[发明专利]高光谱相机

说明书

公开了一种用于高光谱相机的光学系统和包括这种光学系统的高光谱相机。该光学系统包括：前部光学器件(1000)；图像传感器(1800)；隙缝(1500)；中继光学器件(1200)；第一光学元件(2000)，该第一光学元件被定位在隙缝(1500)之前，其中，该第一光学元件(2000)使光在平行于隙缝(1500)的方向上散焦，同时在垂直于隙缝(1500)的方向上保持聚焦；以及第二光学元件(2100)，该第二光学元件被定位在隙缝(1500)之后，其中，该第二光学元件(2100)对由第一元件(2000)引入的所描绘的场景的散焦进行补偿。

技术领域

本发明大体上涉及“推扫式”类型的高光谱(hyperspectral：超光谱)相机。更具体地，本发明涉及用于高光谱相机的光学系统，以及包括这种光学系统的高光谱相机。本发明还涉及高光谱数据质量的改进。

背景技术

推扫式类型的高光谱相机，即逐线地扫描场景的高光谱相机，包括：前部光学器件；隙缝(slit，缝、狭缝)，该隙缝限定正被描绘的场景中的线；带有分散性元件的中继光学器件；以及图像传感器。高光谱相机的设计通常会受到不同的折衷和最佳化，以减少从相机产生的数据中的错误和偏差。隙缝的机械瑕疵可能导致沿着隙缝的厚度不同，从而引起不同量的光在不同位置穿过隙缝。这可能导致所得到的图像中的较暗和较亮的条带。

推扫式高光谱相机典型地包括：

前部光学器件——创建正被描绘的场景的图像的光学子系统；

隙缝——阻挡来自场景的除窄条带以外的所有光的部件，有效地将窄区域从场景中截取出；

具有分散性元件的中继光学器件——光学子系统，其将场景的非常窄区域的图像投影到图像传感器上，其中，光在垂直于隙缝的方向上被光谱性分散；

图像传感器。

这种相机的瞬时视场是窄条带。通过使相机在垂直于隙缝的方向上相对于场景移动并在此过程中进行若干次曝光，来获得场景的二维图像。

图2示出了包含所有这些元件和子系统的简化的高光谱相机。在实际的高光谱相机中，每个子系统通常比单个元件更复杂，以实现所要求的光学图像质量。图2示出了透射和折射元件，但是光学元件中的所有光学元件或任一光学元件可以是反射类型的。

现有技术

加州理工学院的美国专利第6,100,974号描述了一种基于“Offner”设计的高光谱相机。专利中的图4示出了Offner光谱仪的典型布局。前部光学器件(在这种情况下，三镜式消象散透镜组(anastigmat：去像散透镜组、消象散镜组))形成场景的中间图像。隙缝被定位在与中间图像相同的平面中。隙缝可以从图像中截取窄区域。该区域通过中继光学器件投影到传感器上。由于中继光学器件具有分散性元件(凸状衍射光栅)，因此场景的窄区域的图像在二维传感器阵列上被光谱性分散。阵列的不同像素行是场景的窄区域在不同光谱带中的图像。通过使相机在垂直于隙缝的方向上相对于场景移动，可以获得完整的三维高光谱数据立方体(两个空间维度和一个光谱维度)。

学术出版物“Modelling spatial and spectral systematic noise patternson CHRIS/PROBA hyperspectral data”,Luis Gomez-Chova等人，Image and SignalProcessing for Remote Sensing XII,Proc.of SPIE,6365,63650Z期，(2006)描述了对包括图像数据中的条带的数据进行校准的挑战。该出版物的图1示出了具有可变宽度的隙缝将如何在所获取的图像中引起伪像(条带)。在正文中解释了可以对隙缝宽度的这种变化进行表征，并且该校准数据可以用于从所获取的数据中除去条带。需要指出的是，在使用或运输过程中，光学系统可能会受到影响，并且校准数据将不再有效。该出版物的作者解释了一些图像处理方法，这些图像处理方法对图像做出了各种假设，并可能降低条带的强度。