基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统及方法与流程

本发明涉及红外光谱成像领域，尤其涉及一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统及方法。

背景技术：

1、红外高光谱成像系统广泛应用于地球表面材料的表征（例如土壤、植被、岩石、淡水、海洋）、大气环境的测绘、工业园区及火灾的预警等。

2、传统的红外高光谱成像系统一般分为两类，一类是通过物镜加滤光片的方式获得二维空间信息和单个波段的光谱信息，再通过转轮旋转或者合理的空间布局（例如通过半透半反镜获取不同的空间通道，不同的通道可以配置不同波段的滤光片）获得二维空间信息和光谱信息，形成三维数据立方；另一类是通过狭缝获取一维空间信息和光谱信息，再通过扫描获得二维空间信息和光谱信息，形成三维数据立方。

3、滤光片式红外高光谱成像系统受到空间结构限制，光谱分辨率较低，光谱通道一般在十个以内，系统光通量为正常成像的，为系统的光谱通道数。不同波段的滤光片的透过率有区别，随着波长的变化透过率呈曲线变化，这给仪器的通道匹配和校准带来困难。

4、狭缝式红外高光谱成像系统光谱分辨率高，光谱通道一般有几百个，但这种高分辨率是通过牺牲采集时间来实现的，不适应快速变化的场景，例如高速飞行的无人机、羽流的监测等。此外，狭缝拦截了大部分光线，其光通量计算方式与滤光片式红外高光谱成像系统相同，与光谱分辨率成负相关，其数值一般为正常成像的几百分之一，因此这类仪器早先多应用于能量较强的紫外与可见光波段。目前国内外大部分狭缝式红外高光谱成像系统都通过制冷型红外焦平面探测器解决探测能量弱的问题，但该类探测器成本高昂、购买渠道少，不利于仪器的推广与应用。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明创新性地设计了一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统及方法，采用特殊结构的反射镜（称为分切镜），分切镜将目标图像分割成条带，再将条带按一定的规律反射到探测器的不同位置，形成不同的光谱通道。在各通道中加入分光元件，例如棱镜，在探测器的空白区域填充光谱信息，实现三维数据立方的实时探测。相比较于传统的红外高光谱成像系统，该系统具有实时成像、无运动部件、高光通量的优点，可以实现目标的快速识别、监测、预警。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，包括物镜、远心系统、分切镜、准直系统、色散系统、再成像系统、红外面阵探测器以及数据处理系统；

4、所述物镜接收观测目标发射、反射的红外信号并汇聚到光阑处；所述远心系统对光阑处的图像远心成像，将不同视场的光线以同一角度入射到分切镜上；所述分切镜为由不同倾斜角度的、薄片形状的反射镜组成的一种反射镜组，所述不同视场的光线经过分切镜后以同一角度出射；所述分切镜将放大后的图像分割成条带，再将条带按一定的规律反射到空间的不同位置；所述准直系统对各通道的光束准直；所述色散系统对各通道的光束色散；所述再成像系统对色散后的光束再次成像，获得原始数据立方；所述红外面阵探测器将光信号转换为电信号从而获得原始数据立方；所述原始数据立方被传输到数据处理系统经过拆分、重组获得不同波段的数字图像；所述数据处理系统对用户显示最终处理结果。

5、进一步地，所述物镜为透射光学系统、反射光学系统或透返混合光学系统。

6、进一步地，所述物镜与后续系统满足孔径角匹配、光瞳匹配的情况下，配置不同焦距的物镜，会组合出不同焦距的红外高光谱成像系统；所述后续系统包括远心系统、分切镜、准直系统、色散系统、再成像系统、红外面阵探测器以及数据处理系统。

7、进一步地，所述基于分切镜的红外高光谱成像系统随着物镜的更换配置成不同焦距、不同相对孔径的仪器。

8、进一步地，所述远心系统为放大系统或缩小系统。

9、进一步地，所述远心系统包含一个或多个镜片，所述镜片是球面镜或非球面镜。

10、进一步地，所述远心系统的镜片为透镜或反射镜。

11、进一步地，所述分切镜在单个基底上加工出特定形状，或加工出多个不同角度的薄片式反射镜，再组装形成；所述反射镜为平面镜、球面镜或非球面镜。

12、进一步地，所述分切镜与准直系统是共轴的或离轴的。

13、进一步地，所述分切镜的整体倾斜角度小于45度。

14、进一步地，所述分切镜的整体倾斜角度为10度、20度或30度。

15、进一步地，所述准直系统包含一个或多个镜片，所述镜片是球面镜或非球面镜。

16、进一步地，所述准直系统的镜片是透镜或反射镜。

17、进一步地，所述色散系统是一组棱镜阵列，所述棱镜阵列由多个棱镜组成，并安装在固定架上；所述棱镜在单个基底上加工出特定形状，作为单个镜片安装固定。

18、进一步地，所述再成像系统是一组透镜阵列或多组透镜阵列，所述透镜阵列由多个透镜组成，并安装在固定架上；所述透镜在单个基底上加工出特定形状，作为单个镜片安装固定；所述再成像系统的透镜是球面镜或非球面镜。

19、进一步地，所述红外面阵探测器是非制冷的。

20、本发明提供一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统的成像方法，包括以下步骤：所述分切镜将目标图像分割成条带状，从一侧到另一侧形成条带，为条带总数；所述条带作为阵列的基本单元，为光谱波段数，以相同的角度被反射至第一空间通道；以相同的角度被反射至第二空间通道；以相同的角度被反射至第三空间通道；以相同的角度被反射至第n空间通道；光谱波段数与空间通道数相同；同一空间通道的光束经过色散系统发生色散；所述第一至第n空间通道的相邻视场存在空隙，所述空隙为同一视场的色散提供了空间，避免了光谱混淆；

21、通过所述数据处理系统对原始数据进行处理；所述数据处理系统将个空间通道的第一个条带抽取出来重组为一幅图像，重组后的图像为观测目标的第一个波段数据；依次提取，得到观测目标的个波段数据。

22、本发明的优点在于：

23、（1）本发明设计了一种特殊结构的分切镜，分切镜将一个主光轴同时分散成多个主光轴，光轴数量对应系统的光谱波段数，实现了多波段的同时探测。

24、（2）本发明通过分切镜分割、棱镜色散、算法重组的方法摆脱了传统仪器光通量与光谱分辨率呈负相关的缺点，系统的光通量与正常成像相同。

25、（3）本发明的物镜是可替换的，系统可以随着物镜的更换配置成不同焦距、不同相对孔径的仪器，环境适应性强。

26、（4）本发明可配置非制冷型红外面阵探测器，降低系统成本。

27、（5）本发明的光谱波段数取决于红外面阵探测器的芯片面积，随着现阶段大面阵探测器的开发与应用，系统的光谱波段数可达到几十。

28、（6）本发明的色散系统与再成像系统的截面面积近似于红外面阵探测器的焦平面面积，提高了系统的便携性。

技术特征：

1.一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：包括物镜、远心系统、分切镜、准直系统、色散系统、再成像系统、红外面阵探测器以及数据处理系统；

2.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述物镜为透射光学系统、反射光学系统或透返混合光学系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述物镜在与后续系统满足孔径角匹配、光瞳匹配的情况下，配置不同焦距，组合出不同焦距的红外高光谱成像系统；所述后续系统包括远心系统、分切镜、准直系统、色散系统、再成像系统、红外面阵探测器以及数据处理系统。

4.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述基于分切镜的红外高光谱成像系统随着物镜的更换配置成不同焦距、不同相对孔径的仪器。

5.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述远心系统为放大系统或缩小系统。

6.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述远心系统包含一个或多个镜片，所述镜片是球面镜或非球面镜。

7.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述远心系统的镜片为透镜或反射镜。

8.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述分切镜在单个基底上加工形成，或通过加工出多个不同角度的薄片式反射镜，再组装形成；所述反射镜为平面镜、球面镜或非球面镜。

9.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述分切镜与准直系统是共轴的或离轴的。

10.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述分切镜的整体倾斜角度小于45度。

11.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述分切镜的整体倾斜角度为10度、20度或30度。

12.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述准直系统包含一个或多个镜片，所述镜片是球面镜或非球面镜。

13.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述准直系统的镜片是透镜或反射镜。

14.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述色散系统是一组棱镜阵列，所述棱镜阵列由多个棱镜组成，并安装在固定架上；所述棱镜在单个基底上加工形成，作为单个镜片安装固定。

15.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述再成像系统是一组透镜阵列或多组透镜阵列，所述透镜阵列由多个透镜组成，并安装在固定架上；所述透镜在单个基底上加工形成，作为单个镜片安装固定；所述再成像系统的透镜是球面镜或非球面镜。

16.根据权利要求1所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统，其特征在于：所述红外面阵探测器是非制冷的。

17.根据权利要求1-16之一所述的一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：所述分切镜将目标图像分割成条带状，从一侧到另一侧形成条带，为条带总数；所述条带作为阵列的基本单元，为光谱波段数，以相同的角度被反射至第一空间通道；以相同的角度被反射至第二空间通道；以相同的角度被反射至第三空间通道；以相同的角度被反射至第n空间通道；光谱波段数与空间通道数相同；同一空间通道的光束经过色散系统发生色散；所述第一至第n空间通道的相邻视场存在空隙，所述空隙为同一视场的色散提供了空间，避免了光谱混淆；

技术总结
本发明公开一种基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统及方法，采用分切镜将目标图像分割成条带，再将条带按一定的规律反射到探测器的不同位置，形成不同的光谱通道。在各通道中加入分光元件，在探测器的空白区域填充光谱信息，实现三维数据立方的实时探测。相比较于传统的红外高光谱成像系统，本发明具有实时成像、无运动部件、高光通量的优点，可以实现目标的快速识别、监测、预警。

技术研发人员：徐睆垚,徐亮,徐寒杨,朱万江,刘文清
受保护的技术使用者：合肥中科红外精密仪器有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11