專利名稱：一種單色儀與成像光譜儀的交叉光譜定標裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜技術(shù)領(lǐng)域中的光電儀器技術(shù)，具體涉及一種光、機、電、算一體化的單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標裝置及方法。
背景技術(shù)：
成像光譜儀是一種“圖譜合一”的光學遙感器，以獲取目標的詳細圖譜信息為目的，它把光譜技術(shù)與成像技術(shù)有機地融為一體。利用它可以在遙感平臺上以高空間分辨率和高光譜分辨率獲取物質(zhì)光譜圖像，是傳統(tǒng)光譜分析技術(shù)(即定性、定量分析)向現(xiàn)代光譜分析技術(shù)(即定性、定量、定時、定位分析)發(fā)展的重要載體。遙感信息定量化要求對成像光譜儀進行精確定標，成像光譜儀定標的作用是確定探測單元輸出數(shù)字量與其接收到的電磁波信號間的定量關(guān)系，通過定標，為不同遙感儀器在不同時間、不同地點測得的成像光譜數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的參照，是對成像光譜數(shù)據(jù)進行定量化分析的前提。成像光譜儀定標包括光譜定標、輻射定標及幾何定標，其中光譜定標是確定系統(tǒng)光譜特性的重要手段，同時也是進行輻射定標的前提。通常采用波長掃描法對成像光譜儀進行光譜定標，利用單色儀以一定步長連續(xù)步進輸出單色光，并同步記錄成像光譜數(shù)據(jù)，當單色儀全波段掃描完成后，可分析得到成像光譜儀各波段中心波長、全波半高寬、光譜取樣間隔等參數(shù)，即完成了成像光譜儀的光譜定標過程。成像光譜儀光譜定標的定標精度是系統(tǒng)的重要技術(shù)指標之一，影響光譜定標精度的因素包括單色儀輸出波長準確度、單色儀輸出能量穩(wěn)定度、單色儀輸出的單色光帶寬等因素。對于單色儀輸出波長準確度，需要在光譜定標前對單色儀進行高精度光譜標定；對于單色儀輸出能量穩(wěn)定度，一方面需要提高光源的亮度穩(wěn)定度，另一方面需要在實際定標過程中對測量數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，最后再對測量得到的光譜響應(yīng)曲線進行高斯擬合，以降低能量波動對定標精度的影響；對于單色儀輸出的單色光帶寬，需要在單色儀設(shè)計、加工及裝調(diào)過程中進行嚴格控制 。綜上所述，單色儀的高精度光譜定標是成像光譜儀光譜定標的基礎(chǔ)，同時由于成像光譜儀光譜分辨率高、空間像元及波段多，因此光譜定標是一項工作量巨大、繁瑣耗時的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)采用同一套裝置或方法實現(xiàn)對單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標的問題，提供一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標裝置及方法?！N單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標裝置，該裝置包括光源系統(tǒng)、掃描式光柵單色儀、控制器、平行光管、成像光譜儀和主控計算機；所述光源系統(tǒng)包括汞燈光源和可調(diào)連續(xù)光源；光源系統(tǒng)輸出光源經(jīng)掃描式光柵單色儀色散后，由平行光管擴束、準直，準直光束由成像光譜儀接收，控制器控制光源系統(tǒng)輸出光源能量，控制掃描式光柵單色儀的波長掃描和步進數(shù)的輸出，主控計算機接收控制器輸出的掃描式光柵單色儀掃描的波長和輸出的步進數(shù)信息；主控計算機對成像光譜儀進行參數(shù)設(shè)置及獲取成像光譜儀的光譜信息。一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標方法，該方法由以下步驟實現(xiàn):步驟一、調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置接收光源的像素點；通過光源切換開關(guān)切換為單色儀定標模式，汞燈光源經(jīng)掃描式光柵單色儀后由平行光管擴束、準直，準直光束由成像光譜儀接收；步驟二、主控計算機通過控制器對汞燈光源進行波長掃描，成像光譜儀探測汞燈光源的特征譜線，獲取汞燈光源特征譜線與掃描式光柵單色儀掃描步進數(shù)的信息；步驟三、對步驟二獲取的特征譜線與掃描步進數(shù)進行線性擬合，獲得掃描式光柵單色儀的光譜定標系數(shù)，實現(xiàn)對掃描式光柵單色儀的標定；步驟四、調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置接收單色光源的像素點；通過光源切換開關(guān)切換為成像光譜儀定標模式，可調(diào)連續(xù)光源經(jīng)掃描光柵單色儀色散后由平行光管擴束、準直，準直光束由成像光譜儀接收；步驟五、設(shè)置掃描式光柵單色儀的定標區(qū)間及掃描步進波長；步驟六、調(diào)整光源系統(tǒng)輸出可調(diào)連續(xù)光源的亮度；步驟七、成像光譜議對接收的光源比較光譜曲線最高值是否接近飽和值，如果是，判斷定標區(qū)間是否完成，如果是，判斷是否調(diào)整光源像素點，如果是，返回步驟四；如果否，成像光譜儀定標完成，如果否，返回步驟五，如果否，返回步驟六。本發(fā)明的有益效果 :本發(fā)明采用一套裝置實現(xiàn)單色儀與成像光譜儀的交叉光譜定標，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易操作、定標精度高，避免了分別定標需要兩個探測器的弊端。定標過程中利用單色儀控制器可自動調(diào)節(jié)連續(xù)光源亮度及對光柵位置進行精確控制，同時采用數(shù)字濾波的方法提高光譜定標的精度。定標過程方便、簡單，不需要過多的人工干預(yù)。該定標方法還具有實時顯示、自動擬合及保存數(shù)據(jù)的功能。


圖1為本發(fā)明所述的一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明所述的一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標方法的流程圖；圖3為本發(fā)明中掃描式光柵單色儀光譜定標時特征光譜響應(yīng)曲線示意圖；圖4是本發(fā)明中掃描式光柵單色儀光譜定標數(shù)據(jù)立方體的曲線擬合示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結(jié)合圖1說明本實施方式，一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標裝置，該裝置包括光源系統(tǒng)、掃描式光柵單色儀、控制器、平行光管、成像光譜儀和主控計算機；所述的光源系統(tǒng)包括汞燈光源和可調(diào)連續(xù)光源及光源切換開關(guān)，通過光源切換開關(guān)轉(zhuǎn)換定標模式，光源系統(tǒng)輸出光源經(jīng)掃描式光柵單色儀色散后，由平行光管擴束、準直，最后由成像光譜儀接收，主控計算機通過USB接口與單色儀控制器進行數(shù)據(jù)通信，完成單色儀波長掃描、光源能量控制、單色儀步進數(shù)輸出等功能，主控計算機通過GigE (千兆網(wǎng)口)接口對成像光譜儀進行參數(shù)設(shè)置及獲取成像光譜數(shù)據(jù)。本實施方式所述的可調(diào)連續(xù)光源采用高精度高穩(wěn)定度光源，利用單色儀控制器根據(jù)成像光儀的探測器接收到的能量自動調(diào)節(jié)光源亮度；掃描式光柵單色儀采用C-T水平對稱結(jié)構(gòu)，通過單色儀控制器對光柵位置進行精確控制實現(xiàn)高精度單色光輸出。
具體實施方式
二、結(jié)合圖2和圖3說明本實施方式，一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標方法，—、對單色儀進行定標時,選擇光源系統(tǒng)中的萊燈作為系統(tǒng)光源，光源經(jīng)掃描式光柵單色儀后，輸出的單色光由平行光管擴束、準直，最后由成像光譜儀探測接收，主控計算機通過單色儀控制器對汞燈光源進行波長掃描，當掃描至汞燈特征譜線處時，成像光譜儀將在某一波段的某一空間像元處探測到該光譜信號，以單色儀的掃描步進數(shù)為橫坐標，以成像光譜儀的特定波段的空間像元輸出能量為縱坐標，建立定標曲線，結(jié)合圖3，對定標曲線進行高斯擬合可得到汞燈特征譜線對應(yīng)的單色儀掃描步進數(shù)，至少掃描出汞燈的兩條特征譜線后，經(jīng)線性擬合可得到單色儀的波長定標系數(shù)，即完成單色儀的標定；二、對成像光譜儀進行定標時，切換可調(diào)連續(xù)光源作為系統(tǒng)光源，光源經(jīng)掃描式光柵單色儀后，輸出的單色光由平行光管擴束、準直，最后由成像光譜儀探測接收，主控計算機通過單色儀控制器對可調(diào)連續(xù)光源進行波長掃描及能量控制，基于波長掃描法完成成像光譜儀的光譜定標。
具體實施方式
三、結(jié)合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式為具體實施方式
二所述的一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標方法的實施例:A、打開定標光源、掃描式光柵單色儀及成像光譜儀，開啟計算機應(yīng)用控制程序，建立掃描式光柵單色儀與成像光譜儀之間的通訊，設(shè)置成像光譜儀探測器基本參數(shù)，調(diào)整成像光譜儀，令探測器接收到經(jīng)過平行光管的準直平行光。理論計算汞燈特征光譜X1與特征光譜λ 2對應(yīng)的大概單色儀掃描步進數(shù)N1與N2，設(shè)置步進波長Λ λ、每次步進Λ λ時的探測器抓拍幀數(shù)，采集多組數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，在單色儀掃描步進數(shù)N1與N2附近一定范圍內(nèi)掃描，得到單色儀光譜定標曲線，對光譜定標曲線進行高斯擬合計算出特征光譜對應(yīng)的單色儀掃描步進數(shù)N/與Ν’2。·使用記錄的兩組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，即可得到波長與單色儀掃描步進數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，保存此定標系數(shù)，單色儀光譜定標完畢。B、成像光譜儀的光譜定標:通過光源切換開關(guān)切換為成像光譜儀定標模式，單色儀光譜定標完成之后，單色儀步進數(shù)可反應(yīng)連續(xù)光源輸出的單色光對應(yīng)的波長。調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置定標像素點Pi ;設(shè)置探測器的基本參數(shù)、定標起始波長、定標終止波長及步進波長Λ λ ;為減小測量誤差，提高信噪比，對單色儀輸出的單色光進行數(shù)字濾波，步進電機驅(qū)動光柵從定標起始波長位置掃描到定標終止波長位置。計算機得到定標像素點Pl的光譜曲線，提取響應(yīng)最高的DN值，若DN值未接近飽和，則調(diào)節(jié)連續(xù)光源的亮度，步進電機重新從定標起始波長位置掃描到定標終止波長位置，重復(fù)上一過程直到得到的光譜曲線響應(yīng)最高點的DN值接近飽和，記錄定標數(shù)據(jù)。設(shè)置波段數(shù)及定標像素點，即可查看定標像素點Pl任意有效波段的光譜響應(yīng)曲線。由于單色儀輸出的不穩(wěn)定性，實際得到的光譜曲線有存在一定的噪聲，需要對測試得到的光譜響應(yīng)曲線進行高斯擬合后，再分析得到各波段中心波長、全波半高寬、光譜取樣間隔等參數(shù)，保存定標數(shù)據(jù)。調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置其他定標像素點，重復(fù)上述工作，直到得到空間維所有有效像素的有效光譜通道的光譜響應(yīng)曲線。成像光譜儀的光譜定標工作結(jié)束。本實施方式所述的定標方法中，在定標過程中使用同一套定標裝置，僅需切換系統(tǒng)光源，便能夠完成單色儀的光譜定標及成像光譜儀的光譜定標。其核心思想在于:對單色儀進行定標時，使用待定標的成像光譜儀作為能量探測元件對單色儀進行標定；對成像光譜儀定標時，使用標定過的單色儀作為輸出元件對成像光譜儀進行標定，即交叉光譜定標思想。本交叉光譜定標方法具有結(jié)構(gòu)簡單、易操作、定標精度高等優(yōu)點，且不需要過多的人工干預(yù)，能夠極大地 提高成像光譜儀的光譜定標效率。
權(quán)利要求
1.一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標裝置，該裝置包括光源系統(tǒng)、掃描式光柵單色儀、控制器、平行光管、成像光譜儀和主控計算機；其特征是，所述光源系統(tǒng)包括汞燈光源和可調(diào)連續(xù)光源；光源系統(tǒng)輸出光源經(jīng)掃描式光柵單色儀色散后，由平行光管擴束、準直，準直光束由成像光譜儀接收，控制器控制光源系統(tǒng)輸出光源能量，控制掃描式光柵單色儀的波長掃描和步進數(shù)的輸出，主控計算機接收控制器輸出的掃描式光柵單色儀掃描的波長和輸出的步進數(shù)信息；主控計算機對成像光譜儀進行參數(shù)設(shè)置及獲取成像光譜儀的光譜信
2.基于權(quán)利要求1所述的一種單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標裝置的方法，其特征是，該方法由以下步驟實現(xiàn): 步驟一、調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置接收光源的像素點；通過光源切換開關(guān)切換為單色儀定標模式，汞燈光源經(jīng)掃描光柵單色儀后由平行光管擴束、準直，準直光束由成像光譜儀接收； 步驟二、主控計算機通過控制器對汞燈光源進行波長掃描，成像光譜儀探測汞燈光源的特征譜線，獲取汞燈光源特征譜線與掃描式光柵單色儀掃描步進數(shù)的信息； 步驟三、對步驟二獲取的特征譜線與掃描步進數(shù)進行線性擬合，獲得掃描式光柵單色儀的光譜定標系數(shù)，實現(xiàn)對掃描式光柵單色儀的標定； 步驟四、調(diào)整成像光譜儀，設(shè)置接收單色光源的像素點；通過光源切換開關(guān)切換為成像光譜儀定標模式，可調(diào)連續(xù)光源經(jīng)掃描光柵單色儀色散后由平行光管擴束、準直，準直光束由成像光譜儀接收； 步驟五、設(shè)置掃描式光柵單色儀的定標區(qū)間及掃描步進波長； 步驟六、調(diào)整光源系統(tǒng)輸出可調(diào)連續(xù)光源的亮度； 步驟七、成像光譜議對接收的光源比較光譜曲線最高值是否接近飽和值，如果是，判斷定標區(qū)間是否完成，如果是，判斷是否調(diào)整光源像素點，如果是，返回步驟四；如果否，成像光譜儀定標完成，如果否，返回步驟五，如果否，返回步驟六。
全文摘要
一種單色儀與成像光譜儀的交叉光譜定標裝置及方法，涉及光譜技術(shù)領(lǐng)域中的光電儀器技術(shù)，解決現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)采用同一套裝置或方法實現(xiàn)對單色儀與成像光譜儀交叉光譜定標的問題，所述光源系統(tǒng)包括汞燈光源和可調(diào)連續(xù)光源；光源系統(tǒng)輸出光源經(jīng)掃描式光柵單色儀色散后，由平行光管擴束、準直，準直光束由成像光譜儀接收，控制器控制光源系統(tǒng)輸出光源能量，控制掃描式光柵單色儀的波長掃描和步進數(shù)的輸出，主控計算機接收控制器輸出的掃描式光柵單色儀掃描的波長和輸出的步進數(shù)信息；主控計算機對成像光譜儀進行參數(shù)設(shè)置及獲取成像光譜儀的光譜信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易操作、定標精度高。
文檔編號G01J3/12GK103245414SQ20131011351
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者曹海霞, 潘明忠, 巴音賀希格, 崔繼承, 宋楠, 楊增鵬 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所