[發明專利]基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統及方法

有效

• 申請號: 201310418430.0
• 申請日: 2013-09-13
• 公開（公告）號: CN103453993A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 孫志斌;俞文凱;代斌;劉雪峰;翟光杰;楊震;孟新
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: G01J3/447
• 分類號: G01J3/447
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;王敬波

技術領域

本發明涉及稀疏孔徑主動高光譜成像領域，特別涉及一種基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統及方法。

背景技術

20多年來，高光譜遙感已發展成一個頗具特色的前沿技術，并孕育形成了一門成像光譜學的新興學科門類。它的出現和發展將人們通過遙感技術觀測和認識事物的能力帶入了又一次飛躍，續寫和完善了光學遙感從全色經多光譜到高光譜的全部影像信息鏈。由于高光譜遙感影像提供了更為豐富的地球表面信息，因此受到國內外學者的很大關注，并有了快速發展。其應用領域已涵蓋地球科學的各個方面，在地質找礦和制圖、大氣和環境監測、農業和森林調查、海洋生物和物理研究等領域發揮著越來越重要的作用。

在航空高光譜技術取得成功的基礎上，2002年3月在我國載人航天計劃中發射的第三艘試驗飛船“神舟三號”中，搭載了一臺我國自行研制的中分辨率成像光譜儀。這是繼美國EOS計劃MODIS之后，幾乎與歐洲環境衛星（ENVISAT）上的MERIS同時進入地球軌道的同類儀器。它在可見光到熱紅外波長范圍（0.4-12.5μm）具有34個波段。2007年10月24日我國發射的“嫦娥-1”探月衛星上，成像光譜儀也作為一種主要載荷進入月球軌道。這是我國的第一臺基于傅里葉變換的航天干涉成像光譜儀，它具有光譜分辨率高的特點。高光譜遙感系統在我國的普遍應用，標志著我國的高光譜遙感已逐步走向成熟。

所謂高光譜成像技術是利用物體在不同波段響應不同的特點，對物體進行物質檢測、遙感監控、顯微成像的成像分析技術。光譜成像系統根據采集圖像的方式不同可分為：撣掃式、推掃式、凝采式3種。凝采式光譜成像系統多采用單色器或者電動可調濾波器實現光譜通道的切換，在切換過程中探測器采集相應光譜圖像。在提供照明光源的情況下，基于多個光學濾光片的光譜成像系統可以直接獲得每個光譜通道的響應信息，但使用確定波長的多個濾光片波長不能連續可調，使用液晶可調諧濾波器或聲光可調諧濾波器可實現波長連續可調，但價格昂貴。基于單色器的光譜成像系統輸出的單色光直接照射整個物體，使得分布在物體表面的光強很小，因此對光源的光強要求很高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的主動高光譜成像系統對光源的光強要求高、價格昂貴等缺陷，從而提供成本低、靈敏度高的主動高光譜成像系統及方法。

為了實現上述目的，本發明提供了一種基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，包括偏振光源發射單元20、擴束透鏡19、第四準直透鏡18、隨機光學調制單元17、稀疏孔徑單元、自由空間準直單元、光束反射單元、束斑合成單元13、第一透鏡14、偏振光分束器15、全反射鏡16、光擴束準直單元21、光譜分光單元22、會聚收光單元23、陣列光探測器24和壓縮計算關聯模塊25；其中，所述稀疏孔徑單元包括至少三個子望遠鏡透鏡，所述自由空間準直單元包括至少三個準直透鏡，所述光束反射單元包括至少三個反射鏡組；一子望遠鏡透鏡、一準直透鏡、一反射鏡組形成一條光路；

所述偏振光源發射單元20所發出的偏振光經擴束透鏡19擴束、第四準直透鏡18準直后照射到所述隨機光學調制單元17；所述隨機光學調制單元17加載隨時間變化的散斑以對偏振光進行隨機相位調制，調制后的偏振光經全反射鏡16反射到達所述偏振光分束器15，接著依次透過第一透鏡14、束斑合成單元13、光束反射單元、自由空間準直單元、稀疏孔徑單元傳播到待測物體上；待測物體反射所接收到的偏振光，反向傳播通過稀疏孔徑單元、自由空間準直單元、光束反射單元，到達所述束斑合成單元13，在所述束斑合成單元13上實現稀疏孔徑直接成像，然后通過第一透鏡14將稀疏孔徑直接成像映射到偏振光分束器15，所述偏振光分束器15將所接收到的光折射到所述光擴束準直單元21，經擴束準直后到達光譜分光單元22；所述光譜分光單元22將光譜分光后產生的不同波長的光場強度信號通過會聚收光透鏡單元23聚焦到線陣光探測器24，所述線陣光探測器24采集不同波長的光信號，獲取不同波長的測量數向量；所述隨機光學調制單元17和線陣光探測器24之間同步；計算出加載在所述隨機光學調制單元17上的隨時間變化的調制散斑光場傳播到物體表面上的光場分布，以得到最終測量矩陣，將所述最終測量矩陣與多個同步周期內測量得到的測量數向量傳輸到所述壓縮計算關聯模塊25，由該模塊通過壓縮感知計算關聯算法重構反射物體的高光譜圖像。