多维信息一体化获取相机的光谱定标装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种多维信息一体化获取相机的光谱定标装置及方法，装置包括多维信息一体化获取相机、光谱分析仪、积分球和定标光源组件。定标光源组件固定安装在积分球的入光口处，多维信息一体化获取相机和光谱分析仪的探头均固定在积分球的出光口处，光谱分析仪的探头位于多维信息一体化获取相机的上方或者下方；积分球的出光口直径大于多维信息一体化获取相机的入瞳直径；定标光源组件包括单色仪、不同波长的激光器以及固定靶轮；固定靶轮上开设有中心孔，单色仪光源发出的光束通过该中心孔进入积分球；固定靶轮上分布有多个孔组，用于固定激光器光源的光纤端口；每个孔组安装的激光器光源型号相同。本发明适用范围广、定标精度高。
【专利说明】
多维信息一体化获取相机的光谱定标装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学领域，涉及一种光谱定标装置及方法，尤其涉及一种多维信息一 体化获取相机的光谱定标装置及方法。
【背景技术】
[0002] 多维信息一体化获取相机可同时获取物体的多种本证信息，为目标探测和识别提 供丰富的信息，如成像光谱仪可以同时获得物体的图像、光谱信息，偏振成像光谱仪则可以 同时获得物体的偏振、图像、光谱信息，多维信息一体化获取技术在生物医学、航天遥感、军 事侦察、地质调查、大气环境监测等领域具有重要的应用价值。
[0003] 多维信息一体化获取相机的关键技术之一是对其所获取数据的定量化研究，即多 维信息一体化获取相机的定标问题。定标包括几何定标、福射定标、光谱定标以及偏振定 标，其中光谱定标的目的在于确定各光谱通道的中心波长及光谱分辨率。目前，常用的光谱 定标方法主要有特征光谱定标法和单色仪波长扫描法。特征光谱定标法利用汞灯、钠灯等 标准灯的发射谱线对仪器进行标定，具有结构简单、易操作的优点，但是无法实现多维信息 一体化获取相机全波段中心波长的标定及对应光谱分辨率的标定，适用范围窄。单色仪波 长扫描法能够获得多维信息一体化获取相机每一光谱通道的中心波长及光谱分辨率，具有 全波段定标、适用范围广的优点，但由于单色仪输出光波线宽较大，导致此方法的光谱分辨 率定标精度低，且无法对光谱分辨率高的相机进行准确定标;此外，由于该方法所用平行光 管在单色仪输出光波有效线宽范围内对不同波长透过率的差异，将导致单色仪输出光波中 心波长的漂移，从而使得相机中心波长定标精度下降。
【发明内容】
[0004] 为解决上述背景中传统光谱定标方法适用范围窄、定标精度低的问题，本发明提 供了一种适用范围广、定标精度高的多维信息一体化获取相机的光谱定标装置及方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 多维信息一体化获取相机的光谱定标装置，包括多维信息一体化获取相机、光谱 分析仪;其特殊之处在于:还包括积分球和定标光源组件;所述定标光源组件固定安装在积 分球的入光口处，多维信息一体化获取相机和光谱分析仪的探头均固定在积分球的出光口 处，光谱分析仪的探头位于多维信息一体化获取相机的上方/下方;所述积分球的出光口直 径大于多维信息一体化获取相机的入瞳直径;所述定标光源组件包括单色仪、不同波长的 激光器以及固定靶轮;所述固定靶轮上开设有中心孔，单色仪光源发出的光束通过所述中 心孔进入积分球;所述固定靶轮上分布有多个孔组，用于固定激光器光源的光纤端口；每个 孔组包含至少一个通孔，且同一孔组的通孔上固定安装的激光器光源型号相同。
[0007] 基于上述基本方案，本发明还作出如下优化：
[0008] 上述多维信息一体化获取相机固定在积分球的出光口的正前方。
[0009] 上述定标装置还包括控制计算机，用于控制单色仪光源和各激光器光源。
[0010] 上述多个孔组均布在所述固定靶轮上。
[0011] 上述孔组至少有5个。
[0012] 上述孔组有20个。
[0013] 上述每个孔组包含3个通孔。
[0014]基于上述的光谱定标装置的光谱定标方法，多维信息一体化获取相机各光谱通道 用符号k表示，k=l，2，-_，N，其中，N为多维信息一体化获取相机的总光谱通道数;其特殊之 处在于:包括以下步骤：
[0015] Stepl:采集多维信息一体化获取相机各通道中心波长定标用数据
[0016] (1)控制单色仪，使其在多维信息一体化获取相机的工作波段范围内每隔lnm~ 10nm输出一准单色光波，利用光谱分析仪的探头在积分球的出光口处采集数据，获取积分 球出光口处出射光波的真实中心波长Ai，i = 1，2，…，W，其中，i为各准单色光波的序号，W为 定标时单色仪所输出准单色光波的总数；
[0017] (2)打开多维信息一体化获取相机的探测器，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复 原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应的通道位置N 1;
[0018] Step2:采集多维信息一体化获取相机各通道光谱分辨率定标用数据
[0019] (1)根据多维信息一体化获取相机的工作波段选择激光器，所述激光器的光谱段 在多维信息一体化获取相机的工作光谱段范围内；所述激光器光源的中心波长记为h，j = 1，2，···，ν，其中，V为定标用激光器光源的总数；
[0020] (2)将Step2(l)中所选定的各激光器的光源依次打开，打开多维信息一体化获取 相机，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值 所对应的通道位置Nj，以及谱线的峰值半高宽Δ λ」，其中，j = 1，2，…，V;
[0021] Step3:采用插值法标定通道位置k处的中心波长和光谱分辨率Δ
[0022] 采用插值方法对化，Μ进行插值，获取通道位置k处所对应的中心波长;采用插值 方法对％，△ \进行插值，获取通道位置k处所对应的光谱分辨率Δ Ak。
[0023] 上述Step3具体为：
[0024] (1)分别采用多种插值方法获取通道位置％处的中心波长λ/ ;
[0025] (2)通过计算λ/相对于所述\的偏移量△，对比验证各插值方法所获取的的精 度；
[0026] (3)对比各插值方法对应的偏移量△，选用△最小的插值方法标定通道位置k处的 中心波长A k以及光谱分辨率Δ Ak。
[0027] 上述偏移量Δ按下述公式计算：
[0029] 本发明的优点是：
[0030] 1、本发明利用特殊设计的定标光源组件和积分球组合，输出能充满多维信息一体 化获取相机全视场、全口径范围的定标用光波，中心波长的定标精度能够达到亚纳米量级； 本发明能够自由控制定标光源组件输出单色光波、准单色光波，并可对定标光源组件的光 源强度进行调节，具备在大动态范围内进行光谱定标的能力，应用范围广。
[0031] 2、本发明通过控制计算机实现定标光源组件的自动控制、数据采集、数据处理，计 算响应时间短，定标结果准确度高。
[0032] 3、本发明结构简单、稳定性高、重复性好。
【附图说明】
[0033]图1是本发明的结构示意图；
[0034] 图2是本发明的光纤端口固定装置的结构示意图；
[0035] 图中，1 -积分球，11 -入光口，12-出光口，2-多维信息一体化获取相机，3-光谱分析 仪，4-探头，5-定标光源组件，51-固定靶轮，511-中心孔，512-孔组，513-通孔。
【具体实施方式】
[0036] 图1为本发明所提供的多维信息一体化获取相机的光谱定标装置的结构示意图。 如图1所示，该光谱定标装置包括积分球1、多维信息一体化获取相机2、光谱分析仪3、定标 光源组件5以及用于控制定标光源组件5的控制计算机。
[0037] 定标光源组件5固定安装在积分球1的入光口 51处;多维信息一体化获取相机2和 光谱分析仪3的探头4均固定在积分球1的出光口 12处，同时，光谱分析仪3的探头4位于多维 信息一体化获取相机2的上方，且积分球1的出光口 12的直径大于多维信息一体化获取相机 2的入瞳直径，以保证从出光口 12输出能够充满多维信息一体化获取相机2的全视场、全口 径范围的定标用光波。定标光源组件5包括单色仪、不同波长的激光器以及固定靶轮51;固 定靶轮51上开设有中心孔511，单色仪光源发出的光束通过中心孔511进入积分球1;固定靶 轮51上还分布有多个孔组512,用于固定激光器光源;每个孔组512包含至少一个通孔513， 且属于同一孔组的通孔513上固定安装的激光器光源型号相同，可根据定标的动态范围确 定通孔513和相应的激光器的数量。图2给出了固定靶轮51的一个具体结构示意图，如图2所 示，固定靶轮51的中心开设有中心孔511，固定靶轮51上还均布有20个孔组512，用来固定不 同波长的激光器;每个孔组512包含3个通孔513。
[0038] 基于上述光谱定标装置，本发明还提供了一种光谱定标方法。多维信息一体化获 取相机各通道用符号k表示，k=l，2，-_，N，其中，N为多维信息一体化获取相机的总通道数； 该光谱定标方法具体包括以下步骤：
[0039] Stepl:采集多维信息一体化获取相机各通道中心波长定标用数据
[0040] (1)控制单色仪，使其在多维信息一体化获取相机的工作波段范围内每隔lnm~ 10nm输出一准单色光波，利用光谱分析仪的探头在积分球的出光口处采集数据，获取积分 球出光口处出射光波的真实中心波长Ai，i = 1，2，…，W，其中，i为各准单色光波的序号，W为 定标时单色仪所输出准单色光波的总数；
[0041] (2)打开多维信息一体化获取相机的探测器，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复 原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应的通道位置N1;
[0042] Step2:采集多维信息一体化获取相机各通道光谱分辨率定标用数据
[0043] (1)根据多维信息一体化获取相机的工作波段选择激光器，所述激光器的光谱段 在多维信息一体化获取相机的工作光谱段范围内；所述激光器光源的中心波长记为h，j = 1，2，···，ν，其中，V为定标用激光器光源的总数；
[0044] (2)将Step2(l)中所选定的各激光器的光源依次打开，打开多维信息一体化获取 相机，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值 所对应的通道位置Nj，以及谱线的峰值半高宽Δ λ」，其中，j = 1，2，…，V;
[0045] Step3:采用插值法标定通道位置k处的中心波长和光谱分辨率
[0046] 采用插值方法对化，Μ进行插值，获取通道位置k处所对应的中心波长;采用插值 方法对％\进行插值，获取通道位置k处所对应的光谱分辨率△ 。具体为：
[0047] (1)分别采用多种插值方法(例如最近邻插值法、线性插值法、分段多项式插值法 和样条插值法)获取通道位置％处的中心波长λ/ ;
[0048] (2)通过计算λ/相对于所述\的偏移量△，对比验证各插值方法所获取的的精 度；
[0049] (3)对比各插值方法对应的偏移量△，选用△最小的插值方法标定通道位置k处的 中心波长A k以及光谱分辨率Δ Ak。
[0050] 上述偏移量Δ按下述公式计算：
[0052]由于光谱分析仪3的波长精度能达到亚纳米量级，因此，本发明所提供的定标方法 的中心波长的定标精度在亚纳米量级;激光器输出光谱的线宽通常在纳米量级，远小于单 色仪输出光谱的线宽，因此，本发明能够更为精确地获取相机的光谱分辨率。
【主权项】
1. 多维信息一体化获取相机的光谱定标装置，包括多维信息一体化获取相机、光谱分 析仪;其特征在于:还包括积分球和定标光源组件； 所述定标光源组件固定安装在积分球的入光口处，多维信息一体化获取相机和光谱分 析仪的探头均固定在积分球的出光口处，光谱分析仪的探头位于多维信息一体化获取相机 的上方或者下方； 所述积分球的出光口直径大于多维信息一体化获取相机的入瞳直径； 所述定标光源组件包括单色仪、不同波长的激光器以及固定靶轮;所述固定靶轮上开 设有中心孔，单色仪光源发出的光束通过所述中心孔进入积分球;所述固定靶轮上分布有 多个孔组，用于固定激光器光源的光纤端口；每个孔组包含至少一个通孔，且同一孔组的通 孔上固定安装的激光器光源型号相同。2. 根据权利要求1所述的多维信息一体化获取相机的光谱定标装置，其特征在于:所述 多维信息一体化获取相机固定在积分球的出光口的正前方。3. 根据权利要求1所述的多维信息一体化获取相机的光谱定标装置，其特征在于:所述 定标装置还包括控制计算机，用于控制单色仪光源和各激光器光源。4. 根据权利要求3所述的多维信息一体化获取相机的光谱定标装置，其特征在于:所述 多个孔组均布在所述固定靶轮上。5. 根据权利要求4所述的多维信息一体化获取相机的光谱定标装置，其特征在于:所述 孔组至少有5个。6. 根据权利要求5所述的多维信息一体化获取相机的光谱定标装置，其特征在于:所述 孔组有20个。7. 根据权利要求6所述的多维信息一体化获取相机的光谱定标装置，其特征在于:所述 每个孔组包含3个通孔。8. 基于权利要求1至7任一所述的光谱定标装置的光谱定标方法，多维信息一体化获取 相机各光谱通道用符号k表示，k=l，2，-_，N，其中，N为多维信息一体化获取相机的总光谱 通道数;其特征在于:包括以下步骤： Stepl:采集多维信息一体化获取相机各通道中心波长定标用数据 (1) 控制单色仪，使其在多维信息一体化获取相机的工作波段范围内每隔lnm~10nm输 出一准单色光波，利用光谱分析仪的探头在积分球的出光口处采集数据，获取积分球出光 口处出射光波的真实中心波长Ai，i = 1，2，…，W，其中，i为各准单色光波的序号，W为定标时 单色仪所输出准单色光波的总数； (2) 打开多维信息一体化获取相机的探测器，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处 理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应的通道位置N 1; Step2:采集多维信息一体化获取相机各通道光谱分辨率定标用数据 (1) 根据多维信息一体化获取相机的工作波段选择激光器，所述激光器的光谱段在多 维信息一体化获取相机的工作光谱段范围内；所述激光器光源的中心波长记为h，j = l， 2，···，V，其中，V为定标用激光器光源的总数； (2) 将Step2(l)中所选定的各激光器的光源依次打开，打开多维信息一体化获取相机， 采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应 的通道位置Nj，以及谱线的峰值半高宽Δ λ」，其中，j = 1，2，…，V; Step3:采用插值法标定通道位置k处的中心波长和光谱分辨率Δ 采用插值方法对化，Μ进行插值，获取通道位置k处所对应的中心波长;采用插值方法 对％\进行插值，获取通道位置k处所对应的光谱分辨率Δ Ak。9. 根据权利要求8所述的光谱定标装置的光谱定标方法，其特征在于： 所述Step3具体为： (1) 分别采用多种插值方法获取通道位置％处的中心波长\ ； (2) 通过计算λ/相对于所述\的偏移量△，对比验证各插值方法所获取的\!^的精度； (3) 对比各插值方法对应的偏移量△，选用△最小的插值方法标定通道位置k处的中心 波长Xk以及光谱分辨率Δ Ak。10. 根据权利要求9所述的光谱定标装置的光谱定标方法，其特征在于:所述偏移量△ 按下述公式计算：
【文档编号】G01J3/28GK105865625SQ201610298933
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】刘尚阔, 赵建科, 薛勋, 周艳, 李晶, 王争锋
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所