CN101285885A - 实现高光谱成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多光谱成像技术，具体地说是一种实现高光谱成像的方法。按照本发明提供的技术方案，所述实现高光谱成像的方法共有3种相近似的方案，通过物镜将被测目标成像于靶面位置，利用光阀类面阵成像元件对像素点光能量的控制作用，采用像素寻址扫描技术逐点打开(激活)指定的像素或像素群。从而将目标像的光能量逐点的送入光谱分析系统，由此进行逐点的像素光谱分析，并通过计算机图像处理技术将各点的光谱数据合成为包含二维空间图像与一维光谱信息的光谱成像三维信息集合。

Description

实现高光谱成像的方法

技术领域

本发明涉及一种多光谱成像技术，具体地说是一种实现高光谱成像的方法。

背景技术

多光谱成像技术作为一种面向资源调查、环境监测和伪装检查等领域的遥感测量新技术，在世界范围内尤其是发达国家正得到日益广泛的应用。

成像光学仪器获得物体的影像信息，光谱仪获得物质的连续光谱信息，这两类光学技术均已有数百年的发展史，但在上世纪五十年代前，它们基本上是属于独立发展的。

一种可以同时获得影像信息与像元的光谱信息的成像系统，于上世纪八十年代被科学家提出，这种多光谱成像系统在获得高空间分辨力影像的同时也获得高分辨率的光谱信息，极大提高了系统对目标的识别与分析能力。

随着光学成像技术、光谱分析技术、高分辨率高灵敏度图像传感器技术尤其是计算机海量数据处理能力的高度发展，多光谱成像技术逐步进入实用化阶段，并向高光谱分辨率及超高光谱分辨率方向发展，在遥感资源调查和军事侦察等领域受到高度的重视。

通常的高光谱以及超高光谱成像通过光谱分光元件在一个方向上将来自物镜的一维线阵图像展宽成规定分辨率的光谱信息，并采用面阵图像传感器件予以接收。见图1。通过推扫的方式扫描被测目标，将一维线阵图像信息扩展为二维空间图像，与图像的光谱信息一道形成包含二维空间图像与一维光谱信息的光谱成像三维信息集合。如图1所示：物镜将目标视场成像至狭缝处，通过狭缝限制推扫方向的视场宽度，使之形成一维空间图像。光谱仪将一维空间图像展宽成带有光谱信息维的二维图像，成像于面阵图像传感器上，形成由一维空间图像信息与一维光谱信息组成的二维信息集合。随着系统的推扫，一系列一维空间图像信息扫描出二维空间图像，从而形成加载着一维光谱信息和二维空间图像信息的三维信息集合。利用计算机图像重组技术，即可获得任意光谱区域的空间图象或任意像点的光谱分布信息。

推扫式光谱成像技术由于受到推扫行为模式的限制，通常只能适用于机载、星载等一些特定的场合，或者需要加装复杂的扫描机构才能用于固定机位状态下的多光谱成像测量。

发明内容

本发明的目的在于设计一种实现高光谱成像的方法，通过物镜将被测目标成像于靶面位置，利用光阀类面阵成像元件对像素点光能量的控制作用，采用像素寻址扫描技术逐点打开(激活)指定的像素或像素群。从而将目标像的光能量逐点的送入光谱分析系统，由此进行逐点的像素光谱分析，并通过计算机图像处理技术将各点的光谱数据合成为包含二维空间图像与一维光谱信息的光谱成像三维信息集合。

按照本发明提供的技术方案，所述实现高光谱成像的方法共有3种相近似的方案，第一种方案是：物镜将目标场景成像于数字微镜的靶面上；利用数字微镜独立控制各像素光线反射方向的功能，将数字微镜作为像点扫描器件；通过计算机控制对数字微镜的像素或像素集合进行寻址扫描，逐点激活所寻址的像素或像素群，使得物镜投射到数字微镜靶面上的光能逐点反射到光谱仪；其余像素接收到的光能被反射出光谱采集光路，落入暗阱被吸收；光谱仪将捕获的光能展宽成该点的一维光谱信息，利用线阵CCD器件(电荷耦合器)件接收并记录该点的光谱信息；随着计算机控制的数字微镜对空间图像逐点寻址扫描，整幅二维空间图像的光谱信息被线阵CCD器件捕获和记录，从而形成一个包含二维空间图像信息与一维光谱信息的三维信息集合；再利用计算机图像重组技术，获得任意光谱段的空间图像或任意像点的光谱分布。

第二种方案是：物镜将目标场景成像于反射式液晶的靶面上，利用反射式液晶作为像点扫描器件；在反射式液晶的前方安置偏振片；反射式液晶通过控制经像素反射后光线的偏振态，来实现对象素的通断控制；经过物镜的成像光束先通过偏振片的起偏作用，形成指定偏振方向的偏振光投射到反射式液晶的靶面上，反射后的光线随着象素点的控制状态不同而表现出不同的偏振状态；通过计算机控制对反射式液晶的像素或像素集合进行寻址扫描，被寻址激活的像素或像素群保持反射光的偏振态不变，使得物镜投射到反射式液晶靶面上的光能只有被寻址激活的像素点的反射光线可以通过偏振片的检偏进入到光谱仪；其余像素反射的光能则由于偏振态的改变被偏振片的检偏作用而吸收；光谱仪将捕获的光能展宽成该点的一维光谱信息，利用线阵CCD器件对该点的光谱信息接收并记录；随着计算机控制的反射式液晶对二维空间图像逐点寻址扫描，整幅二维空间图像的光谱信息被线阵CCD器件捕获和记录，从而形成包含二维图像信息与一维光谱信息的三维信息集合；再利用计算机图像重组技术获得任意光谱段的空间图像或任意像点的光谱分布。

第三种方案是：物镜将目标场景成像于透射式液晶的靶面上；在透射式液晶的前方加装作为起偏器的偏振片，以使入射到透射式液晶靶面上的成像光束转变为指定偏振方向的偏振光，在透射式液晶的后方加装作为检偏器的偏振片，依据偏振状态的不同对经透射式液晶出射的光束吸收或透过；透射式液晶与起偏器和检偏器一道，利用控制通过像素后光线的偏振态变化来实现对象素的通断控制；经过物镜的成像光束先通过起偏器起偏，以规定的偏振态入射到透射式液晶的靶面上，出射后的光线随着象素点的控制状态不同而表现出不同的偏振状态；通过计算机控制对透射式液晶的像素或像素集合进行寻址扫描，使得物镜投射到透射式液晶靶面上的光能只有寻址扫描激活像素点的光线保持恰当的偏振态，得以通过检偏器的检偏投射到光谱仪；其余像素出射的光能由于偏振态的不同则被检偏器吸收。光谱仪将捕获的光能展宽成该点的一维光谱信息，利用线阵CCD器件对该点的光谱信息接收并记录；随着计算机控制透射式液晶对二维空间图像逐点寻址扫描，整幅二维空间图像的光谱信息被线阵CCD器件捕获和记录，从而形成包含二维空间图像信息与一维光谱信息的三维信息集合；再利用计算机图像重组技术获得任意光谱段的空间图像或任意像点的光谱分布。

本发明的优点是：通过计算机控制光阀类器件像素点的通、断实现寻址扫描，在利用光谱仪产生像点光谱维信息的同时，以在X、Y两个空间维的逐点扫描获得二维空间图像信息，从而形成光谱成像的三维信息集合。避免了航拍推扫方式的限制，不必加装复杂的扫描系统，从而使系统的结构可靠性和稳定性有了较大程度的提高。系统的适用场合更加灵活，成本更低。方案二与方案三由于工作在偏振状态下，需要利用偏振片对入射光线起偏，光能损耗会较大。但对于存在水面、冰面等具有较强定向反射的场景，采用偏振光进行成像测量有助于减轻定向反射造成的干扰，获得品质更好的图像。

附图说明

图1是传统的光谱成像方法。

图2是利用DMD器件进行寻址扫描的光谱成像方法。

图3是利用LCOS器件进行寻址扫描的光谱成像方法。

图4是利用LCD器件进行寻址扫描的光谱成像方法。

具体实施方式

方案一如图2所示：物镜2将目标场景1成像于DMD(数字微镜3)器件的靶面上。利用DMD器件独立控制各像素光线反射方向的功能，将其作为像点扫描器件。通过计算机控制对DMD器件的像素或像素集合进行寻址扫描，逐点激活所寻址的像素或像素群，使得物镜2投射到DMD靶面上的光能逐点的反射到光谱仪5。其余像素接收到的光能则被反射出光谱采集光路4，落入暗阱被吸收。光谱仪5将捕获的光能展宽成该点的一维光谱信息，利用线阵CCD器件16对该点的光谱信息接收并记录。随着计算机控制的DMD器件对二维空间图像逐点的寻址扫描，整幅二维空间图像的光谱信息被线阵CCD器件16捕获和记录，从而形成一个包含二维空间图像信息与一维光谱信息的三维信息集合。利用计算机图像重组技术，获得任意光谱段的空间图像或任意像点的光谱分布。

方案二如图3所示：本方案采用LCOS(反射式液晶7)器件作为像点扫描器件，与方案一相似，物镜2将目标场景1成像于LCOS器件靶面上。所不同的是LCOS器件通过控制经像素反射后光线的偏振态而实现对象素的通断控制。因此在LCOS器件前方需安置偏振控制系统(偏振片6)，经过物镜2的成像光束要先通过偏振片6起偏，形成指定偏振方向的偏振光投射到LCOS器件靶面上，反射后的光线随着象素点的控制状态不同而表现出不同的偏振状态。通过计算机控制对LCOS器件像素或像素集合进行寻址扫描，被寻址激活的像素或像素群保持反射光的偏振态不变，使得物镜2投射到LCOS器件靶面上的光能只有被寻址激活的像素点的反射光线可以通过偏振片6的检偏进入到光谱仪5。其余像素反射的光能则由于偏振态的改变被偏振片6的检偏作用而吸收。与方案一相同，光谱仪5将捕获的光能展宽成该点的一维光谱信息，利用线阵CCD器件16对其接收并记录。随着计算机控制的LCOS器件对二维空间图像逐点的寻址扫描，整幅二维空间图像的光谱信息被捕获和记录，从而形成包含二维图像信息与一维光谱信息的三维信息集合。利用计算机图像重组技术即可获得任意光谱段的空间图像或任意像点的光谱分布。

方案三如图4所示：本方案采用LCD(透射式液晶8)器件作为像点扫描器件，由于采用了透射器件，光路布局与前两个方案略有不同。物镜2将目标场景1成像于LCD器件的靶面上。与LCOS器件相似，LCD器件也是利用控制通过像素后光线的偏振态来实现对象素的通断控制。因此LCD器件前后需要加装偏振控制系统(位于前方的起偏器9与位于后方的检偏器10)，经过物镜2的成像光束要先通过作为起偏器9的偏振片起偏，以使入射到LCD器件的靶面上的成像光束转变为指定偏振方向的偏振光，出射后的光线随着象素点的控制状态不同而表现出不同的偏振状态。通过计算机控制对LCD器件像素或像素集合进行寻址扫描，使得物镜2投射到LCD靶面上的光能只有通过寻址扫描激活像素点的光线保持恰当的偏振态，可以通过偏振片的检偏投射到光谱仪5。其余像素出射的光能由于偏振态的不同则被偏振片的检偏作用所吸收。光谱仪5同样将捕获的光能展宽成该点的一维光谱信息，利用线阵CCD器件16对该点的光谱信息接收并记录。随着计算机控制LCD器件对二维空间图像逐点的寻址扫描，整幅二维空间图像的光谱信息被线阵CCD器件16捕获和记录，从而形成包含二维图像信息与一维光谱信息的三维信息集合。利用计算机图像重组技术即可获得任意光谱段的空间图像或任意像点的光谱分布。

Claims (3)

1、一种实现高光谱成像的方法，其特征是：物镜(2)将目标场景(1)成像于数字微镜(3)的靶面上；利用数字微镜(3)独立控制各像素光线反射方向的功能，将数字微镜(3)作为像点扫描器件；通过计算机控制对数字微镜(3)的像素或像素集合进行寻址扫描，使得物镜(2)投射到数字微镜(3)靶面上的光能逐点反射到光谱仪(5)；其余像素接收到的光能被反射出光谱采集光路(4)，落入暗阱被吸收；光谱仪(5)将捕获的光能展宽成该点的一维光谱信息，利用线阵CCD器件(16)对接收并记录该点的光谱信息；随着计算机控制的数字微镜(3)对二维空间图像逐点寻址扫描，整幅二维空间图像的光谱信息被线阵CCD器件(16)捕获和记录，从而形成一个包含二维空间图像信息与一维光谱信息的三维信息集合；再利用计算机图像重组技术，获得任意光谱段的空间图像或任意像点的光谱分布。

2、一种实现高光谱成像的方法，其特征是：物镜(2)将目标场景(1)成像于反射式液晶(7)的靶面上，利用反射式液晶(7)作为像点扫描器件；在反射式液晶(7)的前方安置偏振片(6)；反射式液晶(7)通过控制经像素反射后光线的偏振态，来实现对象素的通断控制；经过物镜(2)的成像光束先通过偏振片(6)起偏，反射后的光线随着象素点的控制状态不同而表现出不同的偏振状态；通过计算机控制对反射式液晶(7)的像素或像素集合进行寻址扫描，使得物镜(2)投射到反射式液晶(7)靶面上的光能只有选定点的反射光线可以通过偏振片(6)的检偏进入到光谱仪(5)；其余像素反射的光能则被偏振片吸收；光谱仪(5)将捕获的光能展宽成该点的一维光谱信息，利用线阵CCD器件(16)对该点的光谱信息接收并记录；随着计算机控制的反射式液晶(7)对空间图像逐点寻址扫描，整幅二维空间图像的光谱信息被线阵CCD器件(16)捕获和记录，从而形成包含二维空间图像信息与一维光谱信息的三维信息集合；再利用计算机图像重组技术获得任意光谱段的空间图像或任意像点的光谱分布。

3、一种实现高光谱成像的方法，其特征是：物镜(2)将目标场景(1)成像于透射式液晶(8)的靶面上；在透射式液晶(8)的前方加装起偏器(9)，在透射式液晶(8)的后方加装检偏器(10)；透射式液晶(8)利用控制通过像素后光线的偏振态实现对象素的通断控制；经过物镜(2)的成像光束先通过起偏器(9)起偏，出射后的光线随着象素点的控制状态不同而表现出不同的偏振状态；通过计算机控制对透射式液晶(8)的像素或像素集合进行寻址扫描，使得物镜(2)投射到透射式液晶(8)靶面上的光能只有选定点的光线通过检偏器(10)的检偏投射到光谱仪(5)；其余像素出射的光能则被检偏器(10)吸收。光谱仪(5)将捕获的光能展宽成该点的一维光谱信息，利用线阵CCD器件(16)对该点的光谱信息接收并记录；随着计算机控制透射式液晶(8)对二维空间图像逐点寻址扫描，整幅二维空间图像的光谱信息被线阵CCD器件(16)捕获和记录，从而形成包含二维空间图像信息与一维光谱信息的三维信息集合；再利用计算机图像重组技术获得任意光谱段的空间图像或任意像点的光谱分布。

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