移相式干涉光谱成像系统和成像方法与流程

本发明涉及一种移相式干涉光谱成像系统和成像方法。

背景技术：

干涉光谱成像技术在对地遥感方面有着非常重要的应用价值，基于等倾干涉的大口径横向剪切干涉仪在应用于干涉光谱成像时具有高探测灵敏度，且易于实现大视场成像的技术特点，其干涉图的特点非常适合于近地轨道卫星平台的推扫工作模式，但当这种工作模式在地球静止轨道时就无法实现推扫成像，需要增加大尺度高精度的前置扫描反射镜，除对卫星平台带来扰动影响外，还需占用大量的卫星平台资源。

技术实现要素：

针对上述应用需求，本发明提出一种基于位相扫描的移相式干涉光谱成像系统和成像方法，可在凝视状态下工作，适用于静止轨道卫星的遥感探测。

本发明的技术方案是：

移相式干涉光谱成像系统，其特殊之处在于：包括前置望远系统、移相式横向剪切干涉仪、傅里叶成像物镜和光电探测器；所述移相式横向剪切干涉仪位于前置望远系统的输出光路上，傅里叶成像物镜位于移相式横向剪切干涉仪的输出光路上，光电探测器位于傅里叶成像物镜的像面上；待测目标波前经前置望远系统准直后进入移相式横向剪切干涉仪，产生一系列的干涉图，傅里叶成像物镜将所述干涉图聚焦到光电探测器靶面上，由光电探测器记录所述干涉图。

上述移相式横向剪切干涉仪包括第一直角反射镜、第二直角反射镜、分束器、移相器和补偿器；所述移相器和第一直角反射镜沿所述分束器的反射光路依次设置；所述补偿器和第二直角反射镜沿所述分束器的透射光路依次设置。

上述移相式横向剪切干涉仪包括第一直角棱镜、第二直角棱镜、分束器、移相器和补偿器；所述移相器和第一直角棱镜沿所述分束器的反射光路依次设置；所述补偿器和第二直角棱镜沿所述分束器的透射光路依次设置。

上述移相器由一对楔角板组成，这两个楔角板的斜边相贴合，即两个楔角板的反向相对放置。

上述分束器为棱镜式分束器。

采用上述成像系统对目标波前进行成像的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)将目标波前进行收集和准直；

2)准直后的目标波前入射至移相式横向剪切干涉仪，产生相干的两个横向剪切波前；

3)利用傅里叶成像物镜将所述干涉图聚焦成像，形成带干涉图调制的景物图像；

4)利用光电探测器采集步骤3)中所成的像；

5)调整移相式横向剪切干涉仪使所述干涉图在傅里叶成像物镜的像面上移动；

6)利用光电探测器记录移相器的每一步相移所对应的干涉图，从而获取目标波前对应的干涉图序列；

7)通过数据处理与傅里叶逆变换得到目标波前的光谱分布。

本发明的优点是：

本发明可在凝视状态下工作，适用于静止轨道卫星的遥感探测，在地球静止轨道时能实现凝视状态下的宽视场高光谱成像，无需增加大尺度高精度的前置扫描反射镜，不会对卫星平台带来扰动影响，不会占用卫星平台资源。本发明的成像系统具有高通量和多通道的优势，探测灵敏度高，易于实现高时间分辨率的光谱探测，有利于实现局部区域的动态光谱观测。

附图说明

图1是本发明一具体实施例的结构示意图；

图2a和图2b是本发明移相器的工作原理示意图；

图3是移相器零位时干涉原理示意图；

图4是移相器移相后干涉原理示意图；

图中，1-前置望远系统，2-移相式横向剪切干涉仪，21-分束器，22-移相器，23-补偿器，24-第一直角反射镜，25-第二直角反射镜，3-傅里叶成像物镜，4-光电探测器。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提供的移相式干涉光谱成像系统由前置望远系统1、移相式横向剪切干涉仪2、傅里叶成像物镜3和光电探测器4组成。

移相式横向剪切干涉仪2是本发明实现光谱遥感探测的核心，它由第一直角反射镜24、第二直角反射镜25、分束器21、移相器22和补偿器23组成，其中,移相器22和第一直角反射镜24依次设置在分束器21的反射光路上；补偿器23和第二直角反射镜25依次设置在分束器21的透射光路上。这里两个直角反射镜可由直角棱镜替代；分束器可以是两块平行平板，也可以是棱镜式分束器。移相器22由两块楔角为α的楔板相向组成，当其中一块楔板沿斜面移动时，移相器22的厚度会产生变化。

远距离目标波前经前置望远系统1收集准直进入移相式横向剪切干涉仪2，入射的目标波前经移相式横向剪切干涉仪2后进入傅里叶成像物镜，聚焦到光电探测器4靶面形成带干涉调制的目标景物图像。

移相式横向剪切干涉仪2在像面(即光电探测器4的靶面所在平面)上产生直线条纹的干涉图，当移相器22发生相移时，所述干涉图在像面上产生移动，光电探测器4记录每一步相移所产生的干涉图，从而获取目标波前对应的干涉图序列，最后经过重新排列干涉图和傅里叶逆变换即可得到目标波前的光谱分布。

下面结合附图1～附图4对本发明的具体工作原理进行详述。

来自物点的入射波前W经横向剪切干涉仪2后形成两路剪切开的相干波前W1和W2，具体为：

入射波前W经分束器21分成两路：一路光经过移相器22和第一反射镜24后，再反射回到分束器21，从分束器21透射形成波前W1；另一路光经过补偿器23和第二反射镜25后，反射回到分束器21，从分束器21透射形成波前W2。

波前W1和波前W2在像面处的光振动E可以表示为：

上式中a₁、a₂分别为两束光波的振幅，L₁、L₂分别为两束光波到像点处的光程，ωt为时间位相因子，为空间位相因子。

波前W1和波前W2在像面处的光的合振动E可以表示为

E＝E₁+E₂ (3)

光电探测器4接收的是干涉图的强度信息，因此，两光波在像点处的振动强度I可表示为：

其中ΔL＝L1-L2

由公式(4)可以看出，像面上物点的干涉图强度变化取决于位相差κ(ΔL)，也即取决于两光波的光程差这里s为图1所示干涉仪剪切量,fftl为傅里叶成像物镜的焦距，D_p为光电探测器像元间隔，i为探测器像元位置，N为探测器像元数。

移相器22的作用是产生两个剪切波面的附加光程差ΔL′，为公式(4)引入一个附加相位以实现干涉图的位相扫描。如图2a和图2b所示，当移相器22的一块楔板沿另一块楔板的斜面移动时，移相器的厚度会产生变化，从而使得移相器这一支光路的波前W1产生附加光程ΔL′；第j步相移对应的附加光程差ΔL′可表示为

ΔL′＝2(j.δd)(n-1) (5)

公式(5)中n为移相器材料的折射率，d为移相器零位时的厚度(即初始状态时的厚度)，δd为楔板每步相移器厚度变化量，且满足：

对于移相式横向剪切干涉仪2所能实现的最大剪切量S应满足Nyqui st采样定理：

式中υ_m为光谱成像系统所探测目标的光谱的最高频率。

横向剪切干涉仪所能实现的最大光程差ΔL_m取决于探测器靶面的像元数：

公式(8)中N是光电探测器相机的像元数。因此移相器的最大工作范围为±ΔL_m。

则相移式干涉干涉光谱成像干涉图强度可以表示为：

图3与图4进一步解释了本发明移相干涉成像的技术原理。

在图3中，当移相器22在零位时，光轴上物点两个波前W_O1和W_O2具有相等的光程，其光程差ΔL为零，此时光轴外物点P点的光程差的大小由公式确定，式中y为轴外物点P点的成像像高，S为横向剪切干涉仪的最大剪切量。

在图4中，当移相器22产生相移后，光轴上物点的光程差ΔL即为移相器22产生的附加光程差ΔL′；对于光轴外物点P，当移相器22产生的附加光程差ΔL′等于横向剪切干涉仪在P点的光程差ΔL时，光轴外物点P发出的两束光W_P1和W_P2的光程相等，光程差为零，表示零光程差的位置已从光轴上物点移动至光轴外物点，在整个移相过程中，光电探测器4记录采集一系列的移相干涉图，以获取目标景物进行光谱复原所需的干涉图序列。

对于本发明，第一反射镜或第二反射镜也可以作为移相器使用，任意一块反射镜沿光轴移动产生能够附加光程差以实现干涉图的位相扫描，其原理同上所述。