谱成谱焦平面，所述第四透镜组为红外宽光谱透镜组；
所述反射镜接收所述第二分光镜透射的红外宽光谱，并将所述红外宽光谱的光路改变后再入射到所述第四透镜组。
第二方面，本发明提供一种可见光-红外图谱探测方法，包括如下步骤；
接收入射的全光谱；
将所述全光谱中的可见光反射，反射的可见光到达可见光成像焦平面，进行可见光波段成像，并将所述全光谱中的红外光透射；
接收从全光谱中透射的红外光，将所述红外光中的中波红外光反射，反射的中波红外光到达中波红外成像焦平面，进行中波红外波段成像；并将所述红外光中的红外宽光谱透射，透射的红外宽光谱到达红外宽光谱成谱焦平面，进行红外宽光谱成谱。
可选地，将所述全光谱中的红外光透射之后，接收从全光谱中透射的红外光之前，还包括如下步骤：
将从所述全光谱中透射的红外光，经过透镜准直聚焦。
可选地，所述反射的可见光经过可见光透镜准直聚焦后到达可见光成像焦平面。
可选地，所反射的中波红外光经过中波红外透镜准直聚焦后到达中波红外成像焦平面；
所述透射的红外宽光谱经过红外宽光谱透镜准直聚焦后到达红外宽光谱成谱焦平面。
可选地，将所述红外光中的红外宽光谱透射之后，所述透射的红外宽光谱经过红外宽光谱透镜准直聚焦之前，还包括如下步骤：
通过反射镜改变透射的红外宽光谱的光路。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明将可见光和中波红外成像结合能更好地提高飞行器包括飞行器的探测捕获能力，进而达到飞行器的宽光谱测量；本发明三波段共孔径光学***分离出的红外宽光谱既包含短波红外、中波红外，还包括长波红外波段，能更好地反映飞行器在红外宽光谱特性，进而为获取飞行器的状态信息提供有益效果。
本发明提供的图谱探测装置，在接收全光谱入射后，分为可见光、中波红外光和红外全光谱，这三个不同波段光共孔径入射，共孔径光学***能使三个视场中心重合，缩减***占用空间。
通过本发明提供的图谱探测装置，可实时获取飞行器的可见光图像/中波红外图像和飞行器感兴趣区的宽谱段红外光谱并把图像和光谱经压缩编码后实时传输回发射飞行器的载机或地面。
附图说明
图1a是本发明提供的三波段共孔径探测装置的可见光成像模块结构图；
图1b是本发明提供的三波段共孔径探测装置的中波红外成像和红外宽谱成谱模块结构图；
图2a是本发明提供的探测装置得到的可见光成像的点列图；
图2b是本发明提供的探测装置得到的可见光成像的MTF图；
图3a是本发明提供的探测装置得到的中波红外成像的点列图；
图3b是本发明提供的探测装置得到的中波红外成像的MTF图；
图4a是本发明提供的探测装置得到的红外宽光谱的点列图；
图4b是本发明提供的探测装置得到的红外宽光谱的能量集中度图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出一种超动态距离范围的可见光/中波红外成像和宽光谱协同的实时监测载荷，可装配于各种载具上(如飞机上)以探测该载具上投放和发射的各种飞行器。本发明目的在于充分利用在测谱/成像光路中分光镜反射的可见光和中波红外能量，达到双波段成像，以获取各类目标包括飞行器的状态信息，进而达到飞行器的宽光谱测量，同时解决光路布局受限、体积重量大的问题。
本发明提供的超动态距离范围的可见/红外图谱探测载荷包含三波段共孔径光学***：可见光成像模块、中波红外成像模块和红外宽光谱成谱模块；所述的可见光成像模块用于将入射的全谱段能量中的可见光波段λ1～λ2经分光镜1反射后经透镜组3和透镜组4到可见光成像焦平面FPA1成像。其中，镜头通光孔径为Φ1，焦距为f1；视场角为w1，透过率为τ1；调焦方式采用内调焦，距离调焦为t1_1～t1_2，温度调焦t1_1～t1_2；在成像范围上，当目标距离x1千米时为y1米目标成像。成像探测器的图像分辨率为M1*N1，每个像素大小为s1，最大帧频为p1；工作温度范围为T1～T2。
所述全光谱能量经分光镜1透射红外光后，再经透镜2和分光镜2反射中波红外，透射红外宽光谱红外。反射的中波红外经透镜组3到达中波红外成像焦平面。在技术指标上，中波成像波段为λ3～λ4，镜头通光孔径为Φ2，焦距大小为f2，视场角为w2，在k个像素外，透过率为τ2_1，k个像素内为τ2_2，调焦方式为调内调焦，距离调焦为d2_1～d2_2，温度调焦为t2_1～t2_2；在成像范围上，当目标距离x2千米时为y2米目标成像；成像探测器的图像分辨率为M2*N2，像素大小为s2；工作温度范围为T3～T4。
所述透射的红外宽光谱经非制冷红外光谱探测器接收后形成红外宽光谱。在技术指标上，红外宽光谱波段范围为λ5～λ6；镜头通光孔径为Φ3；焦距大小为f3；像方视场等效到中波成像时为M3*N3像素；透过率为τ3；对于成谱瞄准区域范围，当目标距离x3千米时，瞄准区域范围为y3米；工作温度范围为T5～T6。
目标分离光学***调焦分析上，在指标要求的目标探测的距离范围内，可见光***需要调焦中波红外成像需要调焦均为光学***内调焦实现。宽光谱红外成谱***不需要距离调焦。
工作温度范围的光学***主动补偿分析上，在T1～T2工作温度变化时，可见光***需要主动调焦如果允许有限降低成像质量要求，可以不调焦。中波红外成像***需要主动调焦宽光谱红外成谱***也不需要温度调焦。
在整体结构设计上，目前三波段共孔径光学***总体布局设计整体上满足有限的空间范围要求。
相比单波段红外成像捕获运动目标，采用三波段共孔径光学***的有益效果在于：其一，可见光成像分辨率高，视场角更大，能更清楚的看到目标，同时利用中波红外成像来探测目标的红外特性，将可见光和中波红外成像结合能更好地提高各类目标包括飞行器的探测捕获能力，进而达到飞行器的光谱测量。其二，三波段共孔径光学***分离出的红外宽光谱既包含短波红外、中波红外，还包括长波红外波段，能更好地反映飞行器在红外宽光谱特性，进而为飞行器的工作状态提供更全面的信息；其三，共孔径光学***能使两个视场中心重合，缩减***体积；其四，使用灵巧且布局合理、处理高效且稳定的电子舱对飞行器的可见光图像/中波红外图像和飞行器感兴趣区的宽谱段红外光谱进行实时压缩编码并传输回发射飞行器的载机或地面。
图1是用于本发明包含的三波段共孔径光学***，其中，具体包括：图1a是本发明提供的三波段共孔径探测装置的可见光成像模块结构图；图1b是本发明提供的三波段共孔径探测装置的中波红外成像和红外宽谱成谱模块结构图。可见光成像模块用于将入射光分光后得到的可见光波段进行成像，中波红外成像模块用于将入射光分光后得到的中波红外波段进行成像，红外宽光谱成谱模块用于将入射光分光后得到的宽波段光谱进行成谱。
光路传输路径描述如下：
(1)入射光经宽光谱光学窗口入射到***内，通过透镜1到分光镜1，分光镜1反射可见光波段，透射红外波段；
(2)分光镜1反射的可见光经可见光透镜组3和可见光透镜组4到达可见光成像焦平面；
(3)分光镜1透射的红外光经透镜组2、光阑和分光镜2后，反射中波红外波段，透射红外宽光谱；
(4)分光镜2反射的中波红外经中波红外透镜组5到达中波红外成像焦平面；
(5)分光镜2透射的红外宽光谱经反射镜3和红外宽光谱透镜组6到达红外宽光谱焦平面。
本发明的三波段共孔径光学***，主要包括分光镜、若干透镜和平面镜等。目前，多波段红外光学镜头采用卡塞格林***，有一个抛物面反射镜和一个双曲面反射镜组成，并由若干透镜组校正像差。***实现三个波段红外成像光路和宽谱段红外测谱光路共轴，两个视场中心重合。为了降低镜头本身辐射对探测造成的影响，进行无热化设计。该光学***属宽光谱的多波段光学***。
在技术指标上，可见光成像时，镜头通光孔径Φ1＝10mm，焦距为f1＝32mm；视场角为w1＝28°，透过率为τ1＝0.65；调焦方式采用内调焦，距离调焦d1_1＝0，d1_2＝-2.84mm，温度调焦t1_1＝+0.06mm(-40℃)，t1_2＝-0.04mm(+60℃)；在成像范围上，当目标距离为x1＝4m～2km时目标成像y1＝2m；目标距离x1＝2m～4m时目标成像y1＝1m～2m；目标距离x1＝0.5m～2m目标成像y1＝260mm～1m。成像探测器生成的图像大小为M1＝2048，N1＝2048，每个像素大小s1＝5.5μm，最大帧频p1＝56fps；对于实际高度为2m目标在2km远处时，像高为5.8像素，约30μm。工作温度范围为T1＝40℃，T2＝+60℃。
中波红外成像时，成像波段为λ3＝3.7μm，λ4＝4.8μm，镜头通光孔径Φ2＝10mm，焦距大小f2＝40mm，视场角w2＝17.5°，在k＝10像素外，透过率τ2＝0.473，k＝10像素内为τ2＝0.07，调焦方式为调内调焦，距离调焦为d1_1＝0，d1_2＝+2.49mm，温度调焦为t2_1＝+0.37mm(-40℃)，t2_2＝-0.21mm(+60℃)；在成像范围上，当目标距离x2＝6.5m～1km时目标成像y2＝2m；当目标距离x2＝3.1m～6.5m时目标成像y2＝1m～2m；当目标距离x2＝0.5m～3.1m则时目标成像y2＝1170mm～1m。成像探测器的图像分辨率为M2＝640，N1＝512，像素s2＝15μm；当实际高度为2m的目标在1km远处时，像高为5.3像素，约80μm。工作温度范围T3＝-40℃，T4＝+60℃。
红外宽光谱成谱时，光谱波段范围为λ5＝2μm，λ6＝12μm；镜头通光孔径Φ3＝15mm；焦距大小f3＝40mm；像方视场等效到中波成像时为M3＝10,N3＝10像素，约150μm×150μm；透过率为τ2＝0.233；对于成谱瞄准区域范围，当目标距离x3＝250m～1km时，瞄准区域范围y3＝1m～4m；当目标距离x3＝10m～250m时，瞄准区域范围y3＝40mm～1m；当目标距离x3＝0.5m～10m时，瞄准区域范围则为y3＝2mm～40mm；工作温度范围为T5＝-40℃，T6＝+60℃。
目标分离光学***调焦分析上，在指标要求的目标探测的距离范围内，可见光***需要调焦2.84mm，中波红外成像需要调焦2.49mm，均为光学***内调焦实现。宽光谱红外成谱***不需要距离调焦。
工作温度范围的光学***主动补偿分析上，在-40℃～+60℃工作温度变化时，可见光***需要主动调焦如果允许有限降低成像质量要求，可以不调焦。中波红外成像***需要主动调焦宽光谱红外成谱***也不需要温度调焦。
具体地，本发明采用的评测光学***质量的分析包括：点图(spot diagram)，点图的原理是显示光学***在成像面IMA面上的成像。比如一个在轴上的点，从无限远成像到IMA面上，光学设计软件zemax就模拟在无限远有若干个发光点，这些点平行射入入瞳，然后经过光学***，最后成像在IMA面上。对于实际的光学***，就会成像为一个弥散斑。那么这个弥散斑在IMA面上的像，就是Spot Diagram。在非轴上点，也可以参照主光线的角度和位置，形成一系列的发光点，经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。如果对于的弥散斑越小，则光学***的性能越好。
三个波段的成像质量分别见图2～图4。其中可见光和中波红外成像用点列图和MTF表示，红外宽光谱成谱用点列图和能量集中度表示。从图中可知，整体上三波段的成像质量都很好。
具体地，图2至图4中，OBJ指目标，MTF的横轴为spatial frequency in cyclesper millimeter，spatial为鉴别尺(bar target)明暗条纹中其分隔空间宽度之意，通常以millimeter为单位，而frequency in cycles即每millimeter有几组明暗条纹，所以可鉴别最小刻度，即反应该光波的频率。横坐标直接翻译为每毫米圆的空间频率。
在整体结构设计上，目前三波段共孔径光学***总体布局设计约95％满足弹载条件下给出的空间范围要求。在俯仰±10°和方位±8°转动时，光谱仪和探测器电路板各一个角和锥柱体筒壁约有5mm的干涉。光学***的光轴中心偏离窗口中心俯仰35mm、方位10mm，造成轴外视场在俯仰和方位极限转动位置时可见光成像有部分渐晕(损失一定光照度)。
针对第一个问题有三个改进措施：1)光学***光路布局进一步细化和改进，进一步紧凑体积；2)调整中波成像探测器电路板位置，避开干涉区域；3)光谱仪可做小型化处理。
针对第二个问题有三个改进建议：1)在整机小型化后，给出空间趋近窗口中心位置，消除轴外视场渐晕现象；2)适当调整窗口中心位置，尽可能趋近光学***光轴位置；3)目前光学***所需窗口尺寸较小，可以较大幅度地减小实际窗口尺寸。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可见光-红外图谱探测装置，其特征在于，包括：可见光成像模块、中波红外成像模块以及红外宽光谱成谱模块；
所述可见光成像模块包括：第一透镜、第一分光镜；
所述第一透镜接收入射的全光谱，所述第一分光镜将所述全光谱中的可见光反射，反射的可见光到达可见光成像焦平面，进行可见光波段成像；所述第一分光镜将所述全光谱中的红外光透射，透射的红外光入射到所述红外成像模块；
所述中波红外成像模块和所述红外宽光谱成谱模块包括：光阑、第二分光镜；
所述光阑接收所述红外光，所述第二分光镜将所述光阑接收的红外光中的中波红外光按照预设比例反射，反射的中波红外光到达中波红外成像焦平面，进行中波红外波段成像；
所述第二分光镜将所述光阑接收的红外光中的红外宽光谱透射，透射的红外宽光谱到达红外宽光谱成谱焦平面，进行红外宽光谱成谱，所述红外宽光谱包括短波红外光、透射的中波红外光以及长波红外光。
2.根据权利要求1所述的可见光-红外图谱探测装置，其特征在于，所述可见光成像模块还包括：第二透镜；
所述第一分光镜透射的红外光经过第二透镜后再入射到所述光阑。
3.根据权利要求1所述的可见光-红外图谱探测装置，其特征在于，所述可见光成像模块还包括：第一透镜组和第二透镜组；
所述第一分光镜反射的可见光经过第一透镜组和第二透镜组到达可见光成像焦平面，所述第一透镜组和第二透镜组均为可见光透镜组。
4.根据权利要求1所述的可见光-红外图谱探测装置，其特征在于，所述中波红外成像模块还包括：第三透镜组；
所述第二分光镜反射的中波红外光经过第三透镜组到达中波红外成像焦平面，所述第三透镜组为中波红外透镜组。
5.根据权利要求4所述的可见光-红外图谱探测装置，其特征在于，所述红外宽光谱成谱模块还包括：第四透镜组和反射镜；
所述第二分光镜透射的红外宽光谱经过第四透镜组到达红外宽光谱成谱焦平面，所述第四透镜组为红外宽光谱透镜组；
所述反射镜接收所述第二分光镜透射的红外宽光谱，并将所述红外宽光谱的光路改变后再入射到所述第四透镜组。
6.一种可见光-红外图谱探测方法，其特征在于，包括如下步骤；
接收入射的全光谱；
将所述全光谱中的可见光反射，反射的可见光到达可见光成像焦平面，进行可见光波段成像，并将所述全光谱中的红外光透射；
接收从全光谱中透射的红外光，将所述红外光中的中波红外光反射，反射的中波红外光到达中波红外成像焦平面，进行中波红外波段成像；并将所述红外光中的红外宽光谱透射，透射的红外宽光谱到达红外宽光谱成谱焦平面，进行红外宽光谱成谱。
7.根据权利要求6所述的可见光-红外图谱探测方法，其特征在于，将所述全光谱中的红外光透射之后，接收从全光谱中透射的红外光之前，还包括如下步骤：
将从所述全光谱中透射的红外光，经过透镜准直聚焦。
8.根据权利要求6所述的可见光-红外图谱探测方法，其特征在于，所述反射的可见光经过可见光透镜准直聚焦后到达可见光成像焦平面。
9.根据权利要求6所述的可见光-红外图谱探测方法，其特征在于，所反射的中波红外光经过中波红外透镜准直聚焦后到达中波红外成像焦平面；
所述透射的红外宽光谱经过红外宽光谱透镜准直聚焦后到达红外宽光谱成谱焦平面。
10.根据权利要求9所述的可见光-红外图谱探测方法，其特征在于，将所述红外光中的红外宽光谱透射之后，所述透射的红外宽光谱经过红外宽光谱透镜准直聚焦之前，还包括如下步骤：
通过反射镜改变透射的红外宽光谱的光路。
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