[發明專利]一種超光譜壓縮成像方法與系統

無效

• 申請號: 201110232916.6
• 申請日: 2011-08-15
• 公開（公告）號: CN102322954A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 陳宇恒;季軼群;周建康;陳新華;沈為民
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

技術領域

本發明涉及一種成像光譜技術，尤其涉及一種超光譜壓縮成像方法以及實現該方法的系統。

背景技術

超光譜成像技術可獲得所攝景物空間二維、光譜一維的三維數據立方體，自上世紀80年代誕生以來，已被廣泛應用于大氣監測、資源勘測、森林保護、醫學診察等領域。傳統超光譜成像儀需用狹縫限制視場范圍，入射光通量由狹縫寬度決定，而增大狹縫寬度會導致光譜成像儀的光譜分辨率降低。對于光強弱、散射強的目標物，無法在保證高分辨率的同時,獲取高信噪比圖像。推掃獲得的三維數據立方體數量龐大，給實時處理和對地傳輸帶來困難，數據量問題成為制約超光譜成像技術應用發展的一個重要因素。

為了克服超光譜成像以上缺陷對其應用發展帶來的桎梏，超光譜壓縮成像技術應運而生。現有技術中，報道的超光譜壓縮成像技術為基于單個非線性色散器件及固定編碼調制板的成像方法。該方法的實現原理為：前置系統將一定視場內的目標物成像到經光刻制備的編碼調制板上，實現入射光信號的強度調制；經調制的出射光經準直透鏡準直，投射到非線性色散器件（棱鏡)上實現色散；色散后的光信號經物鏡聚焦到探測器焦平面，焦平面采集到的是經空間調制和波長混疊后的二維圖像；依據系統的正向傳輸模型和特定算法，可由采集的二維圖像數據解算出拍攝目標物的三維數據立方體。該方法實現了超光譜壓縮成像，具有提高光通量和信噪比、較大程度的削減采集的數據量等優點。

然而，上述基于空間編碼調制的超光譜壓縮成像方法存在如下不足：

1.基于單個非線性色散器件的成像系統模型具非線性，依此構造保真度高的數據解算方法較為困難，通過采集的二維圖像數據恢復拍攝目標物三維數據立方體的精度有限。

2.采用的色散器件為棱鏡，對入射準直光進行色散后，出射光較入射光發生了一定角度的轉向，不僅給光路調試帶來困難，還引起成像系統垂直光軸方向的尺寸變大，不利于成像系統實現輕小化。

3.所選用編碼調制板的單元尺寸約為十微米甚至更低量級，受光刻等工藝的限制，按設計要求制備的編碼調制板的單元尺寸精度等性能難以與設計要求完全吻合，影響成像配準，降低系統成像質量。

4.由于光刻工藝的復雜性，編碼調制板的制備價格昂貴，單個編碼調制板一旦制備完畢，其編碼圖形的樣式和分辨率均不可變，無法通過單一硬件配置實現變分辨率多種編碼形式的空間光強度調制。

發明內容

本發明的發明目的是提供一種超光譜壓縮成像方法，以大幅減小數據量，同時克服現有技術的不足，使其實現裝置輕小化，增強系統的可擴展性。本發明的另一個目的是提供一種實現該超光譜壓縮成像方法的系統。

為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是：一種超光譜壓縮成像方法，包括下列步驟：對目標物成像、準直后進行第一次色散；對色散后的光信號聚焦并進行空間強度調制；對調制好的光信號再次聚焦并進行第二次色散；對第二次色散后的光信號聚焦并由探測器探測，由計算機采集，進行數據解算，恢復所攝目標物的三維數據立方體；其中，所述第一次色散和第二次色散為采用棱鏡-光柵-棱鏡器件實現的線性色散，且第一次色散和第二次色散的色散方向相反，所述空間強度調制采用空間光調制器實現。

優選的技術方案，所述第一次色散和第二次色散中，每次色散后出射的中心波長光線相對入射光線的偏向角為零。

上述技術方案中，采用的空間光調制器是一類能將信息加載于一維或兩維的光學數據場上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互連能力的器件。這類器件可在隨時間變化的電驅動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分布的振幅或強度、相位、偏振態以及波長。空間光調制器單元尺寸一般在數微米到數十微米的數量級，尺寸精準有保證，調制單元數量可達百萬量級，利于實現大規模微小尺寸單元的空間光振幅和相位調制。目前未見該類器件用于超光譜壓縮成像技術以實現空間編碼調制的報道。

棱鏡-光柵-棱鏡(Prism-Grating-Prism，PGP)器件是一類獨特的具有色散能力的光學器件，其最大特點是入射的準直光經其出射可實現色散，且中心波長光線以零偏向角出射，即做到“直進直出”。因此以此器件構成的分光成像系統仍屬同軸系統，可克服使用普通色散器件造成的離軸系統體積大、裝調困難、穩定性差等缺陷。目前未見以棱鏡-光柵-棱鏡器件作為壓縮超光譜成像色散器件的報道。