小型化非制冷红外成像光谱仪及方法

摘要

本发明提出一种小型化非制冷红外成像光谱仪及方法，其中光谱仪包括沿着光轴方向依次安装的：扫描反射镜、物镜组、狭缝光阑、准直物镜组、干涉仪、中继镜和成像组件，该光谱仪还包括非制冷红外焦平面探测器和干涉图谱处理模块，非制冷红外焦平面探测器置于中继镜和成像组件之间，干涉图谱处理模块接收成像组件发送的干涉图像信号，对干涉图像信号进行预处理和干涉图像的重构，并输出光谱图像；干涉仪包括相互接触的薄棱镜和平面镜，其中薄棱镜的上表面是锯齿状，具有至少两个尖峰，每个尖峰和狭缝光阑中的一条狭缝对齐。

说明书

技术领域

本发明涉及红外光谱成像技术领域，尤其涉及一种小型化非制冷红外成像光谱仪及方法。

背景技术

红外成像光谱仪可同时提供场景图像信息和光谱信息，从而深入分析场景目标的成分和特性，是一种重要的观测、分析和检测设备。目前，红外成像光谱仪在隐身目标侦察、危险气体检测、环境污染监测、资源勘探、海上搜救等领域得到了大量应用，正逐步成为光电成像领域重要的市场增长点。

相比普通的红外热像仪，红外成像光谱仪增加了分光部件(干涉仪、滤光器件或色散器件等)，这也导致其体积和重量大幅增加，限制了其应用范围。尤其是在长波红外范围，滤光器件和色散器件的分辨率较低，且信号能量衰减严重；而基于迈克尔逊干涉仪的时间调制分光技术也存在体积重量较大，成本高昂的问题。相比之下，干涉仪是一种空间调制型分光部件，在提供较好的光谱分辨率的同时，体积和重量也可得到有效控制，是当前实现小型化、高光谱长波红外成像光谱仪的可行技术路线。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中红外热像仪体积和重量较大的缺陷，提供一种小型化非制冷红外成像光谱仪及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种小型化非制冷红外成像光谱仪，包括沿着光轴方向依次安装的：扫描反射镜、物镜组、狭缝光阑、准直物镜组、干涉仪、中继镜和成像组件，该光谱仪还包括非制冷红外焦平面探测器和干涉图谱处理模块，非制冷红外焦平面探测器置于中继镜和成像组件之间，干涉图谱处理模块接收成像组件发送的干涉图像信号，对干涉图像信号进行预处理和干涉图像的重构，并输出光谱图像；

干涉仪包括相互接触的薄棱镜和平面镜，其中薄棱镜的上表面是锯齿状，具有至少两个尖峰，每个尖峰和狭缝光阑中的一条狭缝对齐。

本发明所述的小型化非制冷红外成像光谱仪中，薄棱镜的倾角为32mrad。

本发明还提供了一种小型化非制冷红外成像光谱仪获得红外成像光谱图像的方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)场景的红外辐射经物镜组聚焦在后焦面上；

(2)扫描反射镜在垂直于狭缝光阑的方向进行摆扫，每转过一定的角度，非制冷红外焦平面探测器采集一次图像数据；

(3)狭缝光阑作为视场光阑，对聚焦在其表面的光进行选通，使得刚好透过一条线视场的光，其它位置的光则被阻挡；

(4)准直物镜组将透过狭缝光阑的光进行准直，使其平行照射在干涉仪上；

(5)干涉仪中的薄棱镜的中间间隔厚度是变化的，则会产生沿垂直于狭缝光阑中狭缝方向位周期变化的干涉图像，该辐射信号与波长相关，通过快速傅里叶变换可恢复为光谱辐射信号；

(6)当扫描反射镜从一端摆扫到另一端时，获得整个观测场景的红外光谱辐射信号，成像组件和干涉图谱处理模块对这些信号进行处理，合成之后输出高光谱数字图像立方。

本发明产生的有益效果是：本发明采用特殊锯齿型的干涉仪结构获得不同线视场区域的干涉图的同时采集，使得光谱图像的采集速率得以提升，同时也可以降低系统的体积，使得系统结构更加紧凑。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例红外成像光谱仪组成框图；

图2为本发明实施例干涉仪示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的小型化非制冷红外成像光谱仪包含扫描反射镜1、物镜组2、狭缝光阑3、准直物镜组4、干涉仪5、中继镜6、非制冷红外焦平面探测器8、成像组件7和干涉图谱处理模块9等部分。沿着光轴的方向依次安装：扫描反射镜1、物镜组2、狭缝光阑3、准直物镜组4、干涉仪5、中继镜6、非制冷红外焦平面探测器8。各个组件的功能如下所述：

扫描反射镜1：在垂直于狭缝光阑3的方向进行扫描，实现整个观测视场内的线视场扫描；

物镜组2：对场景辐射进行聚焦干。

狭缝光阑3：作为视场光阑使线视场像通过，而档掉其它部分的光。

准直物镜组4：用于将透过狭缝光阑3的光进行准直，使其为平行光；

干涉仪5：透过准直物镜组4的光进行干涉调制，产生不同光程差的干涉信号，从而实现光谱分光。

中继镜6：将干涉光会聚到探测器靶面。

非制冷红外焦平面探测器8：将光信号转换为电信号。

成像组件7：完成信号放大、模数转换、非均匀校正、坏元剔除等功能，输出干涉图像信号。

干涉图谱处理模块9：接收成像组件发送的干涉图像信号，完成干涉数据预处理、干涉图像重构等功能，输出光谱图像。

如图2所示，本发明实施例的干涉仪5由一块薄棱镜51与平面镜52相互接触，其中薄棱镜51的上表面是锯齿状，具有至少两个尖峰，薄棱镜51的倾角为32mrad，实际情况下可以根据需求设计多个尖峰，在装配的时候，每个尖峰和狭缝光阑3中的一条狭缝对齐。

本发明的一种小型化非制冷红外成像光谱仪获得光谱图像的方法如下所述：

(1)场景的红外辐射经物镜组2聚焦在后焦面上；

(2)扫描反射镜1在垂直于狭缝光阑3的方向进行摆扫，没转过一定的角度，非制冷红外焦平面探测器8采集一次图像数据；

(3)狭缝光阑3作为视场光阑，对聚焦在其表面的光进行选通，使得刚好透过一条线视场的光，其它位置的则被阻挡；

(4)准直物镜组4将透过狭缝光阑3的光进行准直，使其平行照射在干涉仪5上；

(5)干涉仪5中的薄棱镜51的中间间隔厚度是变化的，则会产生沿垂直于狭缝光阑3中狭缝方向位周期变化的干涉图像(正弦辐射信号)。该辐射信号与波长相关，通过快速傅里叶变换可恢复为光谱辐射信号。

(6)当扫描反射镜1从一端摆扫到另一端时，系统可以获得整个观测场景的红外光谱辐射信号，成像组件7和干涉图谱处理模块9对这些信号进行处理合成之后可以输出高光谱数字图像立方。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。