[发明专利]全光模数转换的光纤光谱成像方法

说明书

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CCD(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。ω_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。