一种用于成像光谱仪定标的便携式多功能光源及定标方法

技术领域

本发明涉及遥感观测领域，包括对天(太阳、恒星等天体)、对地的成像的光谱观测，涵盖天地基空间环境、天文探测、大气遥感观测。特别涉及一种用于成像光谱型遥测设备的部件或全系统定标的多功能光源系统，并提供了利用该装置进行整机光谱分辨率和波长定标的方法。

背景技术

按照探测器和探测对象之间的位置关系进行分类，现有的探测手段可以分为就位探测和遥感观测两类。对于遥远天体、如太阳、恒星或星系、太阳系内行星或类地行星、乃至地球上地表特征信息的探测，通过获取观测目标的成像或光谱辐射反演其温度、密度、组成元素及丰度等参数，仍是遥感观测的重要内容。成像光谱仪是实现上述诊断的核心设备。然而，所有的成像光谱观测设备都不可避免的会引入一些仪器自身的效应，对这些仪器效应的测量和改正精度，决定了最终探测温度、密度等物理参数的精度。成像光谱仪包括成像和光谱两种功能。成像功能的仪器效应改正重点关注整机成像不均匀性；对于光谱功能，仪器效应改正重点关注整机的光谱分辨本领、测量光谱的波长准确性。也就是说，成像光谱仪器整机级别的校准内容包括成像不均匀性、光谱分辨本领、波长定标三个部分。对于成像光谱仪而言，目前多是每类光源针对整个仪器某一方面进行校准。

成像的不均匀性，就是要以探测器(CCD或CMOS)像素为单元，成像光谱仪对准均匀光源拍摄获得，不均匀性覆盖的尺度包括单像素级小尺度、局部或全视场的中、大尺度等。目前，成像不均匀性的校准多采用积分球实现。

光谱分辨本领是成像光谱仪对观测谱线的分辨能力，分辨本领越高，越容易分辨出一些线宽较窄的谱线。测量基本原理是成像光谱仪对着已知谱线宽度的光源拍摄，如果光源发出的目标谱线比成像光谱仪分辨能力高一个数量级，测量到的实际光谱宽度即为成像光谱仪的光谱分辨率本领。

波长定标，即为将成像光谱仪获得的光谱信息进行校准，保证每条谱线对应波长准确反映来自观测目标的视向速度信息(多普勒效应)，一方面需要多条已知波长的光谱，另一方面定标灯还需覆盖成像光谱仪的视场范围。目前，波长定标可以采用汞氩灯或PtNe空心阴极灯等谱线灯的波长定标方法；利用高分辨率可调谐单色仪或可调谐激光器法。单色仪法和可调激光器法由于定标装置复杂，只能在实验室中使用，对于需要在户外、野外或特定场所中完成调试的仪器，这两类方法都难以满足定标要求。

本发明涉及一种新型光源，既可以同时满足成像光谱仪成像不均匀性、光谱分辨本领和波长定标的需求，同时又可以兼顾体积小、便携特点，方便在实验室特别是外场开展成像光谱仪的部件或整机定标。这类光源需要满足四个条件：第一，光源谱段应该包括和覆盖仪器所设计的探测波段，从而实现在整个光谱范围内的波长定标；第二，谱线线宽远远低于待定标仪器的光谱分辨率，从而保证光谱分辨率定标；第三，谱线的数量应比较多，谱线的数量多意味着可作为参考的基准值更多，从而保证波长定标的精度；第四，光源在成像光谱仪观测视场内具有很高的均匀性便于仪器成像不均匀以及不同视场波长定标的测试。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种用于成像光谱仪定标的便携式多功能光源及定标方法、系统。本发明光源是一种便携式的、覆盖波长范围广且可调的、灵活可切换的高精度定标光源，可以同时开展成像光谱仪成像不均匀性、光谱分辨率和波长定标，避开传统定标方法中每种定标需要特定光源独立进行的现状。

本发明的用于成像光谱仪定标的便携式多功能光源包括连续发射光源模块、工程散射片模块、吸收池模块、装置辅助结构，该定标光源通过光源和散射片在待标定的成像光谱仪观测视场内构造均匀光源、均匀光源经过吸收池产生满足光谱分辨率和波长定标的多条已知波长位置和宽度的标准谱线。该光源再经准直望远镜生成和待测成像光谱仪观测视场和口径一致的光斑。

本发明的技术方案为：

一种用于成像光谱仪定标的便携式多功能光源，其特征在于，包括发光装置、工程散射片、吸收池；其中

所述发光装置，用于根据待定标成像光谱仪的工作波段要求设置光源，为所述工程散射片提供入射光；

所述工程散射片，用于接收所述入射光进行扩散以后，输出强度均匀的面光源到所述吸收池；

所述吸收池，用于利用接收的所述面光源激发吸收池内的元素能级跃迁，得到用于该待定标成像光谱仪定标的第三光源；其中根据该待定标成像光谱仪的光谱响应范围和分辨率，确定所述吸收池内的成分、气压和长度。

进一步的，所述发光装置内设一光学元件，用于调整所设置光源的发散角，与工程散射片的接收相匹配；所设置光源的出射波长范围涵盖待定标成像光谱仪的工作波段波长范围。

进一步的，还包括一装置辅助结构，用于安装固定所述发光装置、工程散射片和吸收池，其中所述吸收池与装置辅助结构之间隔热连接。

进一步的，所述光源的光谱辐射为连续谱辐射；所述第三光源为空间方向均匀、有窄线宽特征谱线的光源，第三光源的空间方向均匀性用于成像光谱仪成像响应不均匀性的定标，第三光源的光谱方向窄线宽谱线用于成像光谱仪分辨本领的定标，第三光源的多条特征谱线用于成像光谱仪的波长定标。

一种成像光谱仪定标方法，其步骤包括：

1)根据待定标成像光谱仪的工作波段选取光源，根据该待定标成像光谱仪的光谱响应范围和分辨率确定吸收池内的成分、气压和长度；

2)所选光源的光经过工程散射片扩散后输出强度均匀的面光源并入射到所述吸收池，激发吸收池内的元素能级跃迁，得到的输出光称为第三光源；

3)该第三光源经分束镜、准直镜后进入待定标成像光谱仪，得到第三光源的光谱图；查找所述吸收池对应的光谱库，得到该光谱图中每条谱线对应的线心波长，然后通过寻峰拟合和峰位-波长配对，得到该光谱图中谱线像素坐标对应的波长值，然后利用非线性拟合方法对该光谱图中所有谱线像素进行波长定标；

4)在该待定标成像光谱仪的目标波长范围内选择一条或几条吸收线并对其进行高斯拟合，然后根据该光谱图获取每一所述吸收线的半高全宽δB；

5)定义该待定标成像光谱仪的分辨率本领为δA，根据公式δB＝sqrt(δA^2.+δC^2)，得到该待定标成像光谱仪的分辨本领δA，其中δC为吸收池的理论宽度。

进一步的，所述工程散射片的扩散角度大于等于准直镜数值孔径对应的接收角，工程散射片口径大于D，其中D＝f

一种成像光谱仪定标系统，其特征在于，包括一便携式多功能光源、一准直镜，一待定标成像光谱仪和一数据处理单元，该便携式多功能光源包括发光装置、工程散射片、吸收池；其中

所述发光装置，用于根据待定标成像光谱仪的工作波段要求设置光源，为所述工程散射片提供入射光；

所述工程散射片，用于接收所述入射光进行扩散以后，输出强度均匀的面光源到所述吸收池；

所述吸收池，用于利用接收的所述面光源激发吸收池内的元素能级跃迁，得到用于该待定标成像光谱仪定标的第三光源；其中根据该待定标成像光谱仪的光谱响应范围和分辨率，确定所述吸收池内的成分、气压和长度；

所述待定标成像光谱仪，用于测量得到该第三光源的光谱图；

所述数据处理单元，用于查找所述吸收池对应的光谱库，得到该光谱图中每条谱线对应的线心波长，然后通过寻峰拟合和峰位-波长配对，得到该光谱图中谱线像素坐标对应的波长值，然后利用非线性拟合方法对该光谱图中所有谱线像素进行波长定标；以及在该待定标成像光谱仪的目标波长范围内选择一条或几条吸收线并对其进行高斯拟合，然后根据该光谱图获取每一所述吸收线的半高全宽δB，然后根据公式δB＝sqrt(δA^2.+δC^2)，得到该待定标成像光谱仪的分辨本领δA，其中δC为吸收池的理论宽度。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1、便携多功能。本申请装置的主要部件体积小，重量较轻。以LED\工程散射片\碘吸收池三种部件组合为例，定标光源大小约5cmx5cmx30cm，重量约3kg，这样的光源不仅可以用于实验室的仪器定标工作，也可以携带到户外开展实地仪器定标工作，比如实验室面阵探测器部件的成像不均匀性定标、狭缝光谱仪部件的分辨本领、不同视场光谱弯曲等以及耦合望远系统的狭缝扫描光谱仪整机成像和光谱性能定标。

2、高精度。本申请装置的高精度主要体现在两个方面。一方面，吸收池经光源照射后形成的吸收线波长丰富，这也就意味着在相应的波长范围内具有密集的吸收谱线可用于定标。另一方面，通过控制吸收池的压力和温度，每一条吸收线的自然宽度极窄。以可见光用的碘蒸气吸收池为例，室温、1mbar(毫巴单位，用小写m)压力时其谱线宽度约6x10

3、灵活可切换。本发明装置中的发光装置、工程散射片和吸收池三个模块都可切换，可以得到不同波段、不同发散角的连续和窄线宽光谱源，满足不同波段、不同焦比的成像光谱仪定标需求。具体表现为：切换发光装置实现不同波段连续谱光源，切换不同扩散角的工程散射片实现不同光源发散角，切换不同元素的吸收池(可见光如碘蒸气、红外波段可以选用CO

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为工程散射片理论透过率曲线举例(可提供1°视场内均匀光源)。

图3为具体实施例结构图。

图4为傅里叶变换光谱仪采集到的碘蒸气吸收谱线，用于波长定标。

图5为选择536nm处一条光谱，用于计算傅里叶变换光谱仪光谱分辨率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。

本发明提供了一种便携式多功能定标光源装置。该装置包括发光装置、工程散射片、吸收池和装置辅助结构4个主要模块。各模块主要作用和功能如下：

1、发光装置。发光装置是成像光谱仪定标的能量输入，同时也为吸收池发生原子或分子跃迁提供激发能量。实际使用时，根据成像光谱仪的工作波段要求，发光装置部分可以通过搭配不同的光源模块，实现不同波长的定标。可见光波段可以选择卤素灯、氙灯或LED灯，红外波段可以选择碳化硅棒、红外黑体光源等。如果不受体积限制，发光装置也可以是激光器。发光装置模块包含光学元件，用于调整光源发散角，便于与工程散射片相匹配。

2、工程散射片。该模块通过工程散射片的漫透射作用，改变光源出射光束的发散角和均匀性，可以通过不同大小、扩散角的散射片，得到各种散射角、发光面积的均匀光源，以充分利用入射光能量。

3、气体吸收池。不同元素受到光的激发以后，可以得到不同波长的吸收或发射谱。根据待测成像光谱仪的光谱响应范围和分辨率，确定吸收池内的成分、气压、长度等参数得到需要的不同波长、宽度和深度的谱线。

4、装置辅助结构。该模块是本发明所涉及的机械结构等的统称，主要实现各个模块内元器件的装夹、不同模块之间依靠螺钉连接，光源、散射片等角度或位置敏感部件的基准依靠内部结构实现，无其它角度或位置调整机构；吸收池对角度不敏感，安装位置依靠内部装卡机构实现，吸收池与其装卡机械结构之间隔热连接，以保持吸收池内的温度；在高光谱分辨率成像光谱仪定标时吸收池需要增加温度控制等功能，以确保出射谱线的线宽。

发光装置生成第一光源。第一光源作为工程散射片的入射光，经过工程散射片扩散以后，出射光即第二光源为强度均匀的面光源。第二光源的光谱辐射与第一光源相同，都是连续谱辐射。第二光源射入吸收池后，激发吸收池内的元素能级跃迁，得到空间方向均匀、有窄线宽特征谱线的第三光源。空间方向均匀光可用于成像光谱仪成像响应不均匀性的定标，光谱方向窄线宽谱线用于成像光谱仪分辨本领的定标，多条特征谱线用于成像光谱仪的波长定标。

参考图3，本发明的便携式多功能定标光源装置包括：发光装置、工程散射片、吸收池、装置辅助结构。其中，发光装置、工程散射片和吸收池需要按照待定标仪器技术参数进行选型。装置辅助结构是本发明所涉及的机械结构的统称，主要实现各关键装置的装夹、配合等功能。分束镜实现分光，一束光进入待测仪器，一束光用于监测仪器出射光强。

下面介绍我们基于LED光源(提供第一光源)、工程散射片(出射光为第二光源)以及碘吸收池(出射光为第三光源)搭建了一套便携式多功能光源，下面以其作为实施例展示开展高分辨率傅里叶变换光谱仪的波长和光谱分辨本领定标的结果。

步骤1：选型

(1)发光装置的选型。发光装置的选型包括两个方面，一是光强，二是谱线覆盖范围。在条件允许的情况下，发光装置的光强尽量与待定标仪器探测目标的光强相近。如果没有强度相似的发光装置，可以考虑选择光强大于探测目标的光源作为发光装置，然后通过增加合适的衰减片使发光装置的光强衰减到与探测目标相近的程度。本实施例中待标定的傅里叶变换光谱仪入射焦比F6.5(入射角8.7°)，最大视场光阑直径3mm，需要标定波长范围510-530nm。根据待定标波长范围，我们选择了发散角为15°的子弹头LED光源，出射波长510-560nm，涵盖待定标的510-530nm波长范围。

(2)工程散射片的选型。工程散射片的选型主要考虑扩散角度、需要均匀光斑的面积和均匀性。尽量选择扩散后的出射光为均匀强度的工程散射片。扩散的角度与进入成像光谱仪的视场一致(带有引光系统的可结合望远镜使用)，使得扩散后的光源能够覆盖整个探测视场。本实施例中选择了扩散角度为10度，扩散形状为平顶形的工程散射片。第二光源在待标定傅里叶变换光谱仪前置焦面位置附近，需要均匀光斑大小为3mmx3mm，此处我们选择了25mmx25mm工程散射片。发散角15°的LED光源经10°散射片后，可以平滑LED光源的不均匀性，在10°范围内得到准均匀光源。

(3)吸收池的选型。吸收池的选型主要考虑谱线覆盖范围和出射光谱宽度。谱线范围覆盖待标定成像光谱仪的探测波段，并且在覆盖范围内有尽可能多的谱线，这样可以提高定标的精度。出射光谱宽度和吸收深度取决于吸收池内气体的压力、吸收池的工作温度以及吸收池的长度。本实施例标定傅里叶变换光谱仪的可见光波段，因此选择了碘蒸气吸收池，吸收池内压力小于1mbar，吸收池长度20cm，工作在24±2℃的恒温实验室中，理论计算的吸收池光谱宽度δC约0.6pm。

步骤2：波长定标

(1)将碘吸收池放入本发明的装置中，以第三光源作为仪器的入射光。

(2)第三光源经分束镜、准直镜后进入傅里叶变换光谱仪，傅里叶变换光谱仪拍摄的光谱见图4(仅展示536.2-537.6nm波长范围)。

(3)查找碘蒸气光谱库，可以得到每条谱线对应的线心波长(即中心波长)，通过寻峰拟合和峰位-波长配对的计算过程，可以得到傅里叶变换光谱仪观测的谱线像素坐标对应的波长值，利用非线性拟合方法对所有像素进行波长定标。

步骤3：光谱分辨率校准

(1)根据已选的光源和吸收池，可以确定待定标成像光谱仪探测波长范围内的光谱分布(即目标波长范围)；

(2)上述步骤2中，利用傅里叶变换光谱仪对本装置的出射光进行测量；

(3)在待定标成像光谱仪的目标波长范围内选择一条或几条合适的吸收线(见图5)，选择线心附近范围对吸收线进行高斯拟合，得到待定标的傅里叶变换光谱仪测量谱线的半高全宽δB。图5中给出的结果表明傅里叶变换光谱仪在536nm处，谱线宽度为0.8pm。

(4)定义待定标的傅里叶变换光谱仪的光谱分辨本领为δA，根据公式δB＝sqrt(δA^2.+δC^2)，傅里叶变换光谱仪测量谱线的半高全宽δB和吸收池的理论宽度δC带入上式，可得待定标的傅里叶变换光谱仪整机的光谱分辨本领为δA＝0.6pm/536nm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。