Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью
HYPERSPECTROMETER WITH HIGHER SPECTRAL RESOLUTION

Изобретение относится к области спектрофотометрии и оптического приборостроения. Изобретение может найти применение в качественном и количественном анализе спектрального состава электромагнитных излучений, нахождения спектральных характеристик твердых веществ, дистанционном зондировании поверхности Земли.
Уровень техники
Существующие гиперспектрометры можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся приборы, в которых спектральный состав излучения определяется с помощью диспергирующей системы. Среди них можно отметить гиперспектральный 2d (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне (Патент РФ №2635841, МПК G01J3/36, G02B27/10 опубл. 20.11.2017), широкополосный спектрозональный анализатор (Патент РФ 2068175, МПК G01J3/18, опубл. 20.10.1996) и сканирующий дифракционный полихроматор (Патент РФ 2589748, МПК G02B5/18, G01J3/18, опубл. 10.07.2016). Как правило эти гиперспектрометры обладают хорошим спектральным разрешением, но имеют сложные оптическую систему и алгоритм извлечения пространственной и спектральной информации. Главным же недостатком этих приборов следует считать то, что для получения параметров гиперкуба информации (2d – пространственной и 1d – спектральной) в них должна быть предусмотрена необходимость и, следовательно, механизм принудительного или естественного сканирования поверхности объекта дополнительно снижающий качественные и эксплуатационные характеристики прибора.
Ко второй группе следует отнести гиперспектрометры, построенные на основе использования мультиспектральных систем с разделением рабочего спектрального диапазона на ряд дискретных спектральных каналов. Среди них можно отметить фотоэлектрический анализатор спектра (Патент РФ 2092798, МПК G01J3/36, опубл. 10.10.1997), фотоэлектрический прибор для колориметрических измерений в нескольких спектральных зонах (Патент СССР 105982, МПК G01J3/51, опубл. 28.11.49). Приборы этой группы выгодно отличаются от приборов предыдущей группы по массе, габаритам, простоте исполнения и другим техническим и эксплуатационным характеристикам, однако значительно уступают им по спектральному разрешению.
На фиг. 1 представлены значения яркости объекта, определенные 8-канальным гиперспектрометром (в 8-ми точках) и спектральная плотность яркости, определенная с помощью сертифицированного устройства (кривая 1, фиг. 1). Проиллюстрировано, что даже по 8 точкам нельзя точно определить спектр яркости объекта (кривая 2 и 3, фиг.1).
Очевидно, что при увеличении числа спектральных каналов неизбежно возникает проблема их технической реализации и, кроме того, с необходимостью снижается пространственное разрешение. Например, в гиперспектрометрах с многоканальными приемниками излучения увеличение числа каналов достигается путем увеличения количества фильтров Байера, объединенных в один макропиксель, что приводит к снижению пространственного разрешения. С другой стороны, количество получаемых спектральных полос в таких камерах ограничивается количеством используемых в многоканальном матричном приемнике фильтров Байера. Таким образом, основными недостатками описанной группы приборов является резко ограниченное спектральное разрешение и низкое пространственное разрешение.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является гиперспектрометр на базе мультиспектрального приемника излучения (Multispectral Camera CMS-C от SILIOS Technologies [1]). Функциональная схема прототипа представлена на фиг. 2(а). Такая камера включает в себя входной объектив (1), многоканальный матричный приемник излучения с фильтрами Байера (2), и электронный блок обработки сигналов (3):
Камеры позволяет разделить спектр объекта на 8 спектральных полос и 1 черно-белый канал за счет 8-канального сенсора со спектральными чувствительностями, приведенными на фиг.2(б).
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является создание гиперспектрального прибора, осуществляющего регистрацию излучения по трем координатам с повышенным спектральным разрешением.
Сущность изобретения заключается в том, что в гиперспектрометре, содержащем изображающий объектив, многоканальный спектрометр и электронный блок обработки сигналов, с целью повышения спектральной разрешающей способности в многоканальном спектрометре, помимо матричного приемника с фильтрами Байера, установлены включаемые поочередно в ход лучей оптические фильтры с известными функциями пропускания , а электронный блок производит определение спектральной яркости объекта  каждой точки на длине волны  из решения системы уравнений
где  – сигнал -го спектрального канала при установке в ход лучей -го фильтра,
– спектральная чувствительность -го спектрального канала,
– номер длины волны ,
– номер используемого оптического фильтра,
– номер спектрального канала сенсора,
– числа разбиений по длинам волн, количество оптических фильтров и количество спектральных каналов сенсора соответственно.
Решение указанной системы уравнений относительно  представляет собой обратную задачу. В электронном блоке обработки сигналов производится решение обратной задачи с применением известных методов решения некорректных обратных задач, выбираемых под конкретную измерительную задачу, например, метод регуляризации Тихонова, метод Гревиля, метод вейвлет-преобразований.
Преимущества заявляемого изобретения по сравнению с прототипом заключаются в более высоком спектральном разрешении, поскольку дополнительные фильтры позволяют определить характер спектра излучения объекта в промежутках между спектральными каналами сенсора.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлены возможные результаты восстановления спектра яркости объекта по 8 точкам.
На фиг. 2 представлена функциональная схема прототипа и спектральные чувствительности 8-канального сенсора.
На фиг. 3 представлена функциональная схема изобретения.
На фиг. 4 представлены значения спектральной плотности яркости объекта, определенные 8-канальным гиперспектрометром (в 8-ми точках) и графики спектральной яркости объекта, измеренные эталонным спектрометром и прибором, являющимся предметом изобретения
Осуществление изобретения
В качестве примера конкретного выполнения на фиг. 3 представлена функциональная схема заявляемого изобретения.
Устройство работает следующим образом (фиг. 3). Изображающий объектив (1) формирует пучок излучения от объекта, который проходит через многоканальный спектрометр, где преобразуется в электрический сигнал, передающийся в электронный блок обработки (3). Принципиально важной особенностью заявляемого изобретения является то, что в многоканальном спектрометре помимо матричного приемника с фильтрами Байера (2), установлены включаемые поочередно в ход лучей оптические фильтры с известными функциями пропускания  (2(а), 2(б)), а электронный блок производит определение спектральной яркости объекта  каждой точки на длине волны  из решения системы уравнений методами решений обратных задач.
В качестве примера может быть рассмотрено определение с помощью заявляемого изобретения спектральной плотности яркости  трех образцов (А, Б, В) в спектральном диапазоне 400 - 650 нм. В табл. 1 представлены количество используемых в измерении спектральных каналов сенсора , количество используемых в измерении оптических фильтров , относительная погрешность спектральной плотности яркости образца, определенной прибором, являющимся предметом изобретения, относительно спектральной плотности яркости образца, измеренной с помощью сертифицированного устройства спектрофотометра Perkin Elmer Lambda 950.
Таблица 1. Условия проведения и результаты экспериментальной проверки функционирования прибора, являющегося предметом изобретения
Обозначение образца
Параметр
<img file="00000014.jpg" he="7" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000015.jpg" he="7" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Относительная погрешность, %
А
8
2
0.22
Б
0.03
В
0.12
А
3
4
0.61
Б
0.13
В
1.34
На фиг. 4 представлен график определенных с помощью заявляемого изобретения (кривые А1, Б1, В1 и А2, Б2, В2, фиг. 4) и с помощью сертифицированного устройства спектрофотометра Perkin Elmer Lambda 950 (кривые А3, Б3, В3 фиг. 4) спектральных плотностей яркости  трех образцов (А, Б, В) в спектральном диапазоне 400-650 нм. При измерении в составе многоканального спектрометра использовался матричный приемник с 8-ю разными фильтрами Байера, в ход лучей поочередно включалось 2 оптических фильтра ЖЗС-18 и СС- 1 (кривые А1, Б1, В1), и матричный приемник с тремя разными фильтрами Байера, в ход лучей поочередно включалось 4 оптических фильтра ЖЗС-5, ЖЗС-18, СЗС-16 и СС-1 (кривая А2, Б2, В2). Усредненная по трем образцам относительная погрешность спектральной плотности яркости, определенной прибором, являющимся предметом изобретения, составляет 0.12% при k=8, n=2 и 0.7 % при k=3, n=4. Таким образом заявляемое изобретение позволяет получать гиперспектральные данные с повышенной спектральной разрешающей способностью при сохранении высокого пространственного разрешения.
Список литературы к заявке
Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью
1. Азимут Фотоникс. Гиперспектральные камеры. Портативные камеры. [Электронный ресурс]. URL: http://www.azimp.ru/catalogue/hyperspectral_cameras/41986/ (дата обращения: 05.04.2019).