CN103453993A - 基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，包括偏振光源发射单元、扩束透镜、第四准直透镜、随机光学调制单元、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元、第一透镜、偏振光分束器、全反射镜、光扩束准直单元、光谱分光单元、会聚收光单元、阵列光探测器和压缩计算关联模块；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路。

Description

基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统及方法

技术领域

本发明涉及稀疏孔径主动高光谱成像领域，特别涉及一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统及方法。

背景技术

20多年来，高光谱遥感已发展成一个颇具特色的前沿技术，并孕育形成了一门成像光谱学的新兴学科门类。它的出现和发展将人们通过遥感技术观测和认识事物的能力带入了又一次飞跃，续写和完善了光学遥感从全色经多光谱到高光谱的全部影像信息链。由于高光谱遥感影像提供了更为丰富的地球表面信息，因此受到国内外学者的很大关注，并有了快速发展。其应用领域已涵盖地球科学的各个方面，在地质找矿和制图、大气和环境监测、农业和森林调查、海洋生物和物理研究等领域发挥着越来越重要的作用。

在航空高光谱技术取得成功的基础上，2002年3月在我国载人航天计划中发射的第三艘试验飞船“神舟三号”中，搭载了一台我国自行研制的中分辨率成像光谱仪。这是继美国EOS计划MODIS之后，几乎与欧洲环境卫星（ENVISAT）上的MERIS同时进入地球轨道的同类仪器。它在可见光到热红外波长范围（0.4-12.5μm）具有34个波段。2007年10月24日我国发射的“嫦娥-1”探月卫星上，成像光谱仪也作为一种主要载荷进入月球轨道。这是我国的第一台基于傅里叶变换的航天干涉成像光谱仪，它具有光谱分辨率高的特点。高光谱遥感系统在我国的普遍应用，标志着我国的高光谱遥感已逐步走向成熟。

所谓高光谱成像技术是利用物体在不同波段响应不同的特点，对物体进行物质检测、遥感监控、显微成像的成像分析技术。光谱成像系统根据采集图像的方式不同可分为：掸扫式、推扫式、凝采式3种。凝采式光谱成像系统多采用单色器或者电动可调滤波器实现光谱通道的切换，在切换过程中探测器采集相应光谱图像。在提供照明光源的情况下，基于多个光学滤光片的光谱成像系统可以直接获得每个光谱通道的响应信息，但使用确定波长的多个滤光片波长不能连续可调，使用液晶可调谐滤波器或声光可调谐滤波器可实现波长连续可调，但价格昂贵。基于单色器的光谱成像系统输出的单色光直接照射整个物体，使得分布在物体表面的光强很小，因此对光源的光强要求很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的主动高光谱成像系统对光源的光强要求高、价格昂贵等缺陷，从而提供成本低、灵敏度高的主动高光谱成像系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，包括偏振光源发射单元20、扩束透镜19、第四准直透镜18、随机光学调制单元17、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元13、第一透镜14、偏振光分束器15、全反射镜16、光扩束准直单元21、光谱分光单元22、会聚收光单元23、阵列光探测器24和压缩计算关联模块25；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路；

所述偏振光源发射单元20所发出的偏振光经扩束透镜19扩束、第四准直透镜18准直后照射到所述随机光学调制单元17；所述随机光学调制单元17加载随时间变化的散斑以对偏振光进行随机相位调制，调制后的偏振光经全反射镜16反射到达所述偏振光分束器15，接着依次透过第一透镜14、束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元、稀疏孔径单元传播到待测物体上；待测物体反射所接收到的偏振光，反向传播通过稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元，到达所述束斑合成单元13，在所述束斑合成单元13上实现稀疏孔径直接成像，然后通过第一透镜14将稀疏孔径直接成像映射到偏振光分束器15，所述偏振光分束器15将所接收到的光折射到所述光扩束准直单元21，经扩束准直后到达光谱分光单元22；所述光谱分光单元22将光谱分光后产生的不同波长的光场强度信号通过会聚收光透镜单元23聚焦到线阵光探测器24，所述线阵光探测器24采集不同波长的光信号，获取不同波长的测量数向量；所述随机光学调制单元17和线阵光探测器24之间同步；计算出加载在所述随机光学调制单元17上的随时间变化的调制散斑光场传播到物体表面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，将所述最终测量矩阵与多个同步周期内测量得到的测量数向量传输到所述压缩计算关联模块25，由该模块通过压缩感知计算关联算法重构反射物体的高光谱图像。

上述技术方案中，所述稀疏孔径单元包括第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3；所述自由空间准直单元包括第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜6；所述光束反射单元包括由第一反射镜7、第二反射镜8组成的第一反射镜组，由第三反射镜9、第四反射镜10组成的第二反射镜组，由第五反射镜11、第六反射镜12组成的第三反射镜组；

所述第一子望远镜透镜1、第一准直透镜4、第一反射镜组形成第一光路，所述第二子望远镜透镜2、第二准直透镜5、第二反射镜组形成第二光路，所述第三子望远镜透镜3、第三准直透镜6、第三反射镜组形成第三光路。

上述技术方案中，所述稀疏孔径单元中的各个子望远镜透镜的空间组合方式包括：小孔径望远镜阵列或Golay-6或Golay-9或环形或环面或三壁。

上述技术方案中，所述空间准直单元中的各个准直透镜的空间组合方式包括：准直透镜阵列组或反射式准直镜。

上述技术方案中，所述偏振光分束器15包括起偏器、检偏器、四分之一玻片和偏振棱镜，用于对单色光或连续谱光源实现单方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；实现紫外光、可见光、近红外和红外光波段的偏振光的分束功能。

上述技术方案中，所述随机光学调制单元17用于实现相位调制，以模拟出负指数分布的散斑光场；所述随机光学调制单元17采用包括毛玻璃、液晶光阀在内的空间光调制器实现。

上述技术方案中，所述偏振光源发射单元20采用紫外或可见光或近红外或红外光波段的偏振光源。

上述技术方案中，所述光谱分光单元22用于实现对反射光的分光，其在空间上将不同波长图像光信号分开；所述光谱分光单元22采用包括反射光栅、透射光栅、棱镜分光在内的部件实现。

上述技术方案中，所述线阵光探测器24具有多个通道，不同通道采集不同波长的入射光信号，从而实现对紫外、可见光、近红外、红外波段中不同波长光信号的探测。

上述技术方案中，所述线阵光探测器24采用紫外、可见光、近红外、红外线阵光电探测器或线阵单光子探测器实现；其中，线阵单光子探测器采用紫外、可见光、近红外、红外雪崩二极管或固态光电倍增管或超导单光子探测器实现；当配置线阵单光子探测器时需要在其后连接相应的多通道计数器，以计量线阵各通道光子脉冲个数。

上述技术方案中，所述压缩计算关联模块25采用下列任意一种算法实现压缩感知：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法；其中的稀疏基采用离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、梯度基、gabor变换基中的任意一种。

本发明还提供了基于所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统所实现的主动高光谱成像方法，包括：

步骤1）、稀疏孔径压缩计算关联的相位调制的步骤；

所述偏振光源发射单元20发出的偏振光经过扩束准直后入射到所述随机光学调制单元17，然后依次通过全反射镜16、偏振光分束器15、第一透镜14、束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元、稀疏孔径单元，将随机光学调制单元17上的散斑投影到待测物体上，发射到成像物体；其中，随机光学调制单元17通过加载随时间变化的散斑对偏振光源发射光进行相位调制；

步骤2）、压缩采样的步骤；

所述线阵光探测器24在所述随机光学调制单元17每次翻转的时间间隔内同时采样不同波长会聚后的光信号，并将采集的数值作为对应不同波长的测量值向量y₁,y₂,...,y_t(t＞1)；

步骤3）、计算关联成像中自由空间光场传播的计算步骤；

通过惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出所述随机光学调制单元17上的调制散斑光场通过自由空间光场传播到物体面上的光场分布，将计算结果作为最终的测量矩阵A；

步骤4）、信号重建的步骤；

所述测量矩阵A与每个通道测量值向量y_i(1＜i＜t)一起作为压缩计算关联模块25的输入，选取合适的稀疏基使得稀疏孔径成像x能由最少量的系数表示，通过压缩感知算法进行数据演算，重建出对应该通道波长的二维图像，t个通道的值分别进行计算，将得到对应t个波长的二维图像，将多波长各自的光强分布整合到一起，最终实现基于稀疏孔径压缩计算关联的高光谱成像。

上述技术方案中，还包括根据高光谱成像绘制出光强与波长的光谱曲线，研究被测对象的光谱强度分布情况。

上述技术方案中，所述压缩计算关联模块25中所采用的压缩计算关联算法的核心为压缩感知最优化算法，在目标函数上结合了关联成像的成像约束条件，将压缩感知最优化算法的关键目标函数修改为：

其中A为经惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出的测量矩阵，Ψ为n×n稀疏基，一般Ψ为正交矩阵，x′＝Ψ^-1x，x为原始物体图像矩阵经拉伸后的列向量，τ和ζ都为常系数，||·||_p代表l_p范数，<·>表示加和平均，a_i为空间光调制器上第i(1≤i≤m)次调制时计算所得的p×q自由光场传播光场分布矩阵，共计调制m次，a′_i为a_i经拉伸后的列向量，A实际为m个(a′_i)^T组成的m×n矩阵，A^Ty为m×1列向量。

本发明的优点在于：

本发明采用了数学研究的最新成果—压缩感知（Compressive Sensing，简称CS）理论，结合计算关联理论和稀疏孔径直接成像方法，基于现代高光谱分光技术和线阵光探测器件，无需扫描，仅以线阵光探测器完成采样工作，线阵光探测器上的每个通道都以点探测完成面的成像，节约了探测维度，也减少了光学噪声和电学噪声，用空间光调制器进行相位调制，可以模拟出负指数分布的光场。另外，该方法将散斑投影到待测物体上，通过计算物面上的散斑光场分布，省略了关联成像中具有空间分辨能力的参考臂面阵探测器，并且采用压缩采样，最后利用压缩计算关联算法实时重建出高空间分辨率的主动高光谱成像，突破主动高光谱成像的传统技术瓶颈。同时该项技术也可以广泛应用在空间行星表面探测，对地实时观测光谱成像等高新技术领域。

附图说明

图1是在一个实施例中本发明的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统的结构示意图。

图面说明

1   第一子望远镜透镜   2   第二子望远镜透镜

3   第三子望远镜透镜   4   第一准直透镜

5   第二准直透镜       6   第三准直透镜

7   第一反射镜         8   第二反射镜

9   第三反射镜         10  第四反射镜

11  第五反射镜         12  第六反射镜

13  束斑合成单元       14  第一透镜

15  偏振光分束器       16  全反射镜

17  随机光学调制单元   18  第四准直透镜

19  扩束透镜           20  偏振光源发射单元

21  光扩束准直单元     22  光谱分光单元

23  会聚收光透镜       24  线阵光探测器

25  压缩计算关联模块

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

在对本发明做详细说明之前，首先对本发明中所涉及的概念进行介绍。

关联成像，或者称为鬼成像(Ghost Imaging，GI)，是指可以在不包含物体的光路上生成物体的像，是近些年来量子光学领域的前沿和热点之一。鬼成像的概念首先是用由参量下转换产生空间纠缠光子对来验证的。普通鬼成像，在物臂，放置有物体，但用一个没有空间分辨能力的桶（单像素）探测器进行探测，在参考臂，没有物体，但在与物体相同光程处用一个具有空间分辨能力的探测器探测变化的光场信息，通过两臂探测信号的关联，便可得到图像。最新研究表明，鬼成像的光源不但可以是纠缠光源，还可以是热光或者赝热光，因而产生了量子解释和经典解释，为开拓新的光信息技术提供了可能。而计算关联成像是一种改进的关联成像技术，它不再需要具有空间分辨能力的探测器，相反，它可以通过变化的入射光场与反射（或投射）过来的总光强作强度关联获得物体的空间分布信息。计算关联成像采用了可编程的空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）和一个激光器，且在光路上也类似于压缩感知中单像素照相机，都是事先已知测量矩阵和测量值，只是采用不同的算法反演出图像，计算关联成像采用的是强度二阶关联的算法，加权平均，而单像素照相机采用了基于凸优化的算法，迭代收敛。

压缩感知（Compressive Sensing，简称CS）原理：能以随机采样的方式、通过更少的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）完美地恢复原始信号。压缩感知原理的基本步骤包括：首先利用先验知识，选取合适的稀疏基Ψ，使得点扩散函数x经Ψ变换后得到x’是最为稀疏的；在已知测量值向量y、测量矩阵A和稀疏基Ψ的条件下，建立起数学模型y＝AΨx'+e，通过压缩感知算法进行凸优化，得到x’后，再由

反演出x。

稀疏孔径成像系统：稀疏孔径成像系统一般由多个形状相同的子孔径构成，稀疏孔径成像系统的光瞳函数可以根据列阵定理求得。列阵定理表明：如果一个衍射屏上开有N个形状完全相同的孔径，这些孔径的取向完全相同，等效于每一个孔径可由任何其他孔径通过平移得到。因此，对于一个直径为D的圆孔，其点扩散函数（系统对理想物点的成像斑的能量分布的数学描述，可用于评价系统的分辨率）为：

${\mathrm{PSF}}_{\mathrm{sub}}\left(\mathrm{\&rho;}\right)={\left(\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^2}{4\mathrm{\&lambda;F}}\right)}^2{\left(\frac{2J_1\left(\frac{\mathrm{\&pi;\&rho;D}}{\mathrm{\&lambda;f}}\right)}{\frac{\mathrm{\&pi;\&rho;D}}{\mathrm{\&lambda;f}}}\right)}^2$

式中(x_i,y_i)是第i个子孔径圆心的坐标。D为圆孔直径，λ是系统采用波长，f为系统焦距，N为子孔径的个数，J₁为1阶贝塞尔函数，ρ是频率平面内任意矢量的半径。

对于单个子孔径，光学调制传递函数（成像系统对目标所成的实际像的频谱与理想频谱的比值）为：

${\mathrm{MTF}}_{\mathrm{sub}}\left(\mathrm{\&rho;}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}[\arccos \left({\mathrm{\&rho;}}_n\right)-{\mathrm{\&rho;}}_n{(1-{\mathrm{\&rho;}}_n^2)}^{1/2}],0\&le;{\mathrm{\&rho;}}_n\&le;1\\ 0,{\mathrm{\&rho;}}_n>1\end{array}\right.$

式中ρ_n＝ρ/ρ_c，ρ是频率平面内任意矢量的半径；ρ_c＝D/λf是截止频率。

稀疏孔径系统由多个子孔径的排列组成，整个入瞳的透过率可以由单孔径的透过率和一个δ函数的二维阵列的卷积得到，可以推导出稀疏孔径成像系统的点扩散函数和光学调制传递函数分别为：

${\mathrm{PSF}}_N(x,y)={\mathrm{PSF}}_{\mathrm{sub}}{\left|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\exp ((-2\mathrm{\&pi;i}/\mathrm{\&lambda;f})\&CenterDot;({\mathrm{xx}}_i+{\mathrm{yy}}_i))\right|}^2$

${\mathrm{MTF}}_N(f_x,f_y)=\frac{{\mathrm{MTF}}_{\mathrm{sub}}}{N}*\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&delta;}(f_x-\frac{x_i-x_j}{\mathrm{\&lambda;f}},f_y-\frac{y_i-y_j}{\mathrm{\&lambda;f}})$

式中(x_i-x_j),(y_i-y_j),表示子孔径之间的相对位置，PSF_sub和MTF_sub分别是单个子孔径的点扩散函数和调制传递函数，f为系统焦距，N为子孔径的个数，λ是系统采用波长。

因此，子孔径在入瞳平面上排列形式对系统MTF有着重要的影响，通过调整子孔径的排列方式就可以改变系统MTF的分布。

以上都是对稀疏孔径成像公式的理论分析，以下将结合压缩计算关联成像原理具体描述本发明的成像系统。

参考图1，本发明的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统包括：偏振光源发射单元20、扩束透镜19、第四准直透镜18、随机光学调制单元17、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元13、第一透镜14、偏振光分束器15、全反射镜16、光扩束准直单元21、光谱分光单元22、会聚收光单元23、阵列光探测器24和压缩计算关联模块25；其中，

所述稀疏孔径单元包括由第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3所组成的小孔径望远镜阵列；所述自由空间准直单元包括由第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜所组成的准直透镜阵列组，所述准直透镜阵列组中的各个子望远镜透镜与所述小孔径望远镜阵列中的各个准直透镜具有一一对应的位置关系；所述光束反射单元包括三个反射镜组，分别为由第一反射镜7、第二反射镜8组成的第一反射镜组，由第三反射镜9、第四反射镜10组成的第二反射镜组，由第五反射镜11、第六反射镜12组成的第三反射镜组，这三个反射镜组分别对应所述准直透镜阵列组中的三个准直透镜；

所述偏振光源发射单元20所发出的偏振光经扩束透镜19扩束、第四准直透镜18准直后照射到随机光学调制单元17；所述随机光学调制单元17加载随时间变化的散斑以对偏振光进行随机相位调制，调制后的偏振光经全反射镜16反射到达偏振光分束器15，接着依次透过第一透镜14、束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元、稀疏孔径单元传播到待测物体上；待测物体反射所接收到的偏振光，反向传播通过稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元，到达束斑合成单元13，在所述束斑合成单元13上实现稀疏孔径直接成像，然后通过第一透镜14将稀疏孔径直接成像映射到偏振光分束器15，偏振光分束器15将所接收到的光折射到光扩束准直单元21，经扩束准直后到达光谱分光单元22；所述光谱分光单元22将光谱分光后产生的不同波长的光场强度信号通过会聚收光透镜单元23聚焦到线阵光探测器24，线阵光探测器24采集不同波长的光信号，获取不同波长的测量数向量；所述随机光学调制单元17和线阵光探测器24之间需同步，即随机光学调制单元17中的阵列单元每调制一次，线阵光探测器24中的各个探测通道在该调制间间隔内计量到达的不同波长的所有光强，实现光信号采集与AD转换；计算出加载在所述随机光学调制单元17上的随时间变化的调制散斑光场传播到物体表面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，将所述最终测量矩阵与多个同步周期内测量得到的测量数向量传输到所述计算关联模块25，由该模块通过压缩感知计算关联算法重构反射物体的高光谱图像。

下面对本发明做进一步说明。

之前提到，通过调整子孔径的排列方式可以改变系统MTF的分布。在本实施例中，所述稀疏孔径单元采用由第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3组成小孔径望远镜阵列的结构方式。在其他实施例中，所述稀疏孔径单元的空间组合方式还可以是Golay-6结构、Golay-9等结构和环形、环面、三壁形式等稀疏孔径结构方式。

在本实施例中，所述空间准直单元采用由第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜6组成准直透镜阵列组的结构方式，在其他实施例中，也可采用反射式准直镜方式，通过这种方式可以减小系统体积。

所述的光束反射单元由第一反射镜7、第二反射镜8将第一子望远镜透镜1入射的光信号转换到束斑合成单元13；由第三反射镜9、第四反射镜10将第二子望远镜透镜2入射的光信号转换到束斑合成单元13；由第五反射镜11、第六反射镜12将第三子望远镜透镜3入射的光信号转换到束斑合成单元13。

所述的束斑合成单元13将稀疏孔径的三个子孔径望远镜入射光合并到一个透镜系统中，实现稀疏孔径直接成像。

所述偏振光分束器15包括起偏器、检偏器、四分之一玻片和偏振棱镜，其用于对单色光或连续谱光源实现单方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；可以实现紫外光、可见光、近红外和红外光波段的偏振光的分束功能；其中的偏振棱镜采用偏振分束器、可变偏振分束器、偏振非敏感分束器及声光偏转器等元件。

所述随机光学调制单元17一般采用诸如毛玻璃、液晶光阀的空间光调制器，用于实现相位调制，其可以模拟出负指数分布的散斑光场，通过稀疏孔径系统将加载在随机光学调制单元17上的散斑投影到待测物体上，通过惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出散斑光场传播到物体面的光场分布，将这一计算结果作为最终的测量矩阵。所述散斑具有一定的灰度变化范围，且散斑存折颗粒大小，采用颗粒度越小的散斑进行相位调制，最后所形成的成像质量越好。在实际应用中可根据实际需要确定散斑的颗粒度。

所述偏振光源发射单元20采用紫外或可见或近红外或红外光波段的偏振光源。

所述光谱分光单元22实现了对反射光的分光，其在空间上将不同波长图像光信号分开，在分光前需要光扩束准直单元21对反射光进行扩束和准直，分光后通过会聚收光透镜23实现分开的独立波长的光分别聚焦到线阵光探测器24的各个对应通道中；其中，光谱分光单元可以通过包括反射光栅、透射光栅、棱镜分光在内的光谱分光单元实现对调制扩束后光场高光谱分光。

所述线阵光探测器24的不同通道采集不同波长的入射光信号，从而实现对紫外、可见光、近红外、红外波段中不同波长光信号的探测；其中所述线阵光探测器可以采用紫外、可见光、近红外、红外线阵光电探测器或线阵单光子探测器，以实现超高灵敏探测；其中线阵单光子探测器可以是紫外、可见光、近红外、红外雪崩二极管，固态光电倍增管，超导单光子探测器等；当配置线阵单光子探测器时需要在其后连接相应的多通道计数器，以计量线阵各通道光子脉冲个数。

所述压缩计算关联模块25采用下列任意一种算法实现压缩感知：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法等，稀疏基可采用离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、梯度基、gabor变换基等。

以上是对本发明的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统在一个实施例中的结构描述，在其他实施例中，该系统还可以有其他变形，例如，所述稀疏孔径单元中的子望远镜透镜的数目可以大于3个，此时，自由空间准直单元中的准直透镜以及光束反射单元中的反射镜组的数目也需要做相应调整。

基于上述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，可实现基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像方法，该方法包括：

步骤1）、稀疏孔径压缩计算关联的相位调制的步骤；

偏振光源发射单元20发出的偏振光经过扩束准直后入射到随机光学调制单元17，然后依次通过全反射镜16、偏振光分束器15、第一透镜14、束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元、稀疏孔径单元，将随机光学调制单元17上的散斑投影到待测物体上，发射到成像物体；其中，随机光学调制单元17通过加载随时间变化的散斑对偏振光源发射光进行相位调制；

步骤2）、压缩采样的步骤；

所述线阵光探测器24在随机光学调制单元17每次翻转的时间间隔内同时采样不同波长会聚后的光信号，并将采集的数值作为对应不同波长的测量值向量y₁,y₂,...,y_t(t＞1)；

步骤3）、计算关联成像中自由空间光场传播的计算步骤；

通过惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出随机光学调制单元17上的调制散斑光场通过自由空间光场传播到物体面上的光场分布，将计算结果作为最终的测量矩阵A；

步骤4）、信号重建的步骤；

所述测量矩阵A与每个通道测量值向量y_i(1＜i＜t)一起作为压缩计算关联模块25的输入，选取合适的稀疏基使得稀疏孔径成像x能由最少量的系数表示，通过压缩感知算法进行数据演算，重建出对应该通道波长的二维图像，t个通道的值分别进行计算，将得到对应t个波长的二维图像，将多波长各自的光强分布整合到一起，便能最终实现基于稀疏孔径压缩计算关联的高光谱成像，此外，还可绘制出光强与波长的光谱曲线，研究被测对象的光谱强度分布情况。

其中，压缩计算关联模块25中所采用的压缩计算关联算法的核心为压缩感知最优化算法，在目标函数上结合了关联成像的成像约束条件，将压缩感知最优化算法的关键目标函数修改为：

其中A为经惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出的测量矩阵，Ψ为n×n稀疏基，一般Ψ为正交矩阵，x′＝Ψ^-1x，x为原始物体图像矩阵经拉伸后的列向量，τ和ζ都为常系数，||·||_p代表l_p范数，<·>表示加和平均，a_i为空间光调制器上第i(1≤i≤m)次调制时计算所得的p×q自由光场传播光场分布矩阵，共计调制m次，a′_i为a_i经拉伸后的列向量，A实际为m个(a′_i)^T组成的m×n矩阵，A^Ty为m×1列向量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，包括偏振光源发射单元（20）、扩束透镜（19）、第四准直透镜（18）、随机光学调制单元（17）、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元（13）、第一透镜（14）、偏振光分束器（15）、全反射镜（16）、光扩束准直单元（21）、光谱分光单元（22）、会聚收光单元（23）、阵列光探测器（24）和压缩计算关联模块（25）；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路；

所述偏振光源发射单元（20）所发出的偏振光经扩束透镜（19）扩束、第四准直透镜（18）准直后照射到所述随机光学调制单元（17）；所述随机光学调制单元（17）加载随时间变化的散斑以对偏振光进行随机相位调制，调制后的偏振光经全反射镜（16）反射到达所述偏振光分束器（15），接着依次透过第一透镜（14）、束斑合成单元（13）、光束反射单元、自由空间准直单元、稀疏孔径单元传播到待测物体上；待测物体反射所接收到的偏振光，反向传播通过稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元，到达所述束斑合成单元（13），在所述束斑合成单元（13）上实现稀疏孔径直接成像，然后通过第一透镜（14）将稀疏孔径直接成像映射到偏振光分束器（15），所述偏振光分束器（15）将所接收到的光折射到所述光扩束准直单元（21），经扩束准直后到达光谱分光单元（22）；所述光谱分光单元（22）将光谱分光后产生的不同波长的光场强度信号通过会聚收光透镜单元（23）聚焦到线阵光探测器（24），所述线阵光探测器（24）采集不同波长的光信号，获取不同波长的测量数向量；所述随机光学调制单元（17）和线阵光探测器（24）之间同步；计算出加载在所述随机光学调制单元（17）上的随时间变化的调制散斑光场传播到物体表面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，将所述最终测量矩阵与多个同步周期内测量得到的测量数向量传输到所述压缩计算关联模块（25），由该模块通过压缩感知计算关联算法重构反射物体的高光谱图像。

2.根据权利要求1所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述稀疏孔径单元包括第一子望远镜透镜（1）、第二子望远镜透镜（2）和第三子望远镜透镜（3）；所述自由空间准直单元包括第一准直透镜（4）、第二准直透镜（5）和第三准直透镜（6）；所述光束反射单元包括由第一反射镜（7）、第二反射镜（8）组成的第一反射镜组，由第三反射镜（9）、第四反射镜（10）组成的第二反射镜组，由第五反射镜（11）、第六反射镜（12）组成的第三反射镜组；

所述第一子望远镜透镜（1）、第一准直透镜（4）、第一反射镜组形成第一光路，所述第二子望远镜透镜（2）、第二准直透镜（5）、第二反射镜组形成第二光路，所述第三子望远镜透镜（3）、第三准直透镜（6）、第三反射镜组形成第三光路。

3.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述稀疏孔径单元中的各个子望远镜透镜的空间组合方式包括：小孔径望远镜阵列或Golay-6或Golay-9或环形或环面或三壁。

4.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述空间准直单元中的各个准直透镜的空间组合方式包括：准直透镜阵列组或反射式准直镜。

5.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述偏振光分束器（15）包括起偏器、检偏器、四分之一玻片和偏振棱镜，用于对单色光或连续谱光源实现单方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；实现紫外光、可见光、近红外和红外光波段的偏振光的分束功能。

6.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述随机光学调制单元（17）用于实现相位调制，以模拟出负指数分布的散斑光场；所述随机光学调制单元（17）采用包括毛玻璃、液晶光阀在内的空间光调制器实现。

7.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述偏振光源发射单元（20）采用紫外或可见光或近红外或红外光波段的偏振光源。

8.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述光谱分光单元（22）用于实现对反射光的分光，其在空间上将不同波长图像光信号分开；所述光谱分光单元（22）采用包括反射光栅、透射光栅、棱镜分光在内的部件实现。

9.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述线阵光探测器（24）具有多个通道，不同通道采集不同波长的入射光信号，从而实现对紫外、可见光、近红外、红外波段中不同波长光信号的探测。

10.根据权利要求9所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述线阵光探测器（24）采用紫外、可见光、近红外、红外线阵光电探测器或线阵单光子探测器实现；其中，线阵单光子探测器采用紫外、可见光、近红外、红外雪崩二极管或固态光电倍增管或超导单光子探测器实现；当配置线阵单光子探测器时需要在其后连接相应的多通道计数器，以计量线阵各通道光子脉冲个数。

11.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，其特征在于，所述压缩计算关联模块（25）采用下列任意一种算法实现压缩感知：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法；其中的稀疏基采用离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、梯度基、gabor变换基中的任意一种。

12.基于权利要求1-11之一所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统所实现的主动高光谱成像方法，包括：

步骤1）、稀疏孔径压缩计算关联的相位调制的步骤；

所述偏振光源发射单元（20）发出的偏振光经过扩束准直后入射到所述随机光学调制单元（17），然后依次通过全反射镜（16）、偏振光分束器（15）、第一透镜（14）、束斑合成单元（13）、光束反射单元、自由空间准直单元、稀疏孔径单元，将随机光学调制单元（17）上的散斑投影到待测物体上，发射到成像物体；其中，随机光学调制单元（17）通过加载随时间变化的散斑对偏振光源发射光进行相位调制；

步骤2）、压缩采样的步骤；

所述线阵光探测器（24）在所述随机光学调制单元（17）每次翻转的时间间隔内同时采样不同波长会聚后的光信号，并将采集的数值作为对应不同波长的测量值向量y₁,y₂,...,y_t(t＞1)；

步骤3）、计算关联成像中自由空间光场传播的计算步骤；

通过惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出所述随机光学调制单元（17）上的调制散斑光场通过自由空间光场传播到物体面上的光场分布，将计算结果作为最终的测量矩阵A；

步骤4）、信号重建的步骤；

所述测量矩阵A与每个通道测量值向量y_i(1＜i＜t)一起作为压缩计算关联模块（25）的输入，选取合适的稀疏基使得稀疏孔径成像x能由最少量的系数表示，通过压缩感知算法进行数据演算，重建出对应该通道波长的二维图像，t个通道的值分别进行计算，将得到对应t个波长的二维图像，将多波长各自的光强分布整合到一起，最终实现基于稀疏孔径压缩计算关联的高光谱成像。

13.根据权利要求12所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统所实现的主动高光谱成像方法，其特征在于，还包括根据高光谱成像绘制出光强与波长的光谱曲线，研究被测对象的光谱强度分布情况。

14.根据权利要求12或13所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统所实现的主动高光谱成像方法，其特征在于，所述压缩计算关联模块（25）中所采用的压缩计算关联算法的核心为压缩感知最优化算法，在目标函数上结合了关联成像的成像约束条件，将压缩感知最优化算法的关键目标函数修改为：

其中A为经惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出的测量矩阵，Ψ为n×n稀疏基，一般Ψ为正交矩阵，x′＝Ψ^-1x，x为原始物体图像矩阵经拉伸后的列向量，τ和ζ都为常系数，||·||_p代表l_p范数，<·>表示加和平均，a_i为空间光调制器上第i(1≤i≤m)次调制时计算所得的p×q自由光场传播光场分布矩阵，共计调制m次，a′_i为a_i经拉伸后的列向量，A实际为m个(a′_i)^T组成的m×n矩阵，A^Ty为m×1列向量。

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