一种太阳反射全波段高光谱成像探测系统

1.本发明涉及高光谱成像技术领域，特别涉及到一种太阳反射全波段范围内，大幅改善探测范围、探测灵敏度和精度的高效高光谱分辨率成像探测系统和体制。


背景技术：

2.0.4μm～2.5μm的太阳反射全波段几乎涵盖了反映目标反射特性的所有波长，在生态环境监测，国土资源和地质矿产调查，以及灾害监测、农、林、牧业精细作业，城市规划等方面都具有重要作用。高光谱成像技术是80年代发展起来的遥感技术，与传统的光谱仪不同的是，高光谱成像技术是集成像与光谱于一体(图谱合一)，以纳米级高光谱分辨率，在获取目标二维空间图像信息的同时，同步获取目标的连续精细光谱信息，使空间遥感的探测能力大为提高。传统体制的太阳反射全波段把探测波段分成了0.4μm～1.0μm的可见近红和1.0μm～2.5μm的短波红外两个部分，利用两个光谱仪将0.4μm～1.0μm的可见近红波段聚焦在ccd或cmos探测器上进行成像，将1.0μm～2.5μm的短波红外波段聚焦在hgcdte探测器上进行成像。由于干涉或棱镜分光的非线性，在较宽的波段范围内光谱维单个像元上的光谱宽度差异可以达到几倍以上，导致系统动态范围大幅弱化，小信号探测能力严重受限。光栅分光的线性特性可以有效改善上述不足，但由于光栅产生色散的基本原理决定了光栅分光方式会产生不同级次衍射光束重叠问题。由光栅方程
3.dsinθ＝kλ
4.光栅常数d及衍射角θ确定的前提下波长为λ的k级光与波长λ/2的2k级光在空间位置上会因重叠而难以区分，造成光谱混叠。传统的太阳反射全波段高光谱成像仪在60
°
太阳高度角，50％反照率下实测，其可见近红外光谱仪中0.8μm～1.0μm的一级光谱处0.4μm～0.5μm的二级光谱混叠影响明显，出现光谱(伪)特征，超出了正常值的15％，如图1所示，而在短波光谱仪中2.0μm～2.5μm的一级光谱处也存在明显的1.0μm～1.25μm二级光谱混叠影响，出现光谱(伪)特征，超出了正常值的近50％，如图2所示。基于光栅色散分光的成像光谱系统，传统体制普遍存在二级光谱混叠的问题，幅值远超1％辐射测量精度的要求。目前广泛应用的滤除非被测级次光谱方式是在探测器前面设置定位式滤光片，滤光片的额外增加会影响整体透过率，其安装定位跟谱线的不匹配会造成过渡带像元响应特性严重的不一致。
5.此外，传统的太阳反射全波段高光谱成像仪通过光栅分光后直接将0.4μm～1.0μm的可见近红波段聚焦在ccd或cmos探测器上进行成像时，为了兼顾和尽可能提升宽波段两端的量子效率，探测器在550nm左右量子转化效率会接近90％，但随着波段拓宽两端光电转换的量子效率依然难以保证，呈现中间高两端低的现象，尤其在0.8μm～1.0μm范围的近红外波段，量子效率降低到了40％到3％，如图3所示。波段范围两端接收到的目标能量会明显低于中间波段，造成波段两端探测信噪比过低，而在0.5μm～0.65μm范围内则会容易产生光谱通道信号过饱和问题，如图4所示。在传统的体制下，为改善探测器光谱响应两端低的现象，需要对探测器衬底进行减薄设计，但在响应改善的同时，会引入严重的etalon效应，如
图5所示。etalon效应会严重降低系统的辐射(a)和光谱(b)响应精度，随着光谱分辨率的进一步提升，etalon效应带来的问题将会更加凸显出来，严重影响系统的辐射、光谱定量化水平。现有技术中，通常采用后期校正方法来处理etalon效应产生的干涉纹波，但由于实际工程应用中，存在工艺误差、波长漂移等问题，校正方法难以完全消除etalon效应。综上所述，传统的太阳反射全波段高光谱成像仪在体制机制上难以兼顾全波段范围的高响应和大动态范围，严重影响高光谱分辨率下的定量化精度。


技术实现要素：

6.本发明改变了传统太阳反射全波段高光谱探测系统长久以来采用的两波段方法，提出了一种扩大探测范围、提升信噪比和探测精度的太阳反射全波段高光谱成像探测新体制，采用三波段光谱仪法，解决了传统太阳反射全波段高光谱探测系统存在的光谱混叠和光电效率中间高两端低的问题，从而使高光谱探测系统的光学效率和探测器效率最优化，从根源上消除了etalon效应的存在，使得太阳反射全波段范围内的高效高光谱分辨率高精度探测成为可能。
7.为此，本发明采用以下技术方案：
8.一种太阳反射全波段高光谱成像探测系统，如图6、图7所示，包括望远镜集光系统1、视场分离组件2、光谱仪组件3和探测器组件4，所述视场分离组件2包括一体化三分视场分离器2-1、第一视场组件2-2、第二视场组件2-3和第三视场组件2-4，所述光谱仪组件3包括第一光谱仪3-1、第二光谱仪3-2和第三光谱仪3-3；所述探测器组件4包括cmos探测器4-1、ingaas探测器4-2和hgcdte探测器4-3；
9.来自目标的光线经望远镜集光系统1集光后，经过一体化三分视场分离器2-1，形成三路光线，一路光线经第一视场组件2-2形成波段范围为λ1～λ2的第一波段光，一路光线经第二视场组件2-3形成波段范围为λ3～λ4的第二波段光，一路光线经第三视场组件2-4形成波段范围为λ5～λ6的第三波段光；所述第一波段光经第一光谱仪3-1分光后聚焦成像在cmos探测器4-1上，所述第二波段光经第二光谱仪3-2分光后聚焦成像在ingaas探测器4-2上，所述第三波段光经第三光谱仪3-3分光后聚焦成像在hgcdte探测器4-3上，其中λ1＜λ3≤λ2＜λ5≤λ4＜λ6，且每个波段范围内最小波长不低于最大波长的一半，即λ2＜2λ1，λ4＜2λ3，λ6＜2λ5；所述第二波段光的搭接波长位于cmos探测器4-1的高量子效率区，所述第三波段光的搭接波长位于ingaas探测器4-2的高量子效率区，实现第一波段光至第三波段光范围内λ1～λ6连续高量子效率探测。
10.其中，所述一体化三分视场分离器2-1包括一个类梯形状的主棱镜2-1-1以及位于主棱镜2-1-1两侧的第一反射镜2-1-2和第二反射镜2-1-3，所述主棱镜中心设有光通路2-1-4，所述目标的光线经望远镜集光系统1集光后，经主棱镜2-1-1光通路2-1-4形成一路光线，经第一反射镜2-1-2反射形成一路光线，经第二反射镜2-1-3反射形成一路光线。
11.其中，所述第一视场组件2-2包括镀有波长为λ1的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-2-1、带楔型角的长狭缝靶标2-2-2和镀有波长为λ2的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-2-3；所述经主棱镜2-1-1光通路2-1-4形成的光线，依次通过镀有波长为λ1的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-2-1、带楔型角的长狭缝靶标2-2-2和镀有波长为λ2的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-2-3，得到波段范围为λ1～λ2的第一波段光。
12.其中，所述第二视场组件2-3包括镀有波长为λ3的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-3-1、带楔型角的长狭缝靶标2-3-2和镀有波长为λ4的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-3-3；所述经第一反射镜2-1-2反射形成的光线，依次通过镀有波长为λ3的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-3-1、带楔型角的长狭缝靶标2-3-2和镀有波长为λ4的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-3-3，得到波段范围为λ3～λ4的第二波段光。
13.其中，所述第三视场组件2-4包括镀有波长为λ5的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-4-1、带楔型角的长狭缝靶标2-4-2和镀有波长为λ6的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-4-3；所述经第二反射镜反射形成的光线，依次通过镀有波长为λ5的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-4-1、带楔型角的长狭缝靶标2-4-2和镀有波长为λ6的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-4-3，得到波段范围为λ5～λ6的第三波段光。
14.其中，所述第一光谱仪3-1、第二光谱仪3-2和第三光谱仪3-3均为光栅型光谱仪，所述光栅型光谱仪结构包括第一凹球面反射镜、凸面衍射光栅、第二凹球面反射镜和平面转折镜；所述第一波段光经过第一光谱仪3-1的第一凹球面反射镜3-1-1反射至凸面衍射光栅3-1-2，经凸面衍射光栅3-1-2精细分光后至第二凹球面反射镜3-1-3，再反射至平面转折镜3-1-4，经平面转折镜3-1-4反射后聚焦成像在cmos探测器4-1上；所述第二波段光经过第二光谱仪3-2的第一凹球面反射镜3-2-1反射至凸面衍射光栅3-2-2，经凸面衍射光栅3-2-2精细分光后至第二凹球面反射镜3-2-3，再反射至平面转折镜3-2-4，经平面转折镜3-2-4反射后聚焦成像在ingaas探测器4-2上；所述第三波段光经过第三光谱仪3-3的第一凹球面反射镜3-3-1反射至凸面衍射光栅3-3-2，经凸面衍射光栅3-3-2精细分光后至第二凹球面反射镜3-3-3，再反射至平面转折镜3-3-4，经平面转折镜3-3-4反射后聚焦成像在hgcdte探测器4-3上；
15.其中，所述第一光谱仪3-1、第二光谱仪3-2和第三光谱仪3-3的凸面衍射光栅3-1-2、3-2-2、3-3-2均采用正一级衍射效率进行精细分光。
16.其中，所述cmos探测器4-1的窗口上镀有波长为λ2的后截止膜，所述ingaas探测器4-2的窗口上镀有波长为λ3前截止膜；所述第hgcdte探测器4-3的窗口上镀有波长为λ5前截止膜。
17.本发明采用以上技术方案，具有如下优势：
18.1)本体制三波段光谱仪及其优化布局，有效消除了二级光谱，各波段的搭接波长位置实现了太阳辐射能量和探测器量子效率强弱相互兼顾的优化匹配，一方面避免了太阳波段高能区因探测器高量子效率带来的强信号过饱和问题，同时提升了太阳波段两端低能区的信号强度，使得系统光学通量在太阳反射全波段范围内均匀化，使探测器在整个太阳反射全波段范围内均能获得较高的量子效率，保证了系统的探测效率最优化。
19.2)本体制由于在太阳反射全波段范围内光学效率已达到最优化，可不必使用衬底改型处理增强量子效率探测器的使用，从而从根本上消除了高光谱成像仪etalon效应纹波的存在，在光学系统上实现太阳反射全波段范围内的高效高光谱分辨率高精度探测。
20.3)本体制采用凸面光栅正一级衍射效率进行分光，在实现光谱仪器轻小型化的同时，避免了经光栅分光后产生的其它无效级次能量(杂光)再次经光栅分光，然后混入有效级次，这大幅提升了目标光谱探测的纯度；
21.4)本体制一体化视场分离器将成像光路分为三个波段进行输入和输出，并在各个
视场组件中设置镀有前截止滤光膜和后截止滤光膜的狭缝防尘保护片，在保护狭缝靶标部件不受灰尘污染的同时，与探测上设置的截止滤光膜相互配合，可以消除无效波段的光谱混叠，保证了各个通道光谱纯度，提升了光谱通道信噪比，使探测系统的光学效率达到最优化；
22.5)按照本发明所述的方法研制的太阳反射全波段范围内的高效高光谱分辨率高精度探测体制，在保证探测性能最优化的前提下，大幅减弱了组部件的研制复杂度和难度。
附图说明
23.图1为现有技术中可见近红外光谱仪中0.8μm～1.0μm的一级光谱处存在0.4μm～0.5μm的二级光谱混叠影响的光谱曲线示意图。
24.图2为现有技术中短波光谱仪中与2.0μm～2.5μm的一级光谱处也存在1.0μm～1.25μm的二级光谱混叠影响的光谱曲线示意图。
25.图3现有技术中ccd探测器量子转化效率随波长变化示意图。
26.图4为现有技术中0.4μm～2.5μm波段范围内两波段光光探测性能示意图。
27.图5为现有技术中采用两端衬底改型探测器增强量子效率引入的etalon效应对响应曲线的影响，其中图(a)为对辐射响应曲线的影响；图(b)为对光谱响应曲线的影响。
28.图6为本发明太阳反射全波段高光谱成像探测系统的结构示意图。
29.图7为本发明太阳反射全波段高光谱成像探测系统的视场分离组件结构示意图。
30.图8为具体实施例中光谱仪选用负一级次作为光栅有效衍射级次受其他级次衍射杂散光影响的光路示意图，其中：图(a)为光谱仪选用负一级次光栅衍射光线示意图；图(b)为光谱仪选用负一级次光栅衍射时受其它级次光杂散影响情况。
31.图9为具体实施例中光谱仪选用负一级次作为光栅有效衍射级次时，各级光栅衍射效率能量占比曲线示意图；其中：图(a)为负一级、负二级、负三级、零级的光栅衍射效率能量占比曲线；图(b)为负四级、正一级、正二级、正三级、正四级的光栅衍射效率能量占比曲线。
32.图10为具体实施例中光谱仪选用正一级次作为光栅有效衍射级次受其他级次衍射杂散光影响的光路示意图，其中：图(a)为光谱仪选用正一级次光栅衍射光线示意图；图(b)为光谱仪选用正一级次光栅衍射时受其它级次光杂散影响情况。
33.图11为具体实施例中光谱仪选用正一级次作为光栅有效衍射级次时，各级光栅衍射效率能量占比曲线示意图；其中：图(a)为正一级、正二级、正三级、零级的光栅衍射效率能量占比曲线；图(b)为正四级、负一级、负二级、负三级、负四级的光栅衍射效率能量占比曲线。
34.图12为具体实施例中本发明探测系统与传统两波段光谱仪探测系统在第一波段光范围内(0.4μm～0.76μm)探测性能比较示意图。
35.图13为具体实施例中本发明探测系统与传统两波段光谱仪探测系统在第二波段光范围内(0.74μm～1.434μm)探测性能比较示意图。
36.图14为具体实施例中本发明探测系统与传统两波段光谱仪探测系统在第三波段光范围内(1.416μm～2.5μm)探测性能比较示意图。
37.图15为具体实施例中本发明探测系统与传统两波段光谱仪探测系统在太阳反射
全波段范围内(0.4μm～2.5μm)探测性能比较示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，对本发明的一种具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其它方式来实施，因此，本发明不受以下公开的具体实施例的限制。
39.根据本发明所述的太阳反射全波段范围高效高光谱分辨率探测系统，设计了一套可见-近红外
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短波(0.4μm-2.5μm)高光谱分辨率探测系统，如图6、7所示，包括望远镜集光系统1、视场分离组件2、光谱仪组件3和探测器组件4，所述视场分离组件2包括一体化三分视场分离器2-1、第一视场组件2-2、第二视场组件2-3和第三视场组件2-4，所述光谱仪组件3包括第一光谱仪3-1、第二光谱仪3-2和第三光谱仪3-3；所述探测器组件4包括cmos探测器4-1、ingaas探测器4-2和hgcdte探测器4-3；
40.其中，所述一体化三分视场分离器2-1包括一个类梯形状的主棱镜2-1-1以及位于主棱镜2-1-1两侧的第一反射镜2-1-2和第二反射镜2-1-3，所述主棱镜中心设有光通路2-1-4；
41.其中，所述第一视场组件2-2包括镀有波长为0.4μm的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-2-1、带楔型角的长狭缝靶标2-2-2和镀有波长为0.76μm的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-2-3；
42.其中，所述第二视场组件2-3包括镀有波长为0.74μm的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-3-1、带楔型角的长狭缝靶标2-3-2和镀有波长为1.434μm的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-3-3；
43.其中，所述第三视场组件2-4包括镀有波长为1.416μm的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-4-1、带楔型角的长狭缝靶标2-4-2和镀有波长为2.5μm的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-4-3；
44.来自目标的光线经望远镜集光系统1集光后，经一体化三分视场分离器2-1的主棱镜2-1-1光通路2-1-4形成一路光线，经第一反射镜2-1-2反射形成一路光线，经第二反射镜2-1-3反射形成一路光线；所述经主棱镜2-1-1光通路2-1-4形成的光线，依次通过镀有波长为0.4μm的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-2-1、带楔型角的长狭缝靶标2-2-2和镀有波长为0.76μm的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-2-3，得到波段范围为0.4μm～0.76μm的第一波段光；所述经第一反射镜2-1-2反射形成的光线，依次通过镀有波长为0.74μm的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-3-1、带楔型角的长狭缝靶标2-3-2和镀有波长为1.434μm的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-3-3，得到波段范围为0.74μm～1.434μm的第二波段光；所述经第二反射镜2-1-3反射形成的光线，依次通过镀有波长为1.416μm的前截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-4-1、带楔型角的长狭缝靶标2-4-2和镀有波长为2.5μm的后截止滤光膜的狭缝防尘保护片2-4-3，得到波段范围为1.416μm～2.5μm的第三波段光。
45.其中，所述第一光谱仪3-1、第二光谱仪3-2和第三光谱仪3-3均为光栅型光谱仪，所述光栅型光谱仪结构包括第一凹球面反射镜、凸面衍射光栅、第二凹球面反射镜和平面转折镜；所述第一波段光经过第一光谱仪3-1的第一凹球面反射镜3-1-1反射至凸面衍射光
栅3-1-2，经凸面衍射光栅3-1-2精细分光后至第二凹球面反射镜3-1-3，再反射至平面转折镜3-1-4，经平面转折镜3-1-4反射后聚焦成像在cmos探测器4-1上；所述第二波段光经过第二光谱仪3-2的第一凹球面反射镜3-2-1反射至凸面衍射光栅3-2-2，经凸面衍射光栅3-2-2精细分光后至第二凹球面反射镜3-2-3，再反射至平面转折镜3-2-4，经平面转折镜3-2-4反射后聚焦成像在ingaas探测器4-2上；所述第三波段光经过第三光谱仪3-3的第一凹球面反射镜3-3-1反射至凸面衍射光栅3-3-2，经凸面衍射光栅3-3-2精细分光后至第二凹球面反射镜3-3-3，再反射至平面转折镜3-3-4，经平面转折镜3-3-4反射后聚焦成像在hgcdte探测器4-3上；
46.其中，所述第一光谱仪3-1、第二光谱仪3-2和第三光谱仪3-3的凸面衍射光栅3-1-2、3-2-2、3-3-2均采用正一级衍射效率进行精细分光。以第一光谱仪3-1为例说明，第一波段光经过第一光谱仪3-1的第一凹球面反射镜3-1-1反射至凸面衍射光栅3-1-2，经凸面衍射光栅3-1-2精细分光后至第二凹球面反射镜3-1-3，再反射至平面转折镜3-1-4，经平面转折镜3-1-4反射后聚焦成像在cmos探测器4-1上。如果采用负一级作为衍射效率有效级次时，如图8、图9所示，在太阳反射全波段范围内，正一级级次的衍射光能量占比大，且衍射光会再次经过光栅衍射形成影响系统性能的杂散光。而采用正一级作为衍射效率有效级次时，如图10、图11所示，其他级次不再经过光栅，所以不会形成影响光谱仪系统的杂散光。因此本发明采用采用凸面光栅正一级衍射效率进行分光，在保证光谱仪体积最小的同时，避免了能量占比相对比较大的负级次光路二级衍射杂散光的影响，保证了不同波段的入射光都能获得一个最优的光栅衍射效率，缩窄了光谱探测范围，可保证系统的高光谱分辨率探测。
47.其中，所述第二波段光的搭接波长位于cmos探测器4-1的高量子效率区，所述第三波段光的搭接波长位于ingaas探测器4-2的高量子效率区，实现第一波段光至第三波段光范围内λ1～λ6连续高量子效率探测，如图4所示，传统的太阳反射全波段红外高光谱成像系统两波段划分法(0.4μm～1.0μm)(1.0μm～2.5μm)存在太阳高能区(0.50μm～0.65μm)范围内容易产生光谱通道信号过饱和问题，以及波段范围两端太阳低能区(0.40μm～0.50μm)、(0.75μm～1.0μm)接收到的目标能量会大幅度低于中间波段，造成波段两端探测信噪比过低，会使系统光学通量不均衡，导致探测效率低下问题。与传统的两波段划分法相比，本发明采用三波段光谱仪法，如图12、13、14、15所示，形成第一波段光(0.4μm～0.76μm)、第二波段光(0.74μm～1.434μm)和第三波段光(1.416μm～2.5μm)，能够有效减弱太阳高能区(0.50μm～0.65μm)范围内光通量，同时提高太阳低能区(0.40μm～0.50μm)、(0.75μm～2.5μm)范围内的光通量，避免了太阳波段高能区因探测器高量子效率带来的强信号过饱和问题，同时提升了太阳波段两端低能区的信号强度，使得系统光学通量在太阳反射全波段范围内均匀化，使探测器在整个太阳反射全波段范围内均能获得较高的量子效率，保证了系统的探测效率最优化。
48.其中，所述cmos探测器4-1的窗口上镀有波长为0.76μm的后截止膜，所述ingaas探测器4-2的窗口上镀有波长为0.74μm前截止膜；所述第hgcdte探测器4-3的窗口上镀有波长为1.416μm前截止膜。
49.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。