[发明专利]一种基于S矩阵狭缝阵列的短波红外高光谱视频成像系统

说明书

本发明公开了一种基于S矩阵狭缝阵列的短波红外高光谱视频成像系统，系统包括望远镜、S矩阵狭缝阵列、视场光阑、高精度电控位移台、光谱仪组件以及数据处理模块。将S矩阵狭缝阵列固定在高精度电控位移台，放置于望远镜的一次焦面；视场光阑放置在S矩阵狭缝阵列后方，高精度电控位移台平移带动S矩阵狭缝阵列实现变换编码，并产生信号触发同步曝光，通过数据处理模块重建三维高光谱数据。本发明在现有单狭缝色散型高光谱成像基础上，使用S矩阵狭缝阵列代替单狭缝，提高系统光通量，解决了积分时间与帧频相互制约的问题，实现视频成像效果，可用于对动态目标的实时高灵敏度探测。

技术领域：

本发明公开了一种基于S矩阵狭缝阵列的短波红外高光谱视频成像系统。作为高光谱计算成像的一个典型应用，本方案通过使用S矩阵狭缝阵列代替单狭缝，提高系统光通量，解决了高速曝光情况下积分时间不足的问题，从而实现对目标的快速三维成像，适用于对成像实时性有要求较高要求的使用场景。

背景技术：

高光谱成像技术在地质资源勘探、大气环境保护、现代农业生产等多个领域有着巨大的使用价值。在航空航天高光谱成像领域其成像体制一般分摇扫式、推扫式和凝视型三种，目前基于推扫成像体制的色散型高光谱成像是较为主流的技术方案。这种技术由二维面阵探测器和一维平台移动共同实现目标三维图谱信息的获取，二维面阵探测器单次曝光获取目标场景空间一维(线视场)和光谱一维的二维信息，空间另外一维信息则通过飞机或者卫星的移动实现，从而导致光谱成像时间过长，成像效率低。快照式光谱成像借助于新型光学器件或计算光学成像方式，通过对目标区域的一次或快速曝光成像，重构或恢复目标的数据立方体，极大提高了光谱成像的时效，通过多次快速曝光成像，可实现对目标区域的“光谱视频成像”，拓展了高光谱成像技术的应用场景，在环境监测、运动目标识别、空间目标观测等领域具有广泛的应用前景。

在定量化应用领域，高光谱遥感成像要保证信息不丢失，快照式高光谱成像应建立在信息不丢失的基础上。基于此，若实现对观测目标的快速光谱成像，一个有效的方法就是提高成像帧频。在对地观测中，短波红外光谱能量弱(相比较可见光650nm附近能量，波长大于2000nm的短波波段光谱能量降低约十倍)，故传统短波波段数据采集需要增加积分时间以获得足够的信噪比。快照式高光谱成像系统中需要很高的帧频，但是帧频与积分时间是相互制约的，这就意味着每一帧的积分时间不能无限的增加。本发明所述基于S矩阵的阵列狭缝光谱成像系统能有效提高光通量，在保证信噪比相同的成像效果的前提下，所需积分时间大大减小，从而满足快照式视频光谱成像高帧频的要求。

发明内容：

本发明实现一种基于S矩阵狭缝阵列的短波红外高光谱视频成像系统基，利用S矩阵阵列狭缝2实现多路线视场同时曝光，在光谱仪组件5的探测器上获得多路线视场光谱叠加的信号和，由此增大光信号的能量值，可在较小的积分时间下获得较高信噪比，有利于提高帧频实现视频光谱成像。

本发明所描述的是一种高光通量、高灵敏度的高光谱成像系统，系统包括望远镜1、S矩阵狭缝阵列2、视场光阑3、高精度电控位移台4、光谱仪组件5以及数据处理模块6。将S矩阵狭缝阵列2放置在望远镜1的后焦面上，调整S矩阵狭缝阵列2的位置以保证其与望远镜1焦面尽量靠近、S矩阵狭缝阵列2中的狭缝与光谱仪的色散方向严格垂直。所述视场光阑3位于S矩阵狭缝阵列2与光谱仪组件5之间，用于限制S矩阵狭缝阵列2中参与编码的狭缝条数；所述光谱仪组件5安装于视场光阑3后，其包括分光器与探测器，探测器用来采集由S矩阵狭缝阵列2空间调制+分光器分光的混叠光谱信号；S矩阵狭缝阵列2固定在高精度电控位移台4上，并保证其平移方向与色散方向严格一致，其在运动过程中需实时反馈位置信息，并产生同步TTL信号到探测器触发曝光，探测器获取空间、光谱混叠数据，然后经过数据处理模块6进行解码，恢复原始光场空谱三维数据。