像场调制傅里叶变换成像光谱仪的建模与实验研究
发布时间：2021-12-28 11:15
为了明确像场调制傅里叶变换成像光谱仪的工作机理,通过分析多级微反射镜对成像光场的相位调制特性,建立了像场调制干涉成像的理论模型。数值计算结果表明,通过对获得的干涉图像数据立方体进行图像剪切与图像拼接,可以重构目标场景的全景图像;通过对剪切后的干涉图像单元进行条纹拼接与光谱解调,可以复原场景中各目标物点的光谱信息。为了验证该仪器的工作原理,利用研制的样机进行了目标场景的干涉成像扫描实验,获取了场景目标的干涉图像数据立方体。通过对各帧干涉图像进行边缘检测与特征配准,实现了干涉图像单元的剪切与全景图像的拼接。同时,通过对干涉图像单元进行条纹拼接、基线校正、寻址切趾与离散傅里叶变换,获得了特征目标的复原光谱,并通过非均匀采样校正与经验模态分解对光谱进行优化,提高了复原光谱的性能。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(18)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
像场调制傅里叶变换成像光谱仪的原理图
将像场调制傅里叶变换成像光谱仪沿着垂直于阶梯的方向进行线性推扫,以采集干涉图像序列。将扫描步长设置为一个阶梯宽度,则每进行一次步进扫描,多级微反射镜各级阶梯上的中间像点便会逆着推扫的方向移动到相邻级次阶梯上的对应位置处。经过一个扫描周期之后,目标场景中各个物点的中间像场便会逆着推扫的方向遍历多级微反射镜的每一个阶梯,从而形成干涉图像数据立方体,如图2所示。像场调制傅里叶变换成像光谱仪每次采集的单帧干涉图像是受到不同干涉级次调制的全景图像,其中既含有二维图像信息,又含有一维干涉信息,如图2中干涉图像数据立方体的阶梯形侧面所示。将采集的每一帧干涉图像沿着阶梯的方向进行剪切,使其成为对应各个不同干涉级次的干涉图像单元,然后将相同干涉级次(n0)的干涉图像单元按照场景的空间顺序进行图像拼接,便可获得场景目标的全景图像Iim(x, y, n0),即图2中干涉图像数据立方体中的n=n0平面。将相同目标场景(x0,y)处的干涉图像单元按照光程差的顺序进行条纹拼接,便可获得场景中某一线物的干涉图Iin(x0, y, n),即图2中干涉图像数据立方体中的x=x0平面。通过对其进行离散傅里叶变换,便可以解调出x=x0平面上各物点(x0, y)的复原光谱信息,即
经望远系统相干传递后的成像光场被分束器分为透射成像光路和反射成像光路,反射成像光路中的中间像场位于平面反射镜上,而透射成像光路中的中间像场位于多级微反射镜的参考平面上。多级微反射镜作为一个相位调制屏,对其参考平面上的中间像场进行调制,具体调制过程如图3所示。以多级微反射镜中的第+1级、0级和-1级阶梯为例,多级微反射镜各级阶梯对中间像场中不同像点的调制作用如图3所示。假设目标场景中的三个物点分别成像到多级微反射镜+1级、0级和-1级三个阶梯所对应的参考平面上,形成A、B、C三个像点,这三个像点分别经多级微反射镜+1级、0级和-1级阶梯调制之后又形成了A′、B′、C′三个调制像点,且三个调制像点位于三个不同的平面上。由图3可以看出,调制像面是多级微反射镜参考平面相对于多级微反射镜各级阶梯面的镜像平面,因此调制像点相对于原像点将会产生两倍阶梯步长大小的光程平移量。以上分析表明,多级微反射镜第n级阶梯对中间像点进行调制所引入的光程平移量为Δ(n)=2nd,从而引入的相位调制量为φ(n)=2πνΔ(n)=4πνnd。因此,多级微反射镜对中间像场的调制函数可以表示为
【参考文献】：
期刊论文
[1]微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪的建模与分析[J]. 吕金光,梁静秋,王维彪,秦余欣. 光学学报. 2020(02)
[2]像面干涉中非线性干涉光谱数据重构算法[J]. 张智南,李立波,胡炳樑,陈洁婧,高晓惠,杨凡超. 光学学报. 2017(06)
[3]基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计[J]. 吕金光,梁静秋,梁中翥,田超,秦余欣. 光谱学与光谱分析. 2016(05)
[4]空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究[J]. 梁静秋,梁中翥,吕金光,秦余欣,田超,王维彪. 中国光学. 2015(02)
本文编号：3553961
【文章来源】：光学学报. 2020,40(18)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
像场调制傅里叶变换成像光谱仪的原理图
将像场调制傅里叶变换成像光谱仪沿着垂直于阶梯的方向进行线性推扫,以采集干涉图像序列。将扫描步长设置为一个阶梯宽度,则每进行一次步进扫描,多级微反射镜各级阶梯上的中间像点便会逆着推扫的方向移动到相邻级次阶梯上的对应位置处。经过一个扫描周期之后,目标场景中各个物点的中间像场便会逆着推扫的方向遍历多级微反射镜的每一个阶梯,从而形成干涉图像数据立方体,如图2所示。像场调制傅里叶变换成像光谱仪每次采集的单帧干涉图像是受到不同干涉级次调制的全景图像,其中既含有二维图像信息,又含有一维干涉信息,如图2中干涉图像数据立方体的阶梯形侧面所示。将采集的每一帧干涉图像沿着阶梯的方向进行剪切,使其成为对应各个不同干涉级次的干涉图像单元,然后将相同干涉级次(n0)的干涉图像单元按照场景的空间顺序进行图像拼接,便可获得场景目标的全景图像Iim(x, y, n0),即图2中干涉图像数据立方体中的n=n0平面。将相同目标场景(x0,y)处的干涉图像单元按照光程差的顺序进行条纹拼接,便可获得场景中某一线物的干涉图Iin(x0, y, n),即图2中干涉图像数据立方体中的x=x0平面。通过对其进行离散傅里叶变换,便可以解调出x=x0平面上各物点(x0, y)的复原光谱信息,即
经望远系统相干传递后的成像光场被分束器分为透射成像光路和反射成像光路,反射成像光路中的中间像场位于平面反射镜上,而透射成像光路中的中间像场位于多级微反射镜的参考平面上。多级微反射镜作为一个相位调制屏,对其参考平面上的中间像场进行调制,具体调制过程如图3所示。以多级微反射镜中的第+1级、0级和-1级阶梯为例,多级微反射镜各级阶梯对中间像场中不同像点的调制作用如图3所示。假设目标场景中的三个物点分别成像到多级微反射镜+1级、0级和-1级三个阶梯所对应的参考平面上,形成A、B、C三个像点,这三个像点分别经多级微反射镜+1级、0级和-1级阶梯调制之后又形成了A′、B′、C′三个调制像点,且三个调制像点位于三个不同的平面上。由图3可以看出,调制像面是多级微反射镜参考平面相对于多级微反射镜各级阶梯面的镜像平面,因此调制像点相对于原像点将会产生两倍阶梯步长大小的光程平移量。以上分析表明,多级微反射镜第n级阶梯对中间像点进行调制所引入的光程平移量为Δ(n)=2nd,从而引入的相位调制量为φ(n)=2πνΔ(n)=4πνnd。因此,多级微反射镜对中间像场的调制函数可以表示为
【参考文献】：
期刊论文
[1]微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪的建模与分析[J]. 吕金光,梁静秋,王维彪,秦余欣. 光学学报. 2020(02)
[2]像面干涉中非线性干涉光谱数据重构算法[J]. 张智南,李立波,胡炳樑,陈洁婧,高晓惠,杨凡超. 光学学报. 2017(06)
[3]基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计[J]. 吕金光,梁静秋,梁中翥,田超,秦余欣. 光谱学与光谱分析. 2016(05)
[4]空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究[J]. 梁静秋,梁中翥,吕金光,秦余欣,田超,王维彪. 中国光学. 2015(02)
本文编号：3553961
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