ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИЙ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ
POLARIMETRIC HYPERSPECTRAL IMAGER

Настоящее изобретение относится к спектро-поляриметрическому гиперспектральному устройству формирования изображения. В частности, изобретение относится к гиперспектральному устройству формирования изображения, которое использует квантовый каскадный лазер.
Уровень техники
Гиперспектральная визуализация представляет собой визуализацию объекта по большому количеству дискретных смежных спектральных полос. Имеется два основных типа гиперспектрального устройства формирования изображения: системы со сканированием длины волны, которые измеряют срез изображения на фиксированной длине волны, как показано на Фиг.1(a), и щелевые или линейные сканирующие системы, которые измеряют спектральный срез в фиксированном положении или посредством спектрального сканирования, вращая дифракционную оптику, или пространственно, перемещая положение линии посредством щели, как показано на Фиг.1(b). Набор данных, получаемый такими формирователями изображения, обычно обозначается как массив данных, где первые два размера даются изображением площади объекта, которая является пространственной информацией, и третий дается спектральной информацией.
2
2
2
Гиперспектральные сенсоры выполняют спектрометрию отображения, чтобы получить спектроскопические параметры. Когда между гиперспектральным сенсором и наблюдаемым объектом имеется газовое облако, то облако поглощает/испускает свет, который образует контраст с отраженным светом или со светом, естественно испускаемым объектом на определенной длине волны. Сканируя по длине волны при отображении объекта и затем сравнивая спектральную информацию с газом и без газа (то есть выполняя контрастный анализ), можно получить параметры поглощения/эмиссии газа, которые затем использовать для идентификации его состава(ов). Следовательно, эти сенсоры могут давать заблаговременное предупреждение об опасных химических парах, не обнаружимых глазом, а также контролировать концентрации примесей в газе. В зоне электростанции, например, некоторые из представляющих интерес газовых факелов - это CO, CO, SO, NO, NO. С гиперспектральным газовым сенсором даже низкая концентрация пара может быть отображена, идентифицирована и измерена.
Хотя гиперспектральные устройства формирования изображения потенциально очень эффективны при обнаружении опасных веществ, их использование было относительно ограниченным отчасти потому, что многие из таких устройств формирования изображения требуют перемещающихся частей, которые ограничивают их использование в тяжелых условиях окружающей среды, см. M.J.Wabomba и др., Applied Spectroscopy, v.61, No.4, 2007. Кроме того, длины волн, обычно подходящие для химических фингерпринтов опасных составов, например запрещенных наркотиков, токсичных промышленных химических веществ, взрывчатых веществ и т.д., находятся как правило в длинноволновом ИК (LWIR) или тепловом ИК-диапазоне, обычно определяемом как диапазон, охватывающий длины волн от 7 до 14 мкм. Работа в диапазоне LWIR имеет существенные недостатки, поскольку фоновый объект сохраняет энергию от источников абсолютно черного тела, например солнца, и высвобождает ее посредством излучения на длинах волн, соответствующих диапазону LWIR. Напротив, в коротковолновом ИК (SWIR) диапазоне, то есть в диапазоне длин волн от 1,5 до 3 мкм, и средневолновом ИК (MWIR) диапазоне, то есть диапазоне 3-5 мкм, сцена имеет тенденцию отражать приходящее излучение. Следовательно, поскольку возвращаемая плотность оптической мощности более важна в SWIR и MWIR, чем в LWIR, то улучшение отношения сигнал-шум относительно фонового шума многие гиперспектральные системы формирования изображения/сенсоров относительно хорошо реализуют в диапазонах SWIR и MWIR, но не в диапазоне LWIR.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предоставляется гиперспектральный сенсор или формирователь изображения, содержащий лазер для подсветки объекта и детектор для детектирования света, испускаемого лазером и прошедшего через объект, причем лазер представляет собой лазер с линейной модуляцией частоты, настроенный на выпуск множественных импульсов, имеющих различные диапазоны длин волн, причем множественные импульсы объединяются для формирования непрерывного спектра для подсветки объекта.
-1
Непрерывный спектр может быть узким полосчатым спектром, например, через пару волновых чисел, например через 2 см (или 60 ГГц в частотном выражении), в диапазоне длин волн обследования (узкополосный режим). В этом случае, лазер может быть одномодовым лазером с линейной модуляцией частоты. Посредством использования линейной частотной модуляции волны одномодового лазера, чтобы обеспечить сканирование по длинам волн для активного отображения объекта, предоставляется очень простая и эффективная сканирующая система формирования изображения, которая не требует никаких движущихся частей. По сравнению с обычными устройствами, показанными на Фиг.1, это обеспечивает повышенную надежность и работоспособность, тем самым, увеличивая долговечность системы.
-1
Непрерывный спектр может быть широкополосным спектром, например, приблизительно в сто волновых чисел, например 100 см (или 3000 ГГц в частотном выражении) на длинах волн обследования (широкополосный режим). В этом случае, лазер может быть многомодовым лазером с продольными модами. При использовании линейной частотной модуляции волн многомодового лазера с продольными модами, чтобы обеспечить сканирование по длинам волн для активного отображения объекта, предоставляется очень простой и эффективный способ, чтобы испустить широкополосную эмиссию когерентного излучения с непрерывным рядом длин волн или почти непрерывным рядом длин волн, по спектральному диапазону, определяемому полным спектром усиления лазера. Множественные продольные моды лазера могут быть спектрально разделенными на 60-240 ГГц (то есть от двух до восьми волновых чисел), чтобы гарантировать эмиссию непрерывного ряда длин волн по всему спектру усиления лазера.
При связи с настраиваемым спектральным фильтром сенсор широкополосного спектра или формирователь изображения может быть использован для формирования сканирующей системы формирования изображения, которая не требует никаких движущихся частей. Перестраиваемый спектральный фильтр может быть твердотельным перестраиваемым спектральным фильтром, например жидкокристаллическим Фабри-Перо фильтром или акустооптическим перестраиваемым фильтром. Предпочтительно, фильтр помещается между лазером и детектором. Дополнительно или альтернативно, перестраиваемый фильтр на основе микроэлектромеханической системы может быть непосредственно интегрирован в матрицу детектора.
Альтернативно или дополнительно, средство для инициирования излучения в одномодовом режиме многомодового лазера с продольными модами может быть связано с лазером так, чтобы достигался диапазон настройки единственной моды, охватывающий полный спектр усиления лазера, для формирования сканирующей системы формирования изображения, которая не требует никаких перемещающихся частей.
Средство для инициирования излучения многомодового лазера с продольными модами в одномодовом режиме может содержать спектральный элемент на основе микроэлектромеханической системы, например, используя принципиальную обратную связь внешнего резонатора (ECF). Микроэлектромеханический элемент может быть непосредственно интегрирован в лазер.
Лазер может быть квантовым каскадным лазером. Каждый импульс, подаваемый на лазер, может иметь длительность, большую чем 50 нс, в частности большую чем 100 нс. Каждый подаваемый импульс может иметь длительность, которая находится в интервале от 50 до 3000 нс, предпочтительно от 100 до 3000 нс. Это может обеспечить диапазон перестройки приблизительно от 60 до 240 ГГц на импульс.
Другие лазерные выходные импульсы могут быть созданы изменением одного или нескольких следующих параметров импульса, подаваемого на лазер: длительность импульса; амплитуда импульса; частота следования импульсов.
Сенсор/формирователь изображения может включать в себя один или несколько поляризационных фильтров. Фильтры могут быть выбраны так, чтобы подавить фоновый LWIR сигнал, испускаемый объектом. Позволяя излучению только определенной поляризации попадать на матрицу детектора, например поляризованным компонентам излучения, испускаемого лазерным источником, фоновый LWIR сигнал, испускаемый объектом, может быть эффективно подавлен так, чтобы все, что наблюдается, было бы изменениями, имеющимися в активном отраженном сигнале вследствие газового облака, расположенного между сенсором и фоновым объектом.
Дополнительно или альтернативно, детектор может быть поляризационно-чувствительным, например детектор может быть инфракрасным фотодетектором с квантовой ямой. Предпочтительно, детектор работает так, чтобы детектировать только поляризованный свет, произведенный лазером с линейной модуляцией частоты, который представляет собой линейно поляризованный источник излучения. Это улучшает отношение сигнал-шум отраженного оптического сигнала относительно фонового шума, который обычно не поляризован.
Детектор может быть двумерным детектором в фокальной плоскости. Детектор может быть QWIP. Детектор может быть одним из: детектор на теллуриде кадмия-ртути (MCT); детектор на основе селенидов; детектор типа II на сверхрешетке.
Краткое описание чертежей
Различные объекты изобретения рассматриваются только в качестве примера и в связи с сопровождающими чертежами, среди которых:
Фиг.2 изображает блок-схему гиперспектрального сенсора;
Фиг.3 - более детальный вид сенсора на Фиг.2;
Фиг.4 - влияние длительности импульса на линейную модуляцию длины волны для одномодового лазера или для одномодового режима многомодового лазера с продольными модами;
Фиг.5 - влияние амплитуды импульса на линейную модуляцию длины волны для одномодового лазера или для одномодового режима многомодового лазера с продольными модами;
Фиг.6 - влияние частоты на линейную модуляцию длины волны для одномодового лазера или для одномодового режима многомодового лазера с продольными модами;
Фиг.7 - ряд измерительных точек, полученных с использованием одномодового лазера или одной моды от многомодового лазера с продольными модами, для которых длительность импульса и/или амплитуда варьируются, и
Фиг.8 - ряд измерительных точек, полученных с использованием одномодового лазера или одной моды от многомодового лазера с продольными модами, для которых варьируется частота следования импульсов.
Подробное описание чертежей
На Фиг.2 показана система 10 для сбора как спектральной, так и пространственной информации от наблюдаемого объекта при использовании гиперспектрального устройства формирования изображения с лазером с линейной частотной модуляцией. Она включает в себя квантовый каскадный лазер 12 для подсветки объекта, детектор 14 для детектирования лазерного света, отраженного от объекта, и линзу 16 для фокусировки отраженного света на детектор 14. В идеальном случае, детектор 14 представляет собой инфракрасный фотодетектор с квантовой ямой. В эксплуатации, сканирование по длине волны, предоставляемое каждым выходным сигналом от лазера с линейной частотной модуляцией, может быть использовано, чтобы определить наличие или отсутствие газа. Эта система не имеет никаких движущихся частей, надежная в эксплуатации и может иметь малый вес. Кроме того, она предоставляет улучшенные характеристики по чувствительности и динамическому диапазону.
На Фиг.3 показано более детальное выполнение формирователя изображения 10 из Фиг.2. Он имеет квантовый каскадный зондирующий лазер 300 и квантовый каскадный опорный лазер 400 для подсветки исследуемого объекта. Для детектирования света, отраженного исследуемым объектом, предоставляется двухмерная 2D детекторная матрица 101. Управляющие и обрабатывающие электронные устройства (не показаны) предоставляются для управления работой сенсора/формирователя изображения. Детектор является QWIP, включая структуру решетки, которая выбирает свет в соответствии с его поляриметрическими свойствами. При необходимости, в детектор 101 вводится перестраиваемый спектральный фильтр 102 на основе MEMS, который действует как ограничивающий длину волны полосовой фильтр. Он используется, когда зондирующий лазер 300 является многомодовым и должна быть выбрана одна единственная мода. Перед детектором 101, но не непосредственно введенный в него, имеется перестраиваемый спектральный фильтр, например жидкокристаллический Фабри-Перо фильтр или акустооптический перестраиваемый фильтр.
Между зондирующим и опорным лазерами и детектором имеется телескопическое устройство 200 для посылки лазерного света на исследуемый объект; приема возвращенных зондирующих и опорных лучей и направление их на фильтр 102, 700 и детектор 100. Телескопическое устройство 200 может быть любой подходящей конструкции. Конкретное устройство, показанное на Фиг.3, представляет собой известный в данной области техники тип "Cassegrain". Телескопическое устройство обычно содержит, как показано, отражательные элементы 201, 202, 203, но может также использовать и пропускающие элементы или другие оптические устройства. Телескопические устройства хорошо известны в данной области техники и поэтому не описываются здесь подробно.
Зондирующий лазер 300 выпускает световые импульсы с линейной частотной модуляцией в пределах длин волн, по меньшей мере, одна из которых поглощается или рассеивается назад целевым газом 600. Опорный лазер 400 работает на длине волны, не поглощаемой или не рассеиваемой целевым газом 600. Каждый импульс, подаваемый на оба, зондирующий и опорный лазеры, может иметь длительность больше 50 нс, в частности больше 100 нс. Каждый подаваемый импульс может иметь длительность, которая находится в пределах от 50 до 3000 нс, предпочтительно от 100 до 3000 нс. Это может обеспечить диапазон перестройки приблизительно 60-240 ГГц на импульс.
pulse
int sig
int det
int det
И зондирующий, и опорный лазерные лучи 311 и 411 направляются телескопическим устройством 200 для подсветки фонового объекта, объекта и/или цели. Возвратившийся свет, отраженный или рассеянный фоновым объектом, объектом и/или целью, направляется телескопическим устройством 200 на фильтр 102 и детектор 100. Детектор 100 имеет намного меньшее время отклика, чем длительность отдельного импульса с линейной частотной модуляцией (T=1 мкс, например), принятого от зонда 301 через целевой объект. Поэтому детектор используется как интегратор, измеряя амплитуду импульса оптической мощности посредством объединения оптического сигнала, падающего на область детектора, по меньшей мере, в течение времени T, большего, чем минимальное время интегрирования (T), заданное для детектора. В случае QWIP, например, T обычно составляет от 5 до 20 мс, тогда как выходные импульсы квантовых каскадных лазеров имеют продолжительности в пределах от 50 до 3000 нс, предпочтительно от 100 до 3000 нс.
Зондовый и опорный лазеры 300 и 400 могут быть одномодовыми лазерами. Альтернативно, они могут быть многомодовыми лазерами с множественными продольными модами, но включать в себя средство для того, чтобы инициировать излучение лазера в одномодовом режиме, например спектральный элемент на основе MEMS, использующий принцип обратной связи внешнего резонатора (ECF), непосредственно интегрированного в лазер. В любом случае, зондирующий лазер выводит последовательность импульсов с линейной частотной модуляцией, каждый из которых обеспечивает сканирование по длине волны на лазерную моду(ы), и управляется так, чтобы отдельные периоды сканирования по длине волны в импульсах объединялись, чтобы обеспечить расширенный спектр для сканирования исследуемого объекта.
Имеются различные методики для варьирования диапазонов длины волны в импульсе с линейной модуляцией, тем самым, для обеспечения расширенных пределов сканирования. Как отмечено выше, зондирующий лазер 300 представляет собой квантовый каскадный лазер, который имеет импульсный, линейно-частотно-модулированный выход. Увеличением или уменьшением длительности каждого импульсного входного сигнала на лазере относительная линейная модуляция по длинам волн увеличивается или уменьшается, соответственно, как показано на Фиг.4. Это описано более подробно в международной публикации WO 03/087787, содержание которой включено здесь посредством ссылки. Модулированием длительности входного импульса и комбинированием образующихся выходных импульсов обеспечивается расширенный спектр. Если оптическая мощность интегрируется и измеряется, по меньшей мере, для одной последовательности с идентичными параметрами продолжительности импульса тогда, то можно получить результат измерения с определенной шириной линейной модуляции по длине волны в спектральной области. Затем, изменяя длительность для следующих последовательностей, линейно, непрерывно или кодированным образом, можно получить измерение с другой заданной шириной линейной модуляции по длине волны. Управляя шириной, можно получить изменения в сканировании по длине волны так, чтобы осуществить абсорбционные спектроскопические измерения.
Другой вариант для сканирования по длине волны заключается в увеличении или уменьшении амплитуды лазерного входного импульса, как описано в публикации WO03/087787. Это приводит к тому, что относительная линейная модуляция (сканирование) по длине волны полупроводникового диодного лазера увеличится или уменьшится, соответственно, как показано на Фиг.5. Если оптическая мощность проинтегрирована и измерена, по меньшей мере, для одной последовательности с идентичными параметрами амплитуды импульса тока, то может быть получен замер с определенной шириной линейной частотной модуляции длины волны в спектральной области. Затем, изменяя амплитуду для следующих последовательностей, линейно, непрерывно или кодированным образом, можно получить замер с другой заданной шириной линейной модуляции по длине волны. Управляя изменениями амплитуды импульса тока, можно получить сканирование по длине волны так, чтобы абсорбционные спектроскопические измерения могли быть выполнены в расширенных пределах.
Еще одна возможность для сканирования по длине волны заключается в том, чтобы увеличивать или уменьшать частоту следования входных импульсов, как описано в публикации WO 03/087787. В этом случае, стартовая длина волны относительной линейной модуляции (сканирования) по длине волны будет больше или меньше, соответственно, в зависимости от частоты, как показано на Фиг.6. Если оптическая мощность объединяется и измеряется, по меньшей мере, для одной последовательности с идентичной амплитудой импульса тока, то параметры частоты и продолжительности также приведут к получению замера с определенной шириной линейной модуляции по длине волны в спектральной области. Затем, изменением частоты для следующих последовательностей, линейным, непрерывным или кодированным образом, можно получить замер с другой определенной шириной линейной модуляции по длине волны, поскольку исходная температура лазера, стабилизированная элементом Пелтье в масштабе нескольких секунд, будет изменяться намного быстрее контролируемым образом. Управляя исходной температурой лазера, можно затем получить управляемые изменения в начале сканирования по длине волны и осуществить, таким образом, абсорбционные спектроскопические измерения.
int sig
На Фиг.7 показан ряд измерительных точек, когда каждая точка отображает интегрированное измерение оптической мощности, по меньшей мере, для одной последовательности импульсов тока, имеющих те же самые параметры, то есть амплитуду, длительность, частоту следования, когда длительность последовательности, по меньшей мере, равна T. Последующие точки отображают возрастающее линейное изменение амплитуды импульса тока и/или ширины. Если абсорбционный признак молекулы в газовой фазе находится в пределах линейной модуляции длины волны (сканирования) конкретной последовательности, наблюдается изменение фонового сигнала, то есть когда газ отсутствует. С этим способом спектры могут быть разрешены по времени. Этот способ вызывает небольшой сдвиг исходной длины волны сканирования или линейной частотной модуляции, что может быть учтено.
На Фиг.8 показаны измерительные точки, каждая из которых отображает измерение интегрированной оптической мощности, по меньшей мере, для одной последовательности с идентичными параметрами импульса тока, и когда последующая точка относительно предыдущей отображает возрастающее линейное изменение частоты импульса тока. Если абсорбционный признак молекулы в газовой фазе присутствует в пределах линейной модуляции длины волны (сканирования) конкретной последовательности, наблюдается изменение фонового сигнала.
Изобретение предоставляет возможность измерения с очень высокими скоростями. Например, при узкополосной или одномодовой работе, когда поглощение газом наблюдается на определенной длине волны, пользователь может зафиксировать лазерные настройки, и при работе в режиме фиксированной длины волны такая система может работать со скоростью больше чем 100 кадров в секунду. Это позволяет измерять переходные эффекты с временными разрешениями порядка 10 мс.
В режиме широкополосного сканирования по длинам волн, в котором широкополосное излучение покрывает спектр лазерного усиления и перестраиваемый спектральный фильтр, или система ECF действует для выбора длины волны, т.е. выбора узкого спектрального окна, возможно выполнить расширенное сканирование, например при 100 узких спектральных окнах в секунду, тем самым, позволяя системе работать со скоростью больше чем один массив данных в секунду. Практически, это означает, что система может быть помещена на перемещающуюся платформу и при этом обеспечивать улучшенные характеристики по сравнению с системами для фиксированного объекта.
Настоящее изобретение имеет многочисленные применения. Например, оно может использоваться при обнаружении запрещенных веществ органами наркоконтроля; мониторинга непрерывной эмиссии дымовых/выхлопных труб; обнаружении утечки при производстве и при обеспечении производства; экологического мониторинга авиационных выбросов; при горных и нефтяных разработках и усиленном отдаленном контроле за человеческой деятельностью.
Специалисту в данной области техники будет очевидно, что возможны вариации раскрытых устройств без отступления от существа изобретения. Например, вышеупомянутые способы не являются единственным средством изменения спектральных характеристик полупроводникового диодного лазера. Возможно использование их комбинации линейным или непрерывным образом, так же, как могут быть и другие способы модуляции, например импульсная кодовая модуляция (PCM) и т.д. Соответственно, вышеупомянутое описание конкретного варианта реализации приведено только в качестве примера, а не с целью ограничения. Специалисту в данной области техники будет ясно, что незначительные модификации могут быть сделаны без существенных изменений в описанной разработке.