[发明专利]短波红外昼夜远距离多光谱成像仪及成像方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种多光谱成像仪，具体涉及一种主动式短波红外昼夜远距离多光谱成像仪及成像方法。

背景技术：

短波红外成像仪的工作波段一般在0.9μm~2.5μm，其成像原理与人眼可见光成像相同，都是捕捉目标反射光，因此其成像效果接近目视成像，易于实时监控时的目标辨认。许多地物在短波红外波段有着丰富的光谱特性，所以在该谱段进行多光谱成像，可以有效实现目标识别。

短波红外较可见光波长长，受大气、气溶胶以及微小颗粒的影响相对较小，因此大气透过率较高，观测距离远，并具备一定穿透烟雾的能力。

捕捉目标反射光信号的成像系统白天成像的光源是太阳光，夜间成像依赖夜空辉光以及仪器自身照明。短波红外波段的夜空辉光能量显著高于其他波段，适于夜视。与之匹配的一般照明灯比如红外探照灯、LED等，适合近距离观测，而要发挥短波红外远距离探测的特性，延长夜间观测距离，就需要选择能量大、汇聚性好激光进行照明。且短波红外激光不能为人眼所见，使得仪器有很强的隐蔽性。

现有的短波红外多光谱相机或成像光谱仪等光谱探测设备，都只能利用太阳光实现白天观测，不能用于需要昼夜监控的场合。而目前利用短波红外激光器照明成像的仪器，虽然可以实现简单的夜间成像功能，但普通激光器为单色光照明，探测器响应波段内其他波长的信号只能依赖夜空辉光获得，非常微弱。所以仪器捕捉的是某一特定波长的地物反射信号，信息不丰富，遇到恰好在这一波长反照率低的目标便难以观测。同时，这类仪器不带有分光设备，无法实现多光谱成像，进行有效的目标识别。

发明内容：

本发明提出了一种可以昼夜工作的短波红外远距离多光谱成像仪器。

如附图1所示，系统包括短波红外镜头、滤光片轮、探测器组件、探测器驱动与信息获取电路、滤光片轮驱动电机、主控系统、大功率可调谐激光器、图像存储器、通信接口以及远程计算机。

本仪器的分光元件所述的滤光片轮置于短波红外镜头与探测器组件之间，通过旋转实现不同谱段间的切换，轮上携带4-8个带通滤光片，具体个数由多光谱的应用需求决定，滤光片的通带波段分布在0.9μm~2.5μm之间需要成像的波段，滤光片轮驱动电机采用步进电机或直流电机，它带动滤光片转动，切换波段，电机配以驱动器或驱动电路，并根据需要配置霍尔器件或旋转变压器作为电机定位装置；

所述探测器驱动与信息获取电路包括偏压供给、探测器驱动、模拟信号采集以及A/D转换，探测器驱动时序以及A/D转换后的数据采集由CPLD或FPGA逻辑芯片完成；

所述主控系统是本仪器的主要逻辑控制部分，采用单片机、DSP或FPGA逻辑控制芯片，它的主要职能包括配置探测器工作参数，接收并转发图像数据，控制滤光片轮驱动电机进行转动，配置大功率可调谐激光器工作参数，与通信接口交换命令和数据；

所述大功率可调谐激光器其发光波长在整个成像谱段可调，同时照明光波长应避开大气吸收峰，照明发散角与成像视场角相同；

用于仪器内部图像存储的所述图像存储器为高速大容量RAM；

所述通信接口负责转发远程计算机指令以及仪器状态信息和图像数据，根据需求选择有线或无线接口，通信协议采用RS422；

仪器白天成像时，目标反射太阳光产生光信号；夜间成像时，大功率可调谐激光器发出照明光，经目标反射后，产生目标光信号；光信号进入仪器短波红外镜头，镜头与探测器之间置有滤光片轮，光信号经过轮上某滤光片滤光后，进入探测器完成光电转换，电信号经过信息获取电路以及主控系统后，存于图像存储器，最后图像数据经主控系统及通信接口送入远程计算机。

白天成像时太阳光能量强，信噪比可以保证。而夜晚成像依赖激光照明成像，信号相对较弱。因此大功率可调谐激光器只有具备上述条件才能实现远距离多光谱成像，可以采用Nd:YAG激光器配合OPO实现。假设出射激光单次脉冲能量200mJ，观测波长2.1μm，激光发散角等于视场角，为50mrad，瞬时视场角0.1mrad，目标反照率0.3，量子效率0.7，探测器等效噪声50e-，观测距离5km。经大气特性分析及理论计算，若不考虑夜空辉光，则单幅图像信噪比约为36左右。实际上，夜空辉光虽然与激光照明相比十分微弱，但短波红外波段的夜空辉光能量远大于其他波段，因此实际信噪比会更高。

系统白天成像方法步骤如下：

1）、远程计算机下达指令，主控系统根据指令配置探测器工作参数；

2）、探测器组件完成初始配置，如需制冷则先完成制冷；