一種便攜式光譜定標(biāo)裝置及其光譜定標(biāo)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種便攜式光譜定標(biāo)裝置及其光譜定標(biāo)方法。定標(biāo)裝置的激發(fā)光源模組包括光源、電池、振蕩電路和集光原件；照明面板為導(dǎo)光板和棱鏡板兩層結(jié)構(gòu)，上層為棱鏡板，下層為導(dǎo)光板，導(dǎo)光板包括入光口、導(dǎo)光條和勻光板，勻光板的底面由若干個(gè)四面體單體構(gòu)成，棱鏡板置于勻光板的上部；激發(fā)光源模組發(fā)出的激光通過光纖傳輸?shù)秸彰髅姘宓娜牍饪谶M(jìn)入導(dǎo)光條。照明面板采用兩層結(jié)構(gòu)，提供了具有一定均勻性的大面積且發(fā)散角控制的光源；導(dǎo)光板底部具有四面體微結(jié)構(gòu)，使定標(biāo)光源達(dá)到一定均勻程度，采用棱鏡板控制光發(fā)散角度，并能提高光能利用率。本發(fā)明提供的光譜定標(biāo)裝置，體積小，重量輕，便于野外成像光譜儀定標(biāo)使用。
【專利說明】一種便攜式光譜定標(biāo)裝置及其光譜定標(biāo)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光譜定標(biāo)裝置，特別涉及一種適用于外場(chǎng)的便攜式光譜定標(biāo)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，成像光譜儀在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、資源調(diào)查、生物醫(yī)療等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。但隨著光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，成像光譜儀的光譜分辨率可以做的很高，伴隨著成像光譜儀性能的提高，成像光譜儀的光譜定標(biāo)精度也要求越來越高，這要求成像光譜儀使用前進(jìn)行光譜定標(biāo)，以提高光譜數(shù)據(jù)的可靠性。目前實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)設(shè)備都是基于單色儀波長(zhǎng)掃描和光譜燈完成，基于單色儀定標(biāo)設(shè)備與定標(biāo)方法復(fù)雜，很難在野外、機(jī)載或星載使用，光譜燈很難提供均勻和大口徑系統(tǒng)地的照明。目前機(jī)載或星載成像光譜儀采用的光譜定標(biāo)設(shè)備都是基于濾光片或反射板的方法進(jìn)行光譜定標(biāo)。美國專利US006111640A公開了一種采用反射板 的定標(biāo)方法，利用反射板材料的吸收特征進(jìn)行光譜定標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種體積小，重量輕，便于野外攜帶，易于操作，可實(shí)現(xiàn)高精度光譜定標(biāo)的光譜定標(biāo)裝置及其光譜定標(biāo)方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是提供光譜定標(biāo)裝置，包括激發(fā)光源模組、光纖和照明面板；所述的激發(fā)光源模組包括光源、電池、振蕩電路和集光原件；所述的照明面板為導(dǎo)光板和棱鏡板兩層結(jié)構(gòu)，上層為棱鏡板，下層為導(dǎo)光板，導(dǎo)光板包括入光口、導(dǎo)光條和勻光板，勻光板的底面由若干個(gè)四面體單體構(gòu)成，棱鏡板置于勻光板的上部；激發(fā)光源模組發(fā)出的激光通過光纖傳輸?shù)秸彰髅姘宓娜牍饪谶M(jìn)入導(dǎo)光條。
[0005]本發(fā)明所述的光源為汞燈、汞氬燈或汞鎘燈中的一種；所述的四面體為正四面體；所述的集光原件為聚光鏡透鏡、背面光反射鏡中的一種，或它們的組合。
[0006]本發(fā)明技術(shù)方案還包括采用上述便攜式光譜定標(biāo)裝置的光譜定標(biāo)方法，包括如下步驟:
(1)將定標(biāo)裝置的照明面板的上層棱鏡板緊貼于成像光譜儀的前置物鏡的鏡頭前，使成像光譜儀狹縫方向平行于棱鏡板的槽形方向；
(2)打開光譜定標(biāo)裝置的光源前，采集#幅暗背景圖像，N^ 10，進(jìn)行平均處理，得到背
景噪聲；
(3)打開光譜定標(biāo)裝置的光源，成像光譜儀采集照明面板發(fā)出的光信號(hào)，得到激發(fā)光源的輻射譜線圖像；
(4)對(duì)得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，再進(jìn)行高斯擬合，得到成像光譜儀的譜線峰值位置及半峰值寬度；
(5)采用多項(xiàng)式擬合處理，得到成像光譜儀的譜面的波長(zhǎng)與像元對(duì)應(yīng)關(guān)系及半峰值寬度，用于光譜定標(biāo)。[0007]步驟(3)為通過#幅圖像平均降低隨機(jī)噪聲，#≥10，剩余噪聲通過對(duì)每個(gè)通道的譜線Savitzky-Golay法平滑濾波處理，并去除背景噪聲，得到保留光譜特征的降噪聲激發(fā)譜線圖像。
[0008]在定標(biāo)時(shí)，定標(biāo)裝置的照明面板的上層棱鏡板與成像光譜儀的前置物鏡的鏡頭間設(shè)置去雜光遮光裝置。
[0009]步驟(5)中采用η次多項(xiàng)式擬合，η為3。
[0010]本發(fā)明提供的光譜定標(biāo)裝置的工作原理是；根據(jù)成像光譜儀工作光譜范圍確定電路、集光元件等；電池提供電路的工作電壓，振蕩電路部分把低壓轉(zhuǎn)換成高頻高壓，使汞、氬等物質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)譜線。光纖用于把激光光源產(chǎn)生的光傳輸?shù)秸彰婷姘迳?，光纖數(shù)值孔徑及其口徑根據(jù)光耦合需要確定；照明面板用于把光進(jìn)行均勻處理，照明面板具有兩層結(jié)構(gòu)，一層為導(dǎo)光板，一層為棱鏡板，導(dǎo)光板對(duì)光進(jìn)行均勻散射處理，棱鏡板用于限制散射視場(chǎng)，在狹縫寬度對(duì)應(yīng)的方向上限制發(fā)散視場(chǎng)，使大部分能量集中于一定發(fā)散角內(nèi)，在狹縫長(zhǎng)度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導(dǎo)光板，其底部采用微型四面體結(jié)構(gòu)的排布，能夠使光均勻反射，導(dǎo)光板上層采用棱鏡板，通過棱鏡槽深、槽頂角來控制發(fā)散角度。
[0011]聚光鏡透鏡的材料根據(jù)光譜波段選擇，如在紫外-短波紅外波段可選擇石英玻璃；光源可采用汞燈(Hg)、汞氬燈(HgAr)、汞鎘燈(HgCd)等；背面光反射鏡的凹面鍍有寬波段高反射膜，振蕩電路產(chǎn)生高頻高壓的振蕩電路，頻率為Ik Hz以上，電壓為600V左右，電池可采用市面上常用的9V電池。
[0012]本發(fā)明提供的照明面板其上層為棱鏡板，下層為導(dǎo)光板，導(dǎo)光板的底面由四面體微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成；導(dǎo)光板對(duì)光進(jìn)行均勻散射處理，棱鏡板用于限制散射視場(chǎng)，在狹縫寬度對(duì)應(yīng)的方向上限制發(fā)散視場(chǎng)，使大部分能量集中于一定發(fā)散角內(nèi)，在狹縫長(zhǎng)度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導(dǎo)光板底部采用四面體結(jié)構(gòu)的排布，能夠使光均勻反射，導(dǎo)光板上層采用棱鏡板，通過棱鏡槽深、槽頂角來控制發(fā)散角度。
[0013]本發(fā)明提供的光譜定標(biāo)裝置，其定標(biāo)方法包括如下步驟:
1、把定標(biāo)裝置緊貼于成像光譜儀前置物鏡前，照明板與鏡頭間可采取遮光措施，防止雜光影響定標(biāo)精度；
2、在定標(biāo)光源打開前采集多幅暗背景圖像，用于后期本底去除；
3、采集激發(fā)光源輻射譜線圖像，可通過多幅圖像平均，降低隨機(jī)噪聲，剩余噪聲通過平滑濾波處理，降低噪聲對(duì)定標(biāo)精度的影響；
4、數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行高斯擬合，確定譜線峰值位置及其半峰值寬度；
5、通過多項(xiàng)式擬合，確定整個(gè)譜面的波長(zhǎng)與像元對(duì)應(yīng)關(guān)系及其半峰值寬度，進(jìn)而確定光譜彎曲等指標(biāo)。
[0014]本發(fā)明提供的光譜定標(biāo)裝置的工作原理是；根據(jù)成像光譜儀工作光譜范圍確定電路、集光元件等；電池提供電路的工作電壓，振蕩電路部分把低壓轉(zhuǎn)換成高頻高壓，使汞、氬等物質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)譜線。光纖用于把激光光源產(chǎn)生的光傳輸?shù)秸彰婷姘迳希饫w數(shù)值孔徑及其口徑根據(jù)光耦合需要確定；照明面板用于把光進(jìn)行均勻處理，照明面板具有兩層結(jié)構(gòu)，一層為導(dǎo)光板，一層為棱鏡板，導(dǎo)光板對(duì)光進(jìn)行均勻散射處理，棱鏡板用于限制散射視場(chǎng)，在狹縫寬度對(duì)應(yīng)的方向上限制發(fā)散視場(chǎng)，使大部分能量集中于一定發(fā)散角內(nèi)，在狹縫長(zhǎng)度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導(dǎo)光板，其底部采用微型四面體結(jié)構(gòu)的排布，能夠使光均勻反射，導(dǎo)光板上層采用棱鏡板，通過棱鏡槽深、槽頂角來控制發(fā)散角度。
[0015]聚光鏡透鏡的材料根據(jù)光譜波段選擇，如在紫外-短波紅外波段可選擇石英玻璃；光源可采用汞燈(Hg)、汞氬燈(HgAr)、汞鎘燈(HgCd)等；背面光反射鏡的凹面鍍有寬波段高反射膜，振蕩電路產(chǎn)生高頻高壓的振蕩電路，頻率為Ik Hz以上，電壓為600V左右，電池可采用市面上常用的9V電池。
[0016]本發(fā)明提供的照明面板其上層為棱鏡板，下層為導(dǎo)光板，導(dǎo)光板的底面由四面體微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成；導(dǎo)光板對(duì)光進(jìn)行均勻散射處理，棱鏡板用于限制散射視場(chǎng)，在狹縫寬度對(duì)應(yīng)的方向上限制發(fā)散視場(chǎng)，使大部分能量集中于一定發(fā)散角內(nèi)，在狹縫長(zhǎng)度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導(dǎo)光板底部采用四面體結(jié)構(gòu)的排布，能夠使光均勻反射，導(dǎo)光板上層采用棱鏡板，通過棱鏡槽深、槽頂角來控制發(fā)散角度。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得的有益效果是:
1、發(fā)明的光譜定標(biāo)裝置，體積小，重量輕，便于野外成像光譜儀定標(biāo)使用，采用電池供電的激發(fā)光源作為定標(biāo)源，光源具有若干條線狀譜線，利用光纖導(dǎo)光消除采用反射鏡或透鏡等進(jìn)行光傳輸?shù)牟焕蛩?，利用照明面板進(jìn)行光均勻處理，滿足光譜定標(biāo)口徑、視場(chǎng)要求。
[0018]2、照明面板采用兩層設(shè)計(jì)，降低光能損耗，提供一定均勻性的大面積且發(fā)散角控制的光源，導(dǎo)光板底部具有四面體微結(jié)構(gòu)，使定標(biāo)光源達(dá)到一定均勻程度，采用棱鏡板控制光發(fā)散角度，并能提高光能利用率。
[0019]3、利用發(fā)明提供的光譜定標(biāo)裝置進(jìn)行非掃描成像，不需要任何運(yùn)動(dòng)部件，能夠完成整個(gè)焦面光譜定標(biāo)；數(shù)據(jù)預(yù)處理采用Savitzky-Golay濾波器去除噪聲的影響同時(shí)能夠保留譜線分布特性，運(yùn)用高斯擬合迭代算法尋找各譜線對(duì)應(yīng)的峰值像元位置，運(yùn)用多項(xiàng)式擬合焦面光譜方向上波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的像元位置，并計(jì)算成像光譜儀整個(gè)焦面對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)及光譜分辨率，定量分析光譜彎曲等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜定標(biāo)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，101為均勻照明面板，102為光纖，103為激發(fā)光源模組；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜定標(biāo)裝置中的照明板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1011A為入光口、1011B為導(dǎo)光條、1011C為勻光板、1012為棱鏡板；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜定標(biāo)裝置中均光板采用的四面體微結(jié)構(gòu)底面的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為四面體微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜定標(biāo)裝置中的照明板采用的棱鏡板的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為光譜定標(biāo)裝置中采用的光源模組；圖中，103A為聚光鏡透鏡，103B為發(fā)光體，103C為背面光反射鏡，103D產(chǎn)生高頻高壓的振蕩電路，103E為電池；
圖7為本發(fā)明提供的光譜定標(biāo)方法的流程圖；
圖8為CXD成像光譜儀通獲取的HgCd光源的二維譜線圖；
圖9為譜線對(duì)應(yīng)的探測(cè)器響應(yīng)值及其高斯擬合曲線。【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。
[0022]實(shí)施例1
參見附圖1，為本發(fā)明提出的光譜定標(biāo)裝置，主要是三部分組成，101為均勻照明面板，102為光纖，103為激發(fā)光源模組。
[0023]照明面板的結(jié)構(gòu)如圖2所不，下層為導(dǎo)光板，導(dǎo)光板由入光口 1011A、導(dǎo)光條1011B、勻光板1011C組成。1011C底面為四面體微結(jié)構(gòu)，棱鏡板1012放置于勻光板1011C上部。進(jìn)光口 1011A，把光纖傳輸?shù)墓鈱?dǎo)入到導(dǎo)光條1011B ;導(dǎo)光條1011B用于把從1011A進(jìn)入的光反射到勻光板1011C，為提高光的利用率，導(dǎo)光條側(cè)面做成一定傾角，并且鍍寬波段高反射膜；勻光板1011C用把1011B發(fā)射的光進(jìn)行均勻化處理，為提高勻光效果和控制勻光角度，勻光板底面采用微結(jié)構(gòu)形式。四面體微結(jié)構(gòu)單元依次緊密、整齊排列呈矩陣，分布在勻光板的底部。
[0024]參見附圖3和4，它們分別為本實(shí)施例提供的均光板采用的四面體微結(jié)構(gòu)底面的結(jié)構(gòu)示意圖及四面體微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；每個(gè)微結(jié)構(gòu)形式如圖4，Hl為頂角深度，L為等邊三角邊長(zhǎng)，經(jīng)過優(yōu)化，四面體選擇用正四面體，Z選取為IOOMmjl為81.6Mm。
[0025]圖5為棱鏡板1012,放置于勻光板1011C上部,用于在一維方向限制光散射角度，當(dāng)設(shè)置α為鈍角時(shí)比銳角更有較高的控制能力，一般在棱鏡材η=1.5時(shí)，鈍角設(shè)置為120度左右，發(fā)散角度β可控制在70度左右，根據(jù)全反射原理，部分不滿足條件的光線會(huì)反射回勻光板，經(jīng)勻光反射后棱鏡高度慫對(duì)光均勻性有一定影響，一般設(shè)置為50um，D為棱鏡高度和基底的厚度總和，其值可根據(jù)具體工藝確定。
[0026]導(dǎo)光板對(duì)光進(jìn)行均勻散射處理，棱鏡板用于限制散射視場(chǎng)，在狹縫寬度對(duì)應(yīng)的方向上限制發(fā)散視場(chǎng)，使大部分能量集中于〈100°的發(fā)散角度以內(nèi)，在狹縫長(zhǎng)度方向具有接近朗伯特性的散射光，為此導(dǎo)光板底部采用微型四面體結(jié)構(gòu)的排布，頂角深度50?100 μ m,邊長(zhǎng)為50?150 μ m,導(dǎo)光板上層采用棱鏡板,通過棱鏡槽深30?60 μ m、槽頂角100° ?130°。
[0027]圖6提供了光源模組的構(gòu)成，聚光鏡透鏡103A材料根據(jù)光譜波段選擇，如在紫外-短波紅外波段可選擇石英玻璃；光源采用原子激發(fā)光源，發(fā)光體103B可采用汞燈(Hg)、汞氬燈(HgAr)、汞鎘燈(HgCd)等，在200?IOOOnm內(nèi)具有多條特征譜線，激發(fā)光源由電池提供電路的工作電壓，其電路部分把低壓轉(zhuǎn)換成高頻高壓，使汞、氬等物質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)譜線。采用光纖用于把激光光源產(chǎn)生的光傳輸?shù)秸彰婷姘迳?，光纖數(shù)值孔在0.18?0.5范圍；背面光反射鏡103C凹面鍍有寬波段高反射膜，電路103D采用振蕩電路產(chǎn)生高頻高壓，頻率為Ik Hz以上，電壓為600V左右，電池103E可采用市面上常用的9V電池。
[0028]當(dāng)輸入HgCd譜線燈作為本定標(biāo)裝置的光源，對(duì)?Inm分辨率的CXD成像光譜儀定標(biāo)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明提供的光譜定標(biāo)裝置，提出了相應(yīng)的定標(biāo)方法。參見附圖7，給出了利用本實(shí)施例提供的裝置進(jìn)行光譜定標(biāo)的方法的流程圖。定標(biāo)前把光譜定標(biāo)裝置直接緊貼于成像光譜儀前，并做適當(dāng)擋光措施，防止環(huán)境光進(jìn)入成像光譜儀影響定標(biāo)結(jié)果，光譜定標(biāo)的流程為:
1、步驟201為背景采集，定標(biāo)光源關(guān)閉時(shí)采集圖像背景，用于后期圖像本底扣除；
2、步驟202為光譜數(shù)據(jù)采集，定標(biāo)光源打開，采集激發(fā)光譜線，在成像光譜儀焦平面上獲得平行于狹縫的多條譜線；
3、步驟203為平滑去噪處理，由于受噪聲、非均勻響應(yīng)等影響，原始數(shù)據(jù)在定標(biāo)處理前需要進(jìn)行本底扣除和平滑去噪處理，平滑去噪處理采用Savitzky-Golay濾波法，此濾波器是基于多項(xiàng)式，通過移動(dòng)窗口利用最小二乘法進(jìn)行最佳擬合的方法，能夠保留譜線相對(duì)極大值、極小值和寬度等分布特性。通過構(gòu)造一個(gè)η階多項(xiàng)式來擬合探測(cè)器平面上光譜維上的一行數(shù)據(jù)yi，i的取值為2m+1個(gè)連續(xù)的整數(shù)，i=_m,…，O,…m,且m≥(n_l)/2,則得到式
(I)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式光譜定標(biāo)裝置，其特征在于:它包括激發(fā)光源模組、光纖和照明面板；所述的激發(fā)光源模組包括光源、電池、振蕩電路和集光原件；所述的照明面板為導(dǎo)光板和棱鏡板兩層結(jié)構(gòu)，上層為棱鏡板，下層為導(dǎo)光板，導(dǎo)光板包括入光口、導(dǎo)光條和勻光板，勻光板的底面由若干個(gè)四面體單體構(gòu)成，棱鏡板置于勻光板的上部；激發(fā)光源模組發(fā)出的激光通過光纖傳輸?shù)秸彰髅姘宓娜牍饪谶M(jìn)入導(dǎo)光條。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式光譜定標(biāo)裝置，其特征在于:所述的光源為汞燈、汞氬燈或汞鎘燈中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式光譜定標(biāo)裝置，其特征在于:所述的四面體為正四面體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式光譜定標(biāo)裝置，其特征在于:所述的集光原件為聚光鏡透鏡、背面光反射鏡中的一種，或它們的組合。
5.一種如權(quán)利要求1所述的便攜式光譜定標(biāo)裝置的光譜定標(biāo)方法，其特征在于包括如下步驟: (1)將定標(biāo)裝置的照明面板的上層棱鏡板緊貼于成像光譜儀的前置物鏡的鏡頭前，使成像光譜儀狹縫方向平行于棱鏡板的槽形方向； (2)打開光譜定標(biāo)裝置的光源前，采集#幅暗背景圖像，N^ 10，進(jìn)行平均處理，得到背景噪聲； (3)打開光譜定標(biāo)裝置的光源，成像光譜儀采集照明面板發(fā)出的光信號(hào)，得到激發(fā)光源的輻射譜線圖像； (4)對(duì)得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，再進(jìn)行高斯擬合，得到成像光譜儀的譜線峰值位置及半峰值寬度； (5)采用多項(xiàng)式擬合處理，得到成像光譜儀的譜面的波長(zhǎng)與像元對(duì)應(yīng)關(guān)系及半峰值寬度，用于光譜定標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種便攜式光譜定標(biāo)裝置的光譜定標(biāo)方法，其特征在于:步驟(3)為通過#幅圖像平均降低隨機(jī)噪聲，# ^ 10，剩余噪聲通過對(duì)每個(gè)通道的譜線Savitzky-Golay法平滑濾波處理，并去除背景噪聲，得到保留光譜特征的降噪聲激發(fā)譜線圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種便攜式光譜定標(biāo)裝置的光譜定標(biāo)方法，其特征在于:定標(biāo)裝置的照明面板的上層棱鏡板與成像光譜儀的前置物鏡的鏡頭間設(shè)置去雜光遮光裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種便攜式光譜定標(biāo)裝置的光譜定標(biāo)方法，其特征在于:步驟(5)采用η次多項(xiàng)式擬合，η為3。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK103983356SQ201410237318
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】周建康, 陳新華, 陳宇恒, 季軼群, 沈?yàn)槊? 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)