專利名稱：一種偏振-超光譜壓縮成像方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像光譜技術(shù)，尤其涉及一種結(jié)合偏振技術(shù)和超光譜壓縮成像技術(shù)的方法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
上世紀(jì)80年代以來(lái)，超光譜成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大氣監(jiān)測(cè)、資源勘測(cè)、森林保護(hù)、醫(yī)學(xué)診察等領(lǐng)域。傳統(tǒng)超光譜成像儀需用狹縫限制視場(chǎng)范圍，入射光通量由狹縫寬度決定，增大狹縫寬度由會(huì)使光譜成像儀的光譜分辨率降低。對(duì)于光強(qiáng)弱、散射強(qiáng)的景物，無(wú)法在保證高分辨率的同時(shí)，獲取高信噪比圖像。推掃獲得的三維數(shù)據(jù)立方體數(shù)量龐大，給實(shí)時(shí)處理和對(duì)地傳輸帶來(lái)困難，數(shù)據(jù)量問(wèn)題成為制約超光譜成像技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)重要因
ο為克服超光譜成像以上缺點(diǎn)對(duì)其應(yīng)用發(fā)展帶來(lái)的桎梏，超光譜壓縮成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，依其原理可分為兩類第一類是層析光譜成像方法。它利用層析混疊原理，將拍攝范圍內(nèi)所有光譜信息一次性投射到面陣探測(cè)器上，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)探測(cè)器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，恢復(fù)超光譜數(shù)據(jù)立方體。此技術(shù)克服了傳統(tǒng)光譜成像需要掃描的問(wèn)題，在一定程度上減少了數(shù)據(jù)采集量，但需要大范圍的二維焦平面陣列，存在數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，無(wú)法提升成像信噪比。第二類是編碼超光譜成像方法。它對(duì)光譜成像儀入射狹縫進(jìn)行功能拓展，通過(guò)空間編碼的調(diào)制作用，實(shí)現(xiàn)光譜信息與空間信息的混疊壓縮，大幅降低超光譜成像的數(shù)據(jù)采集量， 在不犧牲成像分辨率的前提下提高光譜成像信噪比。此類方法中，超光譜壓縮成像性能的提高需以保真度高的數(shù)據(jù)解算方法為保證，之前報(bào)道的該類方法基于單個(gè)非線性的衍射器件(棱鏡)，受系統(tǒng)模型限制，數(shù)據(jù)解算的保真度有限。綜上可見，現(xiàn)有技術(shù)存在下列缺陷(1)不能對(duì)大視場(chǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)拍攝，推掃成像采集龐大的數(shù)據(jù)量對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸能力帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。( 普通超光譜成像技術(shù)依賴狹縫限制視場(chǎng)，無(wú)法在保證高分辨率條件下獲得較高的光通量乃至信噪比，對(duì)于光強(qiáng)弱、散射強(qiáng)的目標(biāo)成像尤為困難，不適合于生物組織成像等的應(yīng)用。(3)目前的空間編碼超光譜壓縮成像方法依賴單個(gè)非線性色散元件，受模型限制，難以獲得高保真的數(shù)據(jù)解算方法。因此，一種能顯著提高性能同時(shí)便于高保真的解算恢復(fù)數(shù)據(jù)立方體的超光譜壓縮成像技術(shù)能實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)范圍的瞬時(shí)拍攝，減少數(shù)據(jù)采集量，提高成像信噪比，在該領(lǐng)域具有研究的必要性和緊迫性?？紤]此技術(shù)與偏振技術(shù)的融合，能有效獲取拍攝目標(biāo)偏振-光譜多維信息，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是克服傳統(tǒng)超光譜成像技術(shù)，采集數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大的不足，提供一種基于線性色散元件、空間調(diào)制掩模板及偏振元件等關(guān)鍵器件的偏振-超光譜壓縮成像方法與系統(tǒng)。
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為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種偏振-超光譜壓縮成像方法，包括下列步驟將目標(biāo)成像在偏振調(diào)制器上，以一種偏振態(tài)出射，出射光經(jīng)準(zhǔn)直后進(jìn)行第一次色散，對(duì)色散后的光信號(hào)先進(jìn)行空間調(diào)制，再進(jìn)行第二次色散，所述第一次色散和第二次色散絕對(duì)值相等，方向相反；最后通過(guò)透鏡投射到探測(cè)器上，由計(jì)算機(jī)采集，完成數(shù)據(jù)解算，恢復(fù)目標(biāo)物的四維數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)所述偏振-超光譜壓縮成像。上文中，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行的空間調(diào)制，是一種針對(duì)二維入射光依照不同空間位置進(jìn)行的強(qiáng)度調(diào)制。所述數(shù)據(jù)解算是現(xiàn)有技術(shù)，歸其實(shí)質(zhì)，是在一定約束條件下求解欠定問(wèn)題。上述技術(shù)方案基于線性色散元件、空間調(diào)制掩模板及偏振元件等關(guān)鍵器件實(shí)現(xiàn)， 將目標(biāo)通過(guò)物鏡成像于偏振調(diào)制器上，通過(guò)偏振調(diào)制的出射光經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，投射到第一個(gè)線形色散器件上，完成首次色散。色散后的光信號(hào)通過(guò)透鏡，聚焦到空間調(diào)制掩模板上， 實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制。調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)透鏡，再投射到第二個(gè)線形色散器件上，完成二次色散。最終的光信號(hào)通過(guò)透鏡到探測(cè)器上，由計(jì)算機(jī)采集，完成數(shù)據(jù)解算，恢復(fù)目標(biāo)物的四維數(shù)據(jù)信息。偏振是目標(biāo)的一種重要光學(xué)特性，蘊(yùn)含目標(biāo)本身各類豐富信息，如表面特性、形狀、粗糙度等。超光譜成像獲取目標(biāo)空間兩維及光譜一維共計(jì)三維的數(shù)據(jù)立方體，而偏振成像可表征目標(biāo)偏振一維信息。偏振成像和超光譜成像相結(jié)合的偏振-超光譜成像技術(shù)， 是兩種成像技術(shù)的自然延伸和有機(jī)結(jié)合，能獲得空間兩維、光譜一維、偏振一維共計(jì)四維數(shù)據(jù)信息。上述技術(shù)方案提出了一種不經(jīng)推掃可獲得一定視場(chǎng)內(nèi)偏振一維、空間二維、光譜一維共計(jì)的四維信息的偏振-超光譜壓縮成像技術(shù)，具有采集數(shù)據(jù)量低、成像信噪比高等優(yōu)點(diǎn)ο實(shí)現(xiàn)上述方法的一種偏振-超光譜壓縮成像系統(tǒng)，沿光線傳遞方向，依次設(shè)置有物鏡、偏振調(diào)制器、準(zhǔn)直鏡、第一線形色散器件、第一凸透鏡、空間調(diào)制掩模板、第二凸透鏡、 第二線形色散器件、透鏡和探測(cè)器，所述物鏡使目標(biāo)成像于偏振調(diào)制器。上述技術(shù)方案中，所述偏振調(diào)制器的作用是實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的調(diào)制控制，普通偏振器如聲光調(diào)制器即可滿足要求；所述準(zhǔn)直鏡可選用普通透鏡，用以準(zhǔn)直入射的光信號(hào)并將其投射到第一線形色散器件上；所述線形色散器件用以在光信號(hào)的空間調(diào)制前后各實(shí)現(xiàn)一次線性色散，普通光柵或閃耀光柵可滿足要求；所述空間調(diào)制掩模板對(duì)經(jīng)偏振調(diào)制及首次色散后的光信號(hào)實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮及降維的關(guān)鍵?？臻g調(diào)制掩模板一般依據(jù)特定編碼矩陣設(shè)計(jì)，通?？蛇x用Hadamard編碼矩陣或S編碼矩陣等，可制備成透射型或反射型兩種形式；所述探測(cè)器為面陣探測(cè)器，一般選自面陣CCD探測(cè)器或面陣CMOS探測(cè)器。優(yōu)選的技術(shù)方案，所述空間調(diào)制掩模板依據(jù)編碼矩陣設(shè)計(jì)，所述編碼矩陣選自 Hadamard編碼矩陣或S編碼矩陣。上述技術(shù)方案中，所述第一線形色散器件和第二線形色散器件相對(duì)于所述空間調(diào)制掩模板對(duì)稱設(shè)置；所述第一凸透鏡和第二凸透鏡相對(duì)于所述空間調(diào)制掩模板對(duì)稱設(shè)置。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明采用線性色散元件、空間調(diào)制掩模板和偏振元件等關(guān)鍵器件，實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制控制下一定視場(chǎng)的超光譜三維數(shù)據(jù)立方體瞬時(shí)壓縮成像。采集數(shù)據(jù)中包含四維信息(偏振一維信息、空間二維信息、光譜一維信息)，其中一維空間信息、一維光譜信息經(jīng)過(guò)線形色散元件的色散效應(yīng)和掩模板的空間調(diào)制作用實(shí)現(xiàn)混疊壓縮，使探測(cè)器接收的數(shù)據(jù)量大幅降低。
2.本發(fā)明基于兩個(gè)線性色散且對(duì)稱放置的色散器件構(gòu)建成像系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)壓縮模型更為靈動(dòng)，消除了非線性色散給建模乃至數(shù)據(jù)解算帶來(lái)的困難，便于針對(duì)方法創(chuàng)建保真度高的數(shù)據(jù)解算方法。3.本發(fā)明無(wú)需采用傳統(tǒng)光譜成像儀用于限定視場(chǎng)的狹縫，增加了系統(tǒng)光通量，通過(guò)空間調(diào)制提高了系統(tǒng)的信噪比，尤其有利于光強(qiáng)弱、散射強(qiáng)的目標(biāo)成像。


圖1是實(shí)施例一中的偏振-超光譜壓縮成像系統(tǒng)示意圖。圖2是實(shí)施例一中入射光信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)出射所經(jīng)歷的調(diào)制壓縮示意圖。其中1、目標(biāo)物；2、物鏡；3、偏振調(diào)制器；4、準(zhǔn)直鏡；5、第一線形色散器件；6、第一凸透鏡；7、空間調(diào)制掩模板；8、第二凸透鏡；9、第二線形色散器件；10、透鏡；11、面陣探測(cè)器；12、目標(biāo)四維數(shù)據(jù)“立方體”；13、經(jīng)偏振調(diào)制的數(shù)據(jù)“立方體”；14、經(jīng)首次色散的數(shù)據(jù) “立方體”；15、經(jīng)空間調(diào)制的數(shù)據(jù)“立方體”；16、經(jīng)二次色散的數(shù)據(jù)“立方體”；17、經(jīng)調(diào)制壓縮后待采集的二維數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
實(shí)施例一參見圖1所示，一種偏振-超光譜壓縮成像系統(tǒng)，沿光線傳遞方向，依次設(shè)置有物鏡2、偏振調(diào)制器3、準(zhǔn)直鏡4、第一線形色散器件5、第一凸透鏡6、空間調(diào)制掩模板7、 第二凸透鏡8、第二線形色散器件9、透鏡10和面陣探測(cè)器11，所述物鏡使目標(biāo)成像于偏振調(diào)制器。將偏振-超光譜壓縮成像系統(tǒng)置于目標(biāo)物1的正前方適當(dāng)位置，完成成像前的調(diào)焦工作。目標(biāo)物1內(nèi)一定視場(chǎng)范圍的物經(jīng)由物鏡2成像在偏振調(diào)制器3上。偏振調(diào)制器對(duì)入射光信號(hào)實(shí)施偏振調(diào)制，選擇一定的偏振態(tài)出射(如e光或ο光中的任一種)，經(jīng)過(guò)偏振調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡4準(zhǔn)直，投射到第一個(gè)線性色散器件5上。線性色散器件對(duì)經(jīng)偏振調(diào)制的入射光信號(hào)進(jìn)行首次色散，完成色散的光信號(hào)經(jīng)由透鏡6，聚焦到空間調(diào)制掩模板 7上。此例中，空間調(diào)制掩模板7選取了透射的形式，其上的編碼矩陣將對(duì)入射的光信號(hào)實(shí)施空間調(diào)制。經(jīng)空間編碼調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)由透鏡8，會(huì)聚到第二個(gè)線性色散器件9上。線性色散器件9對(duì)入射的光信號(hào)實(shí)現(xiàn)第二次色散，色散之后的光信號(hào)已完成空間一維信息和光譜一維信息的調(diào)制混疊。值得注意，相對(duì)空間調(diào)制掩模板7，兩個(gè)線形色散器件5和8是對(duì)稱放置的，同理，透鏡6和8也是對(duì)稱放置的。經(jīng)偏振調(diào)制，兩次色散和一次空間調(diào)制的光信號(hào)最后經(jīng)由透鏡10會(huì)聚到面陣探測(cè)器11上。面陣探測(cè)器11接收到的二維數(shù)據(jù)是經(jīng)調(diào)制壓縮即實(shí)現(xiàn)降維后的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)采集及特定算法解算，可恢復(fù)得到拍攝視場(chǎng)范圍內(nèi)偏振一維、空間二維、光譜一維共計(jì)四維信息的數(shù)據(jù)“立方體”。入射光信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)出射所經(jīng)歷的調(diào)制壓縮示意圖參見附圖2所示。其中，12表示目標(biāo)四維數(shù)據(jù)“立方體”；13表示經(jīng)偏振調(diào)制的數(shù)據(jù)“立方體”；14表示經(jīng)首次色散的數(shù)據(jù) “立方體”；15表示經(jīng)空間調(diào)制的數(shù)據(jù)“立方體”；16表示經(jīng)二次色散的數(shù)據(jù)“立方體”；17表示經(jīng)調(diào)制壓縮后待采集的二維數(shù)據(jù)。此方法中，單次拍攝的視場(chǎng)盡管較傳統(tǒng)超光譜成像術(shù)有顯著提高，但仍是有限的。若目標(biāo)物1的景物范圍超出系統(tǒng)物方視場(chǎng)，為攝其全貌，每完成一次拍攝后，成像系統(tǒng)和目標(biāo)物1之間需完成一定的相對(duì)位移，再進(jìn)行一次的新拍攝，重復(fù)上述位移-拍攝過(guò)程，直至完成目標(biāo)物1的全景拍攝即可。
權(quán)利要求
1.一種偏振-超光譜壓縮成像方法，其特征在于，包括下列步驟將目標(biāo)成像在偏振調(diào)制器上，以一種偏振態(tài)出射，出射光經(jīng)準(zhǔn)直后進(jìn)行第一次色散，對(duì)色散后的光信號(hào)先進(jìn)行空間調(diào)制，再進(jìn)行第二次色散，所述第一次色散和第二次色散絕對(duì)值相等，方向相反；最后通過(guò)透鏡投射到探測(cè)器上，由計(jì)算機(jī)采集，完成數(shù)據(jù)解算，恢復(fù)目標(biāo)物的四維數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)所述偏振-超光譜壓縮成像。
2.一種偏振-超光譜壓縮成像系統(tǒng)，其特征在于沿光線傳遞方向，依次設(shè)置有物鏡、 偏振調(diào)制器、準(zhǔn)直鏡、第一線形色散器件、第一凸透鏡、空間調(diào)制掩模板、第二凸透鏡、第二線形色散器件、透鏡和探測(cè)器，所述物鏡使目標(biāo)成像于偏振調(diào)制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏振-超光譜壓縮成像系統(tǒng)，其特征在于所述空間調(diào)制掩模板依據(jù)編碼矩陣設(shè)計(jì)，所述編碼矩陣選自Hadamard編碼矩陣或S編碼矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏振-超光譜壓縮成像系統(tǒng)，其特征在于所述第一線形色散器件和第二線形色散器件相對(duì)于所述空間調(diào)制掩模板對(duì)稱設(shè)置；所述第一凸透鏡和第二凸透鏡相對(duì)于所述空間調(diào)制掩模板對(duì)稱設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏振-超光譜壓縮成像方法與系統(tǒng)，沿光線傳遞方向，依次設(shè)置有物鏡、偏振調(diào)制器、準(zhǔn)直鏡、第一線形色散器件、第一凸透鏡、空間調(diào)制掩模板、第二凸透鏡、第二線形色散器件、透鏡和探測(cè)器，所述物鏡使目標(biāo)成像于偏振調(diào)制器。成像方法包括下列步驟將目標(biāo)成像在偏振調(diào)制器上，出射光經(jīng)準(zhǔn)直后進(jìn)行第一次色散，對(duì)色散后的光信號(hào)先進(jìn)行空間調(diào)制，再進(jìn)行第二次色散，最后投射到探測(cè)器上，由計(jì)算機(jī)采集，完成數(shù)據(jù)解算，恢復(fù)目標(biāo)物的四維數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了偏振調(diào)制控制下一定視場(chǎng)的超光譜三維數(shù)據(jù)立方體瞬時(shí)壓縮成像，探測(cè)器接收的數(shù)據(jù)量大幅降低，提高了系統(tǒng)的信噪比，尤其有利于光強(qiáng)弱、散射強(qiáng)的目標(biāo)成像。
文檔編號(hào)G01J3/447GK102155992SQ20111008383
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者周建康, 季軼群, 沈?yàn)槊? 陳宇恒, 陳新華 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)