CN102155992A - 一种偏振-超光谱压缩成像方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振-超光谱压缩成像方法与系统，沿光线传递方向，依次设置有物镜、偏振调制器、准直镜、第一线形色散器件、第一凸透镜、空间调制掩模板、第二凸透镜、第二线形色散器件、透镜和探测器，所述物镜使目标成像于偏振调制器。成像方法包括下列步骤：将目标成像在偏振调制器上，出射光经准直后进行第一次色散，对色散后的光信号先进行空间调制，再进行第二次色散，最后投射到探测器上，由计算机采集，完成数据解算，恢复目标物的四维数据信息。本发明实现了偏振调制控制下一定视场的超光谱三维数据立方体瞬时压缩成像，探测器接收的数据量大幅降低，提高了系统的信噪比，尤其有利于光强弱、散射强的目标成像。

Description

一种偏振-超光谱压缩成像方法与系统

技术领域

本发明涉及一种成像光谱技术，尤其涉及一种结合偏振技术和超光谱压缩成像技术的方法，以及实现该方法的系统。

背景技术

上世纪80年代以来，超光谱成像技术被广泛应用于大气监测、资源勘测、森林保护、医学诊察等领域。传统超光谱成像仪需用狭缝限制视场范围，入射光通量由狭缝宽度决定，增大狭缝宽度由会使光谱成像仪的光谱分辨率降低。对于光强弱、散射强的景物，无法在保证高分辨率的同时,获取高信噪比图像。推扫获得的三维数据立方体数量庞大，给实时处理和对地传输带来困难，数据量问题成为制约超光谱成像技术应用发展的一个重要因素。

为克服超光谱成像以上缺点对其应用发展带来的桎梏，超光谱压缩成像技术应运而生，依其原理可分为两类：第一类是层析光谱成像方法。它利用层析混叠原理，将拍摄范围内所有光谱信息一次性投射到面阵探测器上，再利用计算机对探测器接收的数据进行解算，恢复超光谱数据立方体。此技术克服了传统光谱成像需要扫描的问题，在一定程度上减少了数据采集量,但需要大范围的二维焦平面阵列，存在数据缺失问题，无法提升成像信噪比。第二类是编码超光谱成像方法。它对光谱成像仪入射狭缝进行功能拓展，通过空间编码的调制作用，实现光谱信息与空间信息的混叠压缩，大幅降低超光谱成像的数据采集量，在不牺牲成像分辨率的前提下提高光谱成像信噪比。此类方法中，超光谱压缩成像性能的提高需以保真度高的数据解算方法为保证，之前报道的该类方法基于单个非线性的衍射器件（棱镜），受系统模型限制，数据解算的保真度有限。

综上可见，现有技术存在下列缺陷：(1)不能对大视场目标实现瞬时拍摄，推扫成像采集庞大的数据量对现有数据存储、传输能力带来巨大挑战。(2) 普通超光谱成像技术依赖狭缝限制视场，无法在保证高分辨率条件下获得较高的光通量乃至信噪比，对于光强弱、散射强的目标成像尤为困难，不适合于生物组织成像等的应用。(3) 目前的空间编码超光谱压缩成像方法依赖单个非线性色散元件,受模型限制,难以获得高保真的数据解算方法。

因此，一种能显著提高性能同时便于高保真的解算恢复数据立方体的超光谱压缩成像技术能实现大视场范围的瞬时拍摄，减少数据采集量，提高成像信噪比，在该领域具有研究的必要性和紧迫性。考虑此技术与偏振技术的融合，能有效获取拍摄目标偏振-光谱多维信息，具有实际应用价值。

发明内容

本发明的发明目的是克服传统超光谱成像技术,采集数据量过于庞大的不足，提供一种基于线性色散元件、空间调制掩模板及偏振元件等关键器件的偏振-超光谱压缩成像方法与系统。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种偏振-超光谱压缩成像方法，包括下列步骤：将目标成像在偏振调制器上，以一种偏振态出射，出射光经准直后进行第一次色散，对色散后的光信号先进行空间调制，再进行第二次色散，所述第一次色散和第二次色散绝对值相等,方向相反；最后通过透镜投射到探测器上，由计算机采集，完成数据解算，恢复目标物的四维数据信息，实现所述偏振-超光谱压缩成像。

上文中，对光信号进行的空间调制，是一种针对二维入射光依照不同空间位置进行的强度调制。所述数据解算是现有技术，归其实质，是在一定约束条件下求解欠定问题。

上述技术方案基于线性色散元件、空间调制掩模板及偏振元件等关键器件实现，将目标通过物镜成像于偏振调制器上，通过偏振调制的出射光经准直镜准直，投射到第一个线形色散器件上，完成首次色散。色散后的光信号通过透镜,聚焦到空间调制掩模板上,实现空间调制。调制后的光信号通过透镜,再投射到第二个线形色散器件上,完成二次色散。最终的光信号通过透镜到探测器上,由计算机采集，完成数据解算，恢复目标物的四维数据信息。偏振是目标的一种重要光学特性，蕴含目标本身各类丰富信息，如表面特性、形状、粗糙度等。超光谱成像获取目标空间两维及光谱一维共计三维的数据立方体,而偏振成像可表征目标偏振一维信息。偏振成像和超光谱成像相结合的偏振-超光谱成像技术，是两种成像技术的自然延伸和有机结合，能获得空间两维、光谱一维、偏振一维共计四维数据信息。上述技术方案提出了一种不经推扫可获得一定视场内偏振一维、空间二维、光谱一维共计的四维信息的偏振-超光谱压缩成像技术，具有采集数据量低、成像信噪比高等优点。

实现上述方法的一种偏振-超光谱压缩成像系统，沿光线传递方向，依次设置有物镜、偏振调制器、准直镜、第一线形色散器件、第一凸透镜、空间调制掩模板、第二凸透镜、第二线形色散器件、透镜和探测器，所述物镜使目标成像于偏振调制器。

上述技术方案中，所述偏振调制器的作用是实现偏振态的调制控制，普通偏振器如声光调制器即可满足要求；所述准直镜可选用普通透镜，用以准直入射的光信号并将其投射到第一线形色散器件上；所述线形色散器件用以在光信号的空间调制前后各实现一次线性色散，普通光栅或闪耀光栅可满足要求；所述空间调制掩模板对经偏振调制及首次色散后的光信号实现空间调制，是实现数据压缩及降维的关键。空间调制掩模板一般依据特定编码矩阵设计，通常可选用Hadamard编码矩阵或S编码矩阵等，可制备成透射型或反射型两种形式；所述探测器为面阵探测器，一般选自面阵CCD探测器或面阵CMOS探测器。

优选的技术方案，所述空间调制掩模板依据编码矩阵设计，所述编码矩阵选自Hadamard编码矩阵或S编码矩阵。

上述技术方案中，所述第一线形色散器件和第二线形色散器件相对于所述空间调制掩模板对称设置；所述第一凸透镜和第二凸透镜相对于所述空间调制掩模板对称设置。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明采用线性色散元件、空间调制掩模板和偏振元件等关键器件，实现偏振调制控制下一定视场的超光谱三维数据立方体瞬时压缩成像。采集数据中包含四维信息（偏振一维信息、空间二维信息、光谱一维信息），其中一维空间信息、一维光谱信息经过线形色散元件的色散效应和掩模板的空间调制作用实现混叠压缩，使探测器接收的数据量大幅降低。

2.本发明基于两个线性色散且对称放置的色散器件构建成像系统,使得数据压缩模型更为灵动，消除了非线性色散给建模乃至数据解算带来的困难，便于针对方法创建保真度高的数据解算方法。

3.本发明无需采用传统光谱成像仪用于限定视场的狭缝，增加了系统光通量，通过空间调制提高了系统的信噪比，尤其有利于光强弱、散射强的目标成像。

附图说明

图1是实施例一中的偏振-超光谱压缩成像系统示意图。

图2是实施例一中入射光信号经系统出射所经历的调制压缩示意图。

其中：1、目标物；2、物镜；3、偏振调制器；4、准直镜；5、第一线形色散器件；6、第一凸透镜；7、空间调制掩模板；8、第二凸透镜；9、第二线形色散器件；10、透镜；11、面阵探测器；12、目标四维数据“立方体”；13、经偏振调制的数据“立方体”；14、经首次色散的数据“立方体”；15、经空间调制的数据“立方体”；16、经二次色散的数据“立方体”；17、经调制压缩后待采集的二维数据。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1所示，一种偏振-超光谱压缩成像系统，沿光线传递方向，依次设置有物镜2、偏振调制器3、准直镜4、第一线形色散器件5、第一凸透镜6、空间调制掩模板7、第二凸透镜8、第二线形色散器件9、透镜10和面阵探测器11，所述物镜使目标成像于偏振调制器。

将偏振-超光谱压缩成像系统置于目标物1的正前方适当位置，完成成像前的调焦工作。目标物1内一定视场范围的物经由物镜2成像在偏振调制器3上。偏振调制器对入射光信号实施偏振调制，选择一定的偏振态出射（如e光或o光中的任一种），经过偏振调制的光信号经过准直透镜4准直，投射到第一个线性色散器件5上。线性色散器件对经偏振调制的入射光信号进行首次色散，完成色散的光信号经由透镜6，聚焦到空间调制掩模板7上。此例中，空间调制掩模板7选取了透射的形式，其上的编码矩阵将对入射的光信号实施空间调制。经空间编码调制的光信号经由透镜8，会聚到第二个线性色散器件9上。线性色散器件9对入射的光信号实现第二次色散，色散之后的光信号已完成空间一维信息和光谱一维信息的调制混叠。值得注意，相对空间调制掩模板7，两个线形色散器件5和8是对称放置的，同理，透镜6和8也是对称放置的。经偏振调制，两次色散和一次空间调制的光信号最后经由透镜10会聚到面阵探测器11上。面阵探测器11接收到的二维数据是经调制压缩即实现降维后的数据，经计算机采集及特定算法解算，可恢复得到拍摄视场范围内偏振一维、空间二维、光谱一维共计四维信息的数据“立方体”。

入射光信号经系统出射所经历的调制压缩示意图参见附图2所示。其中，12表示目标四维数据“立方体”；13表示经偏振调制的数据“立方体”；14表示经首次色散的数据“立方体”；15表示经空间调制的数据“立方体”；16表示经二次色散的数据“立方体”；17表示经调制压缩后待采集的二维数据。

此方法中，单次拍摄的视场尽管较传统超光谱成像术有显著提高，但仍是有限的。若目标物1的景物范围超出系统物方视场，为摄其全貌，每完成一次拍摄后，成像系统和目标物1之间需完成一定的相对位移，再进行一次的新拍摄，重复上述位移-拍摄过程，直至完成目标物1的全景拍摄即可。

Claims (4)

1. 一种偏振-超光谱压缩成像方法，其特征在于，包括下列步骤：将目标成像在偏振调制器上，以一种偏振态出射，出射光经准直后进行第一次色散，对色散后的光信号先进行空间调制，再进行第二次色散，所述第一次色散和第二次色散绝对值相等,方向相反；最后通过透镜投射到探测器上，由计算机采集，完成数据解算，恢复目标物的四维数据信息，实现所述偏振-超光谱压缩成像。

2. 一种偏振-超光谱压缩成像系统，其特征在于：沿光线传递方向，依次设置有物镜、偏振调制器、准直镜、第一线形色散器件、第一凸透镜、空间调制掩模板、第二凸透镜、第二线形色散器件、透镜和探测器，所述物镜使目标成像于偏振调制器。

3. 根据权利要求2所述的偏振-超光谱压缩成像系统，其特征在于：所述空间调制掩模板依据编码矩阵设计，所述编码矩阵选自Hadamard编码矩阵或S编码矩阵。

4. 根据权利要求2所述的偏振-超光谱压缩成像系统，其特征在于：所述第一线形色散器件和第二线形色散器件相对于所述空间调制掩模板对称设置；所述第一凸透镜和第二凸透镜相对于所述空间调制掩模板对称设置。

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