专利名称：全光模数转换的光纤光谱成像方法
技术领域：
本发明属于数字成像技术，尤其涉及光模数转换技术。
背景技术：
数字成像技术的发展将记录地球自然环境、人类活动和和认识事物的影象能力带 入了又一次飞跃。其应用领域已涵盖地球科学、人类生活的各个方面，在军事应用、地质找 矿和制图、大气和环境监测、农业和森林调查、海洋生物物理研究、摄影艺术和建筑设计等 领域发挥着越来越重要的作用。目前数字成像均采用光电转换原理的CXD (Charg couple divce电荷偶合装置) 为主要核心器件，主要存在问题是(1)距离远成像，光信息量太弱，同时获得高空间分辨 率和高光谱分辨率的影象困难；(3)CCD器件由于受超大规模集成电路制造限制，CCD器件物理尺寸有限，导致成像幅面受限，大视场问题成为瓶颈。实现全光高光谱成像的技术基础是光模数转换技术，光模数转换技术最初是由 S. Wright等人于1974年提出的。在他提出该设想之后的几十年里，光学模数转换技术得到 了长足的发展。到本世纪初，先后经历三个主流的研究阶段。第一个是70年代中期到80 年代中期，主要采用的集成光学技术和电子技术相结合。第二个是从90年代初开始，通过 借鉴光通信中的时分复用和波分复用的技术，开始采用光电混合方式的时分复用或波分复 用方式的模数转换器，通过并行处理的方式来降低所需要的采样速率。第三个是本世纪初， 随着人们对光纤的非线性效应越来越清晰的认识，基于光纤的非线性效应的全光模数转换 器的方案被越来越多地提出。光脉冲在光纤中传输，会产生一些非线性效应，如波长效应、自频移效应等。以自 频移效应为例对全光成像的可行性进行论证自频移效应指的是，光脉冲在光纤传播过程 中，脉冲的中心频率会随着传播而发生偏移的过程。《SFS表示经过莱曼自频移效应后的脉 冲中心频率，则有ω SFS = CP2Z其中，C为自频移系数，P为输入脉冲峰值功率，Z为传播的距离。由上式可以看出 偏移的大小取决输入脉冲功率的平方项和传播距离的长短。当传播距离相同时，频率移动 的大小与输入脉冲功率正相关。正是因为这种相关的关系，就是将不同输入功率的光脉冲通过频移的大小区分 开。将该原理应用在成像方面可以得出如下结论被摄物体的反射光以不同的强度进入镜 头，在焦平面上的得到不同感光强度，当在焦平面上放置光纤阵列，每根光纤有一定长度， 将进入每根光纤的光线转换为光脉冲，则入射光线光脉冲经过光纤阵列传播后，满足上式 要求，会产生不同的频移，将这些不同的频移变化量经过全光采样、量化就可以用数字表现 出来，这些数字对应的是被摄物体不同位置的光强，这些数字按矩阵表示就构成了被摄物 体数字图象。上述原理目前主要应用于光纤通信领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全光模数转换的光纤光谱成像方法，以解决传统的数 字成像技术存在的获得高空间分辨率和高光谱分辨率的影象困难、成像幅面受限等技术问 题。本发明所述的全光模数转换的光纤光谱成像方法的步骤如下对视场中被摄物上某一个像素宽度窄条上的所有的点反射光(1)通过成像系统 (2)成像在狭缝(3)的位置，通过准直系统(4)形成平行光投射到棱镜或光栅(5)进行分 光，通过棱镜(5)的出射光再通过镜头(6)聚焦到激光转换放大器阵列7上，将进入每根光 纤的光线通过激光泵辅转换为激光，变成光脉冲，同时光强得到增强；从光纤激光放大器阵列出来的每束单色光脉冲再进入到每根有一定长度光纤阵 列(8)，通过光偶合，光脉冲在光纤8中是以模拟光的形式传播；模拟光脉冲经过一定距离的光纤传播后，会产生频移变化，这些频移变化量是模 拟光，然后对这些模拟光进行数字化，使模拟光转换为数字光；对全光数字化的过程是首 先对模拟光脉冲进行采样(10)、然后量化(11)，之后再进行编码(12)，经过模拟光采样、量 化和编码就形成了数字光，数字光被计算机系统用数字的形式记录下来，整个转换过程是 在全光形式下完成，即光到光的转换；根据莱曼自频移效应，就可以得到视场中被摄物上某 一个像素宽度窄条上的对应各单色光谱的亮度数字值，这些亮度数字值就是该点对应各单 色光谱的影像灰度数字值，它们可以用二维矩阵形式表现出来，从而形成被摄物上某一个 像素宽度窄条数字光谱图象(13)。为记录视场中被摄物整个影像，狭缝在拍摄过程中需要对被射物扫描，扫描的方 式有两种，一种是摄影机不动，狭缝(3)转动扫描，另一种是摄影机依托一个移动的平台的 移动，对视场中被摄物进行扫描。狭缝每扫过一个像素的宽度，记录下一帧二维模拟光光谱，然后数字化；最后完成 拍摄时，将得到的所有数字光谱帧合在一起拼成一个立方体光谱图象，当从立方体光谱图 象水平方向看时，能看到某个波长上的被摄物影像，当从立方体光谱图象横着切一片下来， 就是一个像素宽度窄条上的各个波长的影像。如果激光转换放大器阵列7只接受单色光，就可以取一片不同波长上的影像构成 灰度黑白影像。如果激光转换放大器阵列7只接受红、绿兰三原色光，就可以取三片不同波长上 的影像拼合成一幅漂亮的彩色影像。如果激光转换放大器阵列7能接受按不同的光谱分辨率的光线，则可以生成不同 光谱分辨率的多光谱图象、超光谱图象和高光谱图象。本发明的优点及积极效果如下1、提出了一种全新的基于全光模数转换的光纤成像机理和方法，全光转换技术优于光电转换技术，屏弃了传统CCD器件光电转换成像模式。2、真正意义上实现全光信号数字化，提高了光学成像的转换速度。3、解决了远距离由于光信号能量弱而导致成像困难问题，这对于航空成像、航天 成像非常有益。4、由于在光学成像的焦平面上采用光纤束代替传统的CCD器件，而光纤束所构成的平面不受物理尺寸限制，这样就解决大视场光学成像问题，提高了成像效率。
图1 (以七个多光谱分光成像为例)是本发明的全光模数转换的光纤光谱成像示 意图。
具体实施方式
本发明的全光模数转换的光纤光谱成像步骤说明全光模数转换的光纤光谱成像系统一般由两部分组成，S卩，被射物成像系统和光 谱成像系统。被射物成像系统将被射物的一个条带成像在光谱成像系统的入射狭缝上，光 谱成像系统对入射狭缝进行色散，然后按波长不同成像在探测器的不同位置，通过适当选 择光谱成像系统的色散系数可以获得不同光谱分辨率的图像，这是一般光谱成像系统的成 像过程。本发明的重点是光谱成像系统(后部分)进行了本质上的创新，产生出一种全新 的光谱成像方法。应用频移大小与输入脉冲功率的特性关系在摄影成像领域，它摆脱目前 使用的CCD成像器件，实现了全光转换技术。本发明的原理及步骤参见图1。图1中的部件说明1-一被摄物上点发出反射光；2-—被摄物成像系统的物镜； 3—物镜2焦平面上的狭缝；4-一光谱成像系统的准直物镜；5-—分光棱镜(或光栅)； 6-—光谱成像系统的成像物镜；7-—激光转换放大器阵列；8-—传输光纤阵列；9-一光纤 阵列偶合器；10-模拟光采样器件；11-模拟光量化器件；12—模拟光编码器件；13—视 场中被摄物上某一个像素宽度窄条上的数字光谱图象。全光模数转换的光纤光谱成像是对视场中被摄物上某一个像素宽度窄条上的所 有的点反射光1通过成像系统2成像在狭缝3的位置，通过准直系统4形成平行光投射到棱 镜(或光栅)5进行分光(就是前提到的色散)，通过棱镜5出射光通过镜头6聚焦到激光 转换放大器阵列7上，将进入每根光纤的光线通过激光泵辅转换为激光，变成光脉冲，同时 光强得到增强；从光纤激光放大器阵列出来的每束单色光脉冲再进入到每根有一定长度光 纤阵列8，通过光偶合，光脉冲在光纤8中是以模拟光的形式传播；模拟光脉冲经过一定距 离的光纤传播后，会产生不同的频移，将这些不同的频移变化量进行全光数字化，使模拟光 脉冲变成数字光脉冲，全光数字化首先对模拟光脉冲进行采样10、量化11，然后进行模拟 光编码12，经过模拟光采样、量化和编码就形成了数字光，整个转换过程是在全光形式下完 成，即光到光的转换，得到视场中被摄物上某一个像素宽度窄条上的对应各单色光谱的灰 度数字值，并用矩阵形式表现出来，就形成被摄物上某一个像素宽度窄条数字光谱图象13。为记录视场中被摄物整个影像，狭缝在拍摄过程中需要对被射物扫描，扫描的方 式有两种，一种是摄影机不动，狭缝3转动扫描，另一种是摄影机依托一个移动的平台(车 载、航空、航天)的移动，对视场中被摄物进行扫描。狭缝每扫过一个像素的宽度，如上述说 明记录下一帧二维模拟光光谱，然后数字化。最后完成拍摄时，我们把得到的所有数字光谱 帧合在一起拼成一个立方体光谱图象，当从立方体光谱图象水平方向看时，就能看到某个 波长上的被摄物影像，当从立方体光谱图象横着切一片下来，这就是一个像素宽度窄条上的各个波长的影像。如果激光转换放大器阵列7只接受单色光，就可以取一片不同波长上的影像构成灰度黑白影像。如果激光转换放大器阵列7只接受红、绿兰三原色光，就可以取三片不同波长上的影像拼合成一幅漂亮的彩色影像。如果激光转换放大器阵列7能接受按不同的光谱分辨率的光线，则可以生成不同光谱分辨率的多光谱图象、超光谱图象和高光谱图象。
权利要求
一种全光模数转换的光纤光谱成像方法，其特征在于它包括如下步骤对视场中被摄物上某一个像素宽度窄条上的所有的点反射光(1)通过成像系统(2)成像在狭缝(3)的位置，通过准直系统(4)形成平行光投射到棱镜或光栅(5)进行分光，通过棱镜(5)的出射光再通过镜头(6)聚焦到激光转换放大器阵列7上，将进入每根光纤的光线通过激光泵辅转换为激光，变成光脉冲，同时光强得到增强；从光纤激光放大器阵列出来的每束单色光脉冲再进入到每根有一定长度光纤阵列(8)，通过光偶合，光脉冲在光纤(8)中是以模拟光的形式传播；模拟光脉冲经过一定距离的光纤传播后，会产生频移变化，这些频移变化量是模拟光，然后对这些模拟光进行数字化，使模拟光转换为数字光；对全光数字化的过程是首先对模拟光脉冲进行采样(10)、然后量化(11)，之后再进行编码(12)，经过模拟光采样、量化和编码就形成了数字光，数字光被计算机系统用数字的形式记录下来，整个转换过程是在全光形式下完成，即光到光的转换；根据莱曼自频移效应，就可以得到视场中被摄物上某一个像素宽度窄条上的对应各单色光谱的亮度数字值，这些亮度数字值就是该点对应各单色光谱的影像灰度数字值，它们可以用二维矩阵形式表现出来，从而形成被摄物上某一个像素宽度窄条数字光谱图象(13)。
2.如权利要求1所述的一种全光模数转换的光纤光谱成像方法，其特征在于为记录视 场中被摄物整个影像，狭缝在拍摄过程中需要对被射物扫描，扫描的方式有两种，一种是摄 影机不动，狭缝(3)转动扫描，另一种是摄影机依托一个移动的平台的移动，对视场中被摄 物进行扫描。
3.如权利要求1所述的一种全光模数转换的光纤光谱成像方法，其特征在于狭缝每 扫过一个像素的宽度，记录下一帧二维模拟光光谱，然后数字化；最后完成拍摄时，将得到 的所有数字光谱帧合在一起拼成一个立方体光谱图象，当从立方体光谱图象水平方向看 时，能看到某个波长上的被摄物影像，当从立方体光谱图象横着切一片下来，就是一个像素 宽度窄条上的各个波长的影像。
4.如权利要求1所述的一种全光模数转换的光纤光谱成像方法，其特征在于如果激 光转换放大器阵列7只接受单色光，就可以取一片不同波长上的影像构成灰度黑白影像。
5.如权利要求1所述的一种全光模数转换的光纤光谱成像方法，其特征在于如果激 光转换放大器阵列7只接受红、绿兰三原色光，就可以取三片不同波长上的影像拼合成一 幅漂亮的彩色影像。
6.如权利要求1所述的一种全光模数转换的光纤光谱成像方法，其特征在于如果激 光转换放大器阵列7能接受按不同的光谱分辨率的光线，则可以生成不同光谱分辨率的多 光谱图象、超光谱图象和高光谱图象。
全文摘要
本发明公开了一种全光模数转换的光纤光谱成像方法，它包括对视场中被摄物上某一个像素宽度窄条上的所有的点反射光成像在狭缝的位置，通过准直系统形成平行光投射到棱镜或光栅进行分光，再通过镜头聚焦到激光转换放大器阵列上，将进入每根光纤的光线通过激光泵辅转换为激光，变成光脉冲，再进入到每根有一定长度光纤阵列，通过光偶合以模拟光的形式传播；模拟光脉冲经过光纤传播后，会产生频移变化，即模拟光，对模拟光进行数字化；根据莱曼自频移效应，就可以得到视场中被摄物上某一个像素宽度窄条上的对应各单色光谱的亮度数字值。本发明可以解决传统的数字成像技术存在的获得高空间分辨率和高光谱分辨率的影象困难、成像幅面受限等技术问题。
文档编号G01J3/12GK101839766SQ201010174358
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者陈向宁 申请人:陈向宁