[發明專利]基于互補壓縮編碼的雙通道可調諧高光譜成像儀和方法

在審

• 申請號: 202011590415.0
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112665720A
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 許廷發;張宇寒;秦慶旺;王茜;余江華
• 申請（專利權）人: 北京理工大學重慶創新中心
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/28;G02B13/00;G02B13/02;G02F1/13
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 封浪

本發明公開了一種基于互補壓縮編碼的雙通道可調諧高光譜成像儀和方法。成像儀包括成像系統、反射式空間光調制器、第一成像光路、第二成像光路和計算控制中心。場景信息在計算控制中心的協調下，經反射式空間光調制器以互補的方式空間編碼，經第一成像光路和第二成像光路分別對信號進行光譜濾波、成像；計算控制中心根據第一成像光路得到的圖像和第二成像光路得到的圖像重構出高光譜圖像。本發明利用反射式空間光調制器的編碼特性，對兩條光路同時進行互補編碼，提高了對場景信息的光能利用率，提高了編碼效率，并且，允許任選兩個光譜通帶的LCTF裝配到成像儀，對于濾光過程，可在兩路成像光路各選一個感興趣波段進行觀測。

技術領域

本發明涉及高光譜成像技術領域，尤其是一種空間可壓縮編碼的液晶可調諧的高光譜成像裝置，以及一種對應的高光譜成像方法。

背景技術

高光譜成像技術是一種將成像技術與高光譜技術相結合的技術，它通過探測目標的空間信息和光譜信息，獲取其高空間、高光譜分辨率的影像數據。目前，該技術已被廣泛地運用于安防監測、地理地質研究、食品安全檢測、醫學研究等領域。傳統的高光譜成像技術存在很難同時獲取高分辨率空間和光譜信息的固有缺陷，以及很難獲取寬光譜波段的信息技術難題。

液晶可調諧濾光器(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)是一種通過改變外加控制電壓以調節濾光器內部不同液晶片的中心波長，經過適當的組合后，輸出中心波長、帶寬一定的窄帶光譜信號的器件。LCTF因其實時性好、通光孔徑大、中心波長調諧精確等特性，被廣泛的應用于光譜探測等相關領域。但受限于液晶材料的特性和LCTF的現有結構，無法實現單一器件對多個光譜波段信息的同時獲取；LCTF的濾光帶寬越窄，其光能利用率就越低，要想獲取高光譜分辨率影像的同時兼得高空間分辨率，就對成像光路的光能利用方法提出了更高的要求。

數字微反射鏡(Digital Micromirror Device，DMD)一種由多個高速數字式光反射開光組成的陣列，每一個光開光又由鍍膜反射鏡和獨立的控制電路組成。它是一種典型的反射式空間光調制器。當物體成像于DMD器件上時，其根據控制信號加以高速翻轉，改變光路的傳播方向，完成對場景信息的空間調制。它可以根據反射鏡上的鍍膜種類變化，對寬光譜波段的場景信息加以調制。

壓縮感知技術是一種能利用少量觀測數據恢復原始信號的技術。它利用圖像的稀疏表示和非相干采樣，可以以低于Shannon采樣定理的采樣量重構出原始信號，突破成像器件分辨率對最終成像分辨率的限制。這一技術的出現改變了傳統成像儀在獲取大量信息的過程中要經歷采集-壓縮-傳輸的必要過程，變為直接采集壓縮數據然后完成傳輸，從理論上具備了實現實時采集傳輸的可能性。壓縮感知技術在國內外都已成功的運用于高光譜成像技術，比較具有代表性的有美國特拉華大學研發的編碼孔徑快照式光譜成像儀(CodedAperture Snapshot Spectral Imager,CASSI)、本古里安大學研發的微型超光譜成像系統(Miniature Ultra-Spectral Imaging，MUSI),清華大學研發的空間光譜編碼壓縮高光譜成像儀(Spatial-Spectral Encoded Compressive Hyperspectral Imager，SSCSI)，北京理工大學研發的編碼孔徑可調諧濾波器(CodedAperture Tunable Filter，CATF)光譜成像系統。目前現有的基于壓縮感知原理高光譜成像儀仍然存在以下問題：

1.現有的壓縮光譜成像系統的光譜波段范圍相對較窄。可選的波段范圍受限于單一分光器件的性能，如棱鏡、固定濾波片等；

2.以棱鏡為分光元件的壓縮感知光譜成像系統，需要對不同光譜波段的圖像在探測器上的像素錯位做準確計算，才能準確地恢復高光譜圖像；在一次的場景信息的重建過程中，必須對全部光譜波段的信息進行提取，不能對感興趣的光譜波段的信息有效提取；

3.以固定編碼模板為編碼器件的壓縮光譜成像系統，僅能以有限的固定編碼模式對場景進行編碼，不具備利用場景信息特征的潛力；