[发明专利]红外成像光谱仪及其对快速移动目标的超光谱成像方法

权利要求书

1.一种迈克尔逊干涉仪，其特征在于：它包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第一立体直角反射镜（3.1）、第二立体直角反射镜（3.2）、固定臂（3.3）、活动臂（3.4）、动镜驱动装置（3.5）、分光镜（3.6）、第一补偿板（3.7）和第二补偿板（3.8）；

其中固定臂（3.3）设置在水平方向，活动臂（3.4）设置在竖直方向，第一立体直角反射镜（3.1）和第二立体直角反射镜（3.2）的顶点分别固定安装在固定臂（3.3）和活动臂（3.4）上；活动臂（3.4）由动镜驱动装置（3.5）控制左右移动；

分光镜（3.6）的中心面同时经过第一输入端口光轴与第二输入端口光轴的交点，以及第一输出端光轴与第二输出端光轴的交点；第一补偿板（3.7）和第二补偿板（3.8）平行安装于分光镜（3.6）两侧用于补偿各种波长之间光程差。

2.根据权利要求1所述的迈克尔逊干涉仪，其特征在于：所述的活动臂移动到最左端时第一立体直角反射镜（3.1）和第二立体直角反射镜（3.2）以分光镜（3.6）的中心面成对称关系。

3.一种红外成像光谱仪，其特征在于：它包括权利要求1所述的迈克尔逊干涉仪（3），还包括第一光学望远系统（1）、第二光学望远系统（2）、第一聚焦透镜（4）、第一中波面阵红外探测器（5）、第二聚焦透镜（6）、第二中波面阵红外探测器（7）和控制系统（9）；

其中第一光学望远系统（1）沿光轴方向安装在迈克尔逊干涉仪（3）的第一输入端口前方，用于输入目标辐射的光信号；第二光学望远系统（2）沿光轴方向安装在迈克尔逊干涉仪（3）的第二输入端口前方，用于输入背景辐射的光信号；

从第一输出端口和第二输出端口射出的干涉光分别经过第一聚焦透镜（4）和第二聚焦透镜（6）聚焦后，分别被第一中波面阵红外探测器（5）和第二中波面阵红外探测器（7）接收转换为模拟电信号并传输给控制系统（9）；控制系统（9）用于将模拟电信号转换为数字信号，并进行目标提取、空间窗口调整和傅里叶变换，生成超光谱立方图像； 

所述迈克尔逊干涉仪（3）的动镜驱动装置（3.5）由控制系统（9）控制。

4.根据权利要求3所述的红外成像光谱仪，其特征在于：它还包括由控制系统（9）控制的制冷机（8），用于给两个中波面阵红外探测器的焦平面制冷。

5.一种利用权利要求3或4所述的红外成像光谱仪实现的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）设置迈克尔逊干涉仪零光程差：

动镜驱动装置控制活动臂定位，使得第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜以分光镜的中心面成对称关系；

2）参数设置和调试：

    在零光程差位置，控制系统将接收到的两路模拟信号分别转换成两幅数字图像信号，并将两幅数字图像信号融合成红外图像；连续获取若干帧图像，并采用目标提取算法，获取每帧红外图像中目标的位置并估算出目标的移动速度；根据目标移动的速度调整活动臂移动的最大距离以及最终输出的超光谱图像的窗口大小；

3）图像数据采集：

以零光程差位置为起始点，控制活动臂向右移动，设置移动步长d，至活动臂移动到最右端位置结束，为一个周期；在一个周期内，每移动一次，控制系统采集一次信号，将接收到的两路模拟信号分别转换成两幅数字图像信号，将两幅数字图像信号融合成红外图像并保存；

4）超光谱成像：

对步骤3）这一周期内获取的一系列红外图像对应步骤2）设置的窗口内每个像素位置的数据进行傅里叶变换，得到每个像素位置对应的超光谱成像，最终得到窗口内目标的超光谱立方图像。

6.根据权利要求5所述的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：在所有步骤中，增加制冷机，对两个中波面阵红外探测器制冷，使其工作在低温稳定的环境中。

7.根据权利要求5或6所述的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：所述活动臂的移动步长d小于或等于250nm。

8.根据权利要求5或6所述的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：所述步骤2）中，目标的移动速度越快，活动臂的最大移动距离越小，超光谱图像的窗口越小。

9.根据权利要求5或6所述的对快速移动目标的超光谱成像方法，其特征在于：所述步骤3）设目标辐射的光信号经过第一红外光学望远系统后的光信号为I₁，背景辐射的光信号经过第二红外光学望远系统后的光信号为I₂；信号的采集过程如下：

I₁经过分光镜后被分为两束光分别为I₁₁和I₁₂，I₂经过分光镜后被分为两束光分别为I₂₁和I₂₂，其中I₁₁和I₁₂的光程差为2dn，I₂₁和I₂₂的光程差也为2dn，n为活动臂向右移动的次数；两个补偿板用于补偿各种波长之间光程差；

I₁₁和I₁₂分别经过第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜反射后再次回到分光镜，经过分光，最终输出两束干涉光O₁₁和O₁₂；I₂₁和I₂₂分别经过第一立体直角反射镜和第二立体直角反射镜反射后再次经过分光镜分光，最终输出两束干涉光O₂₁和O₂₂；

O₁₁和O₂₁叠加后经过第一聚焦透镜聚焦，由第一中波面阵红外探测器接收；O₁₂和O₂₂叠加后经过第二聚焦透镜聚焦，由第二中波面阵红外探测器接收；两个中波面阵红外探测器将接收到的光信号转换为模拟电信号并传输给控制系统。