專利名稱：：一種成像光譜儀光譜自動(dòng)定標(biāo)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光電儀器技術(shù)，具體指一種光、機(jī)、電一體化的熱紅外成像光譜儀光譜自動(dòng)定標(biāo)裝置及方法。
背景技術(shù)：
：高光譜遙感的出現(xiàn)是遙感界的一場(chǎng)革命，它使本來在寬波段遙感中不可探測(cè)的物質(zhì)，在高光譜遙感中能被探測(cè)。由于高光譜成像光譜系統(tǒng)獲得的連續(xù)波段寬度一般在10nm以內(nèi)，因此這種數(shù)據(jù)能以足夠的光譜分辨率區(qū)分出那些具有診斷性光譜特性的地表物質(zhì)。高光譜成像光譜系統(tǒng)的定標(biāo)對(duì)于定量遙感和高光譜遙感應(yīng)用具有十分重要的意義。遙感數(shù)據(jù)的可靠性及應(yīng)用的深度和廣度在很大程度上取決于定標(biāo)精度。因?yàn)橹挥薪?jīng)過了定標(biāo)的高光譜遙感數(shù)據(jù)才能從輻射圖像中提取真實(shí)的地物物理參量。光譜定標(biāo)的目的是確定成像光譜儀每個(gè)波段的中心波長(zhǎng)和帶寬。光譜分辨率定義為儀器達(dá)到光譜響應(yīng)最大值的50%時(shí)的波長(zhǎng)寬度。成像光譜遙感儀器由于光譜分辨率高，對(duì)光譜定標(biāo)的要求比較高。但由于高光譜成像系統(tǒng)波段比較多，手動(dòng)對(duì)每個(gè)波段進(jìn)行定標(biāo)，工作量較大，而且時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)參數(shù)在這個(gè)過程中可能已經(jīng)發(fā)生變化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種成像光譜儀光譜自動(dòng)定標(biāo)裝置，簡(jiǎn)化光譜系統(tǒng)定標(biāo)工作。用戶只需簡(jiǎn)單地設(shè)置幾個(gè)參數(shù)即可由系統(tǒng)自動(dòng)完成光譜定標(biāo)，定標(biāo)時(shí)間短，使用簡(jiǎn)單。裝置中還具有自校正功能，光譜定標(biāo)精度高。本發(fā)明在北京光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的WDG30-2型微機(jī)掃描單色儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。該單色儀主要由定標(biāo)光源，單色儀光學(xué)結(jié)構(gòu)以及單色儀控制器三部分組成。定標(biāo)光源可根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)的波段范圍選擇鹵鎢燈，汞燈或硅碳棒。光源用一般的穩(wěn)壓電源供電。單色儀光學(xué)結(jié)構(gòu)主要由光柵，聚光鏡，反射鏡以及用于光路準(zhǔn)直的兩個(gè)球面鏡組成。其中光柵的規(guī)格可根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)波段來選擇。單色儀控制器用來控制光柵單色儀中步進(jìn)電機(jī)，使之帶動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，將單色儀輸出所需的單色光。用戶設(shè)置好起始波長(zhǎng)和終止波長(zhǎng)后，光柵可自動(dòng)完成從起始波長(zhǎng)到終止波長(zhǎng)的一次掃描。在定標(biāo)過程中發(fā)現(xiàn)此設(shè)備定標(biāo)工作比較繁重。每次設(shè)置好起始波長(zhǎng)和終止波長(zhǎng)后只能完成該波段的一次掃描過程。由于光譜分辨率定義為儀器達(dá)到光譜響應(yīng)最大值的50%時(shí)的波長(zhǎng)寬度，因此在對(duì)某個(gè)波段定標(biāo)時(shí)，還要根據(jù)采集到的該波段光譜響應(yīng)最大值是否接近飽和來調(diào)整光源的強(qiáng)度，然后反復(fù)重新定標(biāo)，直到得到的光譜響應(yīng)曲線響應(yīng)最大值接近飽和為止。本發(fā)明改進(jìn)了該單色儀中的控制器部分，增加了掃描步長(zhǎng)，被測(cè)系統(tǒng)波段數(shù)，每個(gè)波段中心波長(zhǎng)四個(gè)參數(shù)，并且改用可控高精度穩(wěn)流電源給光源供電。用戶設(shè)置好參數(shù)后，控制器可根據(jù)采集到的光譜曲線響應(yīng)最大值自動(dòng)調(diào)整光源強(qiáng)度，重新開始該波段的掃描，直到采集到該波段正確的光譜曲線。然后按同樣方式繼續(xù)下一個(gè)波段的定標(biāo)，直到完成所有波段的定標(biāo)工作。在定標(biāo)過程中還發(fā)現(xiàn)紅外波段定標(biāo)時(shí)，背景雜散光對(duì)定標(biāo)結(jié)果影響比較明顯，因此在本發(fā)明出射狹縫處加了一個(gè)可控的反3射鏡，在每次定標(biāo)之前都先采集一份背景數(shù)據(jù)，以便在后期處理中去除該背景的影響。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下本發(fā)明的一種成像光譜儀光譜自動(dòng)定標(biāo)裝置，包括定標(biāo)光源，光柵式光譜儀，控制電路，數(shù)據(jù)采集電子學(xué)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制及繪圖軟件。定標(biāo)光源采用可控的高精度穩(wěn)流電源供電，光源亮度軟件可控。光柵式光譜儀由一個(gè)出射狹縫，自校正機(jī)構(gòu)，被測(cè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)的光柵，步進(jìn)電機(jī)及準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)組成?？刂齐娐吠瓿刹竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，光源亮度控制以及自校正機(jī)構(gòu)控制功能。數(shù)據(jù)采集電子學(xué)系統(tǒng)采用通用的USB采集卡采集被測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器的輸出的光譜數(shù)據(jù)，。計(jì)算機(jī)控制及繪圖軟件用于配置控制電路參數(shù)，并且顯示經(jīng)過處理后的被測(cè)系統(tǒng)光譜曲線。工作原理定標(biāo)時(shí)，首先設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，打開定標(biāo)光源，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使光柵轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定的位置。自校正機(jī)構(gòu)控制反射鏡彈片遮擋于出射狹縫前方，讀取此時(shí)探測(cè)器輸出，得到背景雜散光文件F1供以后對(duì)測(cè)量值修正用。幾秒后自校正機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)開反射鏡，使出射光通過出射狹縫入射到被測(cè)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵從起始波長(zhǎng)位置掃描到終止波長(zhǎng)位置。計(jì)算機(jī)得到第一個(gè)波段的光譜曲線，提取響應(yīng)最高點(diǎn)的DN值，若DN值未接近飽和則調(diào)節(jié)光源的亮度，步進(jìn)電機(jī)重新從起始波長(zhǎng)掃描到終止波長(zhǎng)，重復(fù)這個(gè)過程直到得到的光譜曲線響應(yīng)最高點(diǎn)的DN值接近飽和，記錄下這個(gè)光譜曲線。然后開始第二個(gè)波段光譜曲線采集，直到得到所有波段的光譜曲線。將所得到的所有波段的光譜曲線減去文件F1中的相應(yīng)波段的背景雜散光，即得到每個(gè)波段的光譜響應(yīng)曲線。如流程圖l所示。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)Τ上窆庾V儀進(jìn)行自動(dòng)光譜定標(biāo)，用戶只需設(shè)置好參數(shù)，整個(gè)定標(biāo)過程自動(dòng)完成并且只需幾分鐘的時(shí)間。同時(shí)包含有自校正功能，可去除定標(biāo)過程中背景雜光的影響，使定標(biāo)結(jié)果更加精確。圖1.光譜定標(biāo)流程圖。圖2為本發(fā)明的裝置圖，圖中1.光柵式光譜儀；2.球面鏡一；3.球面鏡二；4.光柵；5.入射狹縫；6.反射鏡；7.出射狹縫；8.折反鏡。具體實(shí)施例方式下面根據(jù)圖2給出本發(fā)明一個(gè)較好實(shí)施例，以便進(jìn)一步給出本發(fā)明的技術(shù)細(xì)節(jié)，使能更好地說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功能特點(diǎn)，但不是用來限定本發(fā)明的范圍。控制電路采用DSP來實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展出三個(gè)串口，分別與計(jì)算機(jī)，高精度穩(wěn)流電源，步進(jìn)電機(jī)通信。同時(shí)引出一根控制線與反射鏡驅(qū)動(dòng)相連，控制反射鏡位置。被測(cè)系統(tǒng)光譜范圍為7.7um-9.5um，共有30個(gè)光譜通道，每個(gè)通道的中心波長(zhǎng)如表1所示。被測(cè)系統(tǒng)光學(xué)窗口對(duì)準(zhǔn)光柵式光譜儀出射狹縫。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>按以上參數(shù)設(shè)置起始波長(zhǎng)，終止波長(zhǎng)，掃描步長(zhǎng)以及每個(gè)波段中心波長(zhǎng)的參數(shù)，存儲(chǔ)在DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器中，并開始定標(biāo)。DSP控制步進(jìn)電機(jī)按掃描步長(zhǎng)從起始波長(zhǎng)掃描到終止波長(zhǎng)，掃描完成一次就自動(dòng)更新一次軟件中顯示的光譜曲線。調(diào)節(jié)光源亮度，當(dāng)每個(gè)波段光譜曲線的響應(yīng)最高值接近于飽和值時(shí)，將光譜曲線存儲(chǔ)下來，并開始下一個(gè)波段的光譜定標(biāo)。紅外光源采用硅碳棒作為紅外光源。其尺寸為d=4mm，h=25mm，其特點(diǎn)是在工作溫度1500K左右，發(fā)射本領(lǐng)在215um內(nèi)平均值約為0.8。采用DH1716-4D型高精度穩(wěn)流電源(電流穩(wěn)定精度士10mA)使通過硅碳棒的電流穩(wěn)定。在光源外部配備了光源罩，以防止由于空氣流動(dòng)造成光源表面溫度的起伏，提高測(cè)量精度。步進(jìn)電機(jī)工作指標(biāo)工作電壓直流+12V;單相工作電流240mA;掃描區(qū)間范圍(最多可設(shè)定5個(gè)區(qū)間)190.0nm-950nm(1200線/mm);掃描速度共分10檔，由0-9表示(0速最快)；每個(gè)區(qū)間的掃描次數(shù)1-9次；波段范圍內(nèi)大循環(huán)次數(shù)l-9次；大循環(huán)之間的間隔時(shí)間1-99秒；波數(shù)打點(diǎn)間隔0.5-999.9(nm)。權(quán)利要求一種成像光譜儀光譜自動(dòng)定標(biāo)裝置，它包括定標(biāo)光源、光柵式光譜儀、控制電路、數(shù)據(jù)采集電子學(xué)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制及繪圖軟件，其特征在于定標(biāo)光源采用高精度穩(wěn)流控制電源供電的光源，配備相應(yīng)電路可根據(jù)被測(cè)探測(cè)器接收到的能量自動(dòng)調(diào)節(jié)光源亮度連續(xù)可調(diào)；在所述的光柵式光譜儀的出射狹縫處有一個(gè)用于測(cè)量系統(tǒng)背景雜散光可控的反射鏡(6)。2.—種基于權(quán)利要求1所述裝置的成像光譜儀光譜自動(dòng)定標(biāo)方法，其特征在于裝置定標(biāo)時(shí)，首先設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，打開定標(biāo)光源，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使光柵轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定的位置，自校正機(jī)構(gòu)控制反射鏡(6)彈片遮擋于出射狹縫前方，讀取此時(shí)探測(cè)器輸出，得到背景雜散光文件F1供以后對(duì)測(cè)量值修正用；幾秒后自校正機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)開反射鏡，使出射光通過出射狹縫入射到被測(cè)系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵從起始波長(zhǎng)位置掃描到終止波長(zhǎng)位置；計(jì)算機(jī)得到第一個(gè)波段的光譜曲線，提取響應(yīng)最高點(diǎn)的DN值，若DN值未接近飽和則調(diào)節(jié)光源的亮度，步進(jìn)電機(jī)重新從起始波長(zhǎng)掃描到終止波長(zhǎng)，重復(fù)這個(gè)過程直到得到的光譜曲線響應(yīng)最高點(diǎn)的DN值接近飽和，記錄下這個(gè)光譜曲線，然后開始第二個(gè)波段光譜曲線采集，直到得到所有波段的光譜曲線，將所得到的所有波段的光譜曲線減去文件F1中的相應(yīng)波段的背景雜散光，即得到每個(gè)波段的光譜響應(yīng)曲線。全文摘要本發(fā)明公開了一種成像光譜儀光譜自動(dòng)定標(biāo)裝置及方法，可自動(dòng)調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度，可設(shè)置起始波長(zhǎng)，終止波長(zhǎng)以及掃描步長(zhǎng)，并具有自校正功能，具有自動(dòng)獲取被測(cè)系統(tǒng)的紅外波段光譜曲線的功能。包括定標(biāo)光源，光柵式光譜儀，控制電路，數(shù)據(jù)采集電子學(xué)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制及繪圖軟件。文檔編號(hào)G01J3/00GK101788339SQ20101010189公開日2010年7月28日申請(qǐng)日期2010年1月27日優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日發(fā)明者徐衛(wèi)明,林穎,袁立銀申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所