CN103472455B - 稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，包括脉冲光源发射单元、扩束透镜、第四准直透镜、随机光学调制单元、全反射镜、偏振光分束器、第一透镜、束斑合成单元、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、光扩束准直单元、光谱分光单元、会聚收光单元、线阵光探测器、飞行时间相关单元和压缩计算关联算法模块；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；所述飞行时间相关单元包括脉冲宽度调节单元、可调延迟单元和同步信号源。

Description

稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统及方法

技术领域

本发明涉及稀疏孔径四维光谱成像领域，特别涉及一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统及方法。

背景技术

随着激光技术和光电探测器的发展，许多种类的光雷达系统都已经广泛应用于风探测、绕过障碍物成像、大气探测、水下探测等领域。激光雷达（LiDAR，LightDetection and Ranging）就是一种典型的以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的光雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞行目标进行探测、跟踪和识别。但由于激光受天气和大气影响较大，在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响，而且激光雷达的波束极窄，在空间搜索目标非常困难，只能实现单波长小范围的探测。

飞行时间的四维光谱成像系统主要能获取空间二维、场景深度信息、光谱信息共计四个维度的信息。常见的四维激光雷达系统通过单像素探测设备的机械扫描来获取横截面的二维空间分布信息，其中的光谱测量主要通过更换不同波长的激光器或添置滤光片轮的方式来获取光谱多波长的信息，这种方式获取的光谱范围十分有限。在过去的十年中，由于激光雷达系统存在机械扫描时间长且牺牲了空间分辨率等缺陷，国际上发展出一种新型的具有空间分辨能力的阵列测距探测器来取代传统的扫描方式，这种装置同样能够实现隐遁在植被和障碍物后的物体图像的重建工作。一般称这样的探测设备为飞行时间（TOF，Time of flight）照相机，所谓飞行时间法四维成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。这种技术跟四维激光传感器原理基本类似，只不过四维激光传感器是逐点扫描，而TOF相机则是同时得到整幅图像的深度信息，但现有的TOF相机的制造工艺存在一定限制，最高的像素大小也仅为320×240，其读取速度也极大影响了整机的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的飞行时间的四维光谱成像系统像素低，读取速度慢等缺陷，从而提供一种具有高谱分辨率的四维光谱成像系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，包括脉冲光源发射单元20、扩束透镜19、第四准直透镜18、随机光学调制单元17、全反射镜16、偏振光分束器15、第一透镜14、束斑合成单元13、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、光扩束准直单元21、光谱分光单元22、会聚收光单元23、线阵光探测器24、飞行时间相关单元和压缩计算关联算法模块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；所述飞行时间相关单元包括脉冲宽度调节单元28、可调延迟单元27和同步信号源26；

所述同步信号源26同步发出两路信号，一路信号为所述脉冲光源发射单元20提供触发信号，另一路则通过所述可调延迟单元27、脉冲宽度调节单元28为所述线阵光探测器24的各个通道提供相同的门控信号；所述脉冲光源发射单元20经所述同步信号源26所发出的触发信号的触发下发射脉冲光，所发射的脉冲光经所述扩束透镜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根据调制散斑光场对光进行随机调制，然后依次通过所述全反射镜16、偏振光分束器15将调制后的光反射到所述第一透镜14；接着依次通过所述束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元以及稀疏孔径单元传播到待测物体；待测物体反射所接收到的光，通过所述稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元反向传播，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所述偏振光分束器15；所述偏振光分束器15将所接收的光反射到所述光扩束准直单元21，光经扩束准直后照射到光谱分光单元22，分光后的光谱通过所述会聚收光透镜单元23聚焦到所述线阵光探测器24，在所述同步信号源26所发出的门控信号的控制下所述线阵光探测器24中的各个通道分别采集不同波长的光信号，输出测量数向量组；所述随机光学调制单元17中的阵列单元每调制一次，同步信号源26记录下每次线阵光探测器24上光子到达时间，将其作为时间戳信息，并通过所述可调延迟单元27为线阵光探测器24的各通道加载与先后两束聚集光子团到达时间的间隔等长的延迟信号，以控制所述线阵光探测器24各通道门控信号的延迟到达，在该延迟时间间隔内各通道累计探测到达的所有光强，实现光电信号采集和AD转换，然后将测量数向量组打上相应时间戳信息的记号，输入到所述压缩计算关联算法模块25；所述压缩计算关联算法模块25计算出所述随机光学调制单元17上的调制散斑光场自由空间传播到物面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，并根据所述时间戳信息、最终测量矩阵、测量数向量组与各通道所对应的波长信息，通过压缩计算关联算法重构反射物体的四维图像。

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，所述散斑光场的变化时间间隔需大于所述脉冲光源发射单元20所发出的脉冲光从发射到全部到达所述线阵光探测器24所需的时间；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，所述脉冲光源发射单元20采用紫外或可见光或近红外或红外光波段的脉冲光源实现。

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通过包括反射光栅或透射光栅或棱镜分光在内的器件实现。

上述技术方案中，所述线阵光探测器24包括多个通道，不同通道分别实现对紫外、可见光、近红外、红外波段中不同波长光信号的探测，各个通道上的时间戳信息一致。

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，超导单光子探测器中的任意一种；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，所述压缩计算关联算法模块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，所述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稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统所实现的四维光谱成像方法，该方法包括：

步骤1）、稀疏孔径压缩计算关联的脉冲触发与相位调制的步骤；

所述同步信号源26为所述脉冲光源发射单元20提供触发信号，所述脉冲光源发射单元20经触发后发出脉冲光，经过扩束准直后入射到随机光学调制单元17，发射光场经所述随机光学调制单元17后，通过稀疏孔径系统系列光学变换后，自由传播到待测物体；其中，所述随机光学调制单元17通过加载随时间变化的散斑对脉冲光源发射光进行相位调制；

步骤2）、带有时间戳信息的测量数向量组生成步骤；

保持所述随机光学调制单元17的散斑变化时间间隔大于脉冲光从发射到全部到达线阵光探测器24所需的时间，在第一帧散斑时间间隔内，以第一束聚集光子团到达时间作为初始时间节点T_s，第二束聚集光子团到达后，将到达时间记录下来，将第二束聚集光子团到达时间与第一束聚集光子团到达时间作差，差值即为先后两束聚集光子团到达时间的间隔，发送与该间隔等长的延迟信号T_d1给可调延迟单元27，以控制脉冲宽度调节单元28中的探测器门宽信号的延迟，使线阵光探测器24中t(t≥1)个通道在该延迟门宽内记录下达到的所有光子数N_11k(1≤k≤t)；第三束聚集光子团到达后，同样计算第三束聚集光子团到达时间与第二束聚集光子团到达时间的间隔，线阵光探测器24中t(t≥1)个通道在该与之等长的延迟门宽T_d2内记录下达到的所有光子数N_12k(1≤k≤t)；以此类推，直到脉冲反射光全部到达为止，假设共计r+1(r≥1)束聚集光子团，获得与时间戳信息{T_s+T_d1/2,T_s+T_d1+T_d2/2,...,T_s+T_d1+…+T_dj/2}一一对应的测量数序列N_1jk(1≤j≤r,1≤k≤t)；

待测物体位置不变，各个延迟门宽T_di(1≤i≤r)长度不会发生改变，在下一帧散斑时间间隔内，散斑矩阵会发生改变，重复上述过程m-1次，将获得测量数向量组N_ijk(1≤i≤m,1≤j≤r,1≤k≤t)；

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，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、时间戳信息{T_s+T_d1/2,T_s+T_d1+T_d2/2,...,T_s+T_d1+…+T_dj/2}、测量数向量组N_ijk(1≤i≤m,1≤j≤r,1≤k≤t)与各通道所对应的波长信息一起作为压缩计算关联算法模块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，通过压缩计算关联算法进行信号重建，重构出每个延迟门宽T_dj(1≤j≤r)内的对应不同波长的二维图像，然后结合时间戳信息便能构建反射物体的四维图像，所述四维为平面二维、空间深度维、光谱维。

上述技术方案中，所述压缩计算关联算法模块25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：

在本发明中，将稀疏孔径压缩计算关联的测量方式与时间飞行、光子计数激光雷达相结合，以点获取平面二维信息，以时间相关计数获取时间戳信息，最终转化为深度信息，使用线阵光探测器作为探测元件，其中每个通道对应不同的波长，以此获得高谱分辨率，进而大大降低了探测器设备成本和系统复杂度。

附图说明

图1是本发明的基于稀疏孔径压缩计算关联飞行时间的四维光谱成像系统在一个实施例中的结构示意图。

图面说明

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。

图1为本发明的基于稀疏孔径压缩计算关联飞行时间的四维光谱成像系统在一个实施例中的结构示意图，如图所示，该系统包括：脉冲光源发射单元20、扩束透镜19、第四准直透镜18、随机光学调制单元17、全反射镜16、偏振光分束器15、第一透镜14、束斑合成单元13、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、光扩束准直单元21、光谱分光单元22、会聚收光单元23、线阵光探测器24、飞行时间相关单元和压缩计算关联算法模块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；所述飞行时间相关单元包括脉冲宽度调节单元28、可调延迟单元27和同步信号源26；

所述同步信号源26负责脉冲光源发射单元20和线阵光探测器24之间的同步工作，实现时间相关测量，所述同步信号源发出两路信号，一路信号为所述脉冲光源发射单元20提供触发信号，另一路则通过所述可调延迟单元27、脉冲宽度调节单元28为线阵光探测器24的各个通道提供相同的门控信号；所述脉冲光源发射单元20经所述同步信号源26所发出的触发信号的触发下发射脉冲光，所发射的脉冲光扩束透镜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根据调制散斑光场对光进行随机调制，然后依次通过全反射镜16、偏振光分束器15将随机调制后的光反射到第一透镜14；接着依次通过束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元以及稀疏孔径单元传播到待测物体；待测物体反射所接收到的光，通过稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元反向传播，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；所述偏振光分束器15将所接收的光反射到光扩束准直单元21，光经扩束准直后照射到光谱分光单元22，分光后的光谱通过会聚收光透镜单元23聚焦到线阵光探测器24，在所述同步信号源26所发出的门控信号的控制下所述线阵光探测器24中的各个通道分别采集不同波长的光信号，输出测量数向量组；所述随机光学调制单元17和线阵光探测器24之间同步，即随机光学调制单元17中的阵列单元每调制一次，同步信号源26记录下每次线阵光探测器24上光子到达时间，将其作为时间戳信息，并通过所述可调延迟单元27为线阵光探测器24的各通道加载与先后两束聚集光子团到达时间的间隔等长的延迟信号，以控制线阵光探测器24各通道门控信号的延迟到达，在该延迟时间间隔内各通道累计探测到达的所有光强，实现光电信号采集和AD转换，然后将测量数向量组打上相应时间戳信息的记号，输入到压缩计算关联算法模块25；压缩计算关联算法模块25计算出随机光学调制单元17上的调制散斑光场自由空间传播到物面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，并根据所述时间戳信息、最终测量矩阵、测量数向量组与各通道所对应的波长信息，通过压缩计算关联算法重构反射物体的四维图像。

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实现，其用于相位调制，可以模拟出负指数分布的散斑光场，通过稀疏孔径系统将其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，以得到最终的测量矩阵。所述随机光学调制单元17上的散斑的变化时间间隔需大于脉冲光源发射单元20所发出的脉冲光从发射到全部到达线阵光探测器24所需的时间。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。

所述脉冲光源发射单元20采用紫外或可见光或近红外或红外光波段的脉冲光源，包含脉冲激光光源和脉冲连续谱光源；其中脉冲光源采用泵浦光源或染料光源或半导体激光器或固体激光器或气体激光器等脉冲光源，或通过调Q开关、声光调制器等组成的脉冲光源。

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，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。所述光谱分光单元22可以通过反射光栅或透射光栅或棱镜分光等器件实现。

所述线阵光探测器24包括多个通道，不同通道分别实现对紫外、可见光、近红外、红外波段中不同波长光信号的探测，各个通道上的时间戳信息一致。所述线阵光探测器24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实现；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，超导单光子探测器中的任意一种；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。

所述压缩计算关联算法模块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。

基于上述的四维光谱成像系统，可实现四维光谱成像方法，该方法包括：

步骤1）、稀疏孔径压缩计算关联的脉冲触发与相位调制的步骤；

同步信号源26为脉冲光源发射单元20提供触发信号，脉冲光源发射单元20经触发后发出脉冲光，经过扩束准直后入射到随机光学调制单元17，发射光场经随机光学调制单元17后，通过稀疏孔径系统系列光学变换后，自由传播到待测物体；其中，随机光学调制单元17通过加载随时间变化的散斑对脉冲光源发射光进行相位调制；

步骤2）、带有时间戳信息的测量数向量组生成步骤。

首先保持所述随机光学调制单元17的散斑变化时间间隔需大于脉冲光从发射到全部到达线阵光探测器24所需的时间，在第一帧散斑时间间隔内，以第一束聚集光子团到达时间作为初始时间节点T_s，第二束聚集光子团到达后，将到达时间记录下来，将第二束聚集光子团到达时间与第一束聚集光子团到达时间作差，差值即为先后两束聚集光子团到达时间的间隔，发送与该间隔等长的延迟信号T_d1给可调延迟单元27，以控制脉冲宽度调节单元28中的探测器门宽信号的延迟，使线阵光探测器24中t(t≥1)个通道在该延迟门宽内记录下达到的所有光子数N_11k(1≤k≤t)；第三束聚集光子团到达后，同样计算第三束聚集光子团到达时间与第二束聚集光子团到达时间的间隔，线阵光探测器24中t(t≥1)个通道在该与之等长的延迟门宽T_d2内记录下达到的所有光子数N_12k(1≤k≤t)；以此类推，直到脉冲反射光全部到达为止，假设共计r+1(r≥1)束聚集光子团，这样便获得与光子到达时间（时间戳信息）{T_s+T_d1/2,T_s+T_d1+T_d2/2,...,T_s+T_d1+…+T_dj/2}一一对应的测量数序列N_1jk(1≤j≤r,1≤k≤t)；

由于待测物体位置不变，各个延迟门宽T_di(1≤i≤r)长度也不会发生改变，在下一帧散斑时间间隔内，散斑矩阵会发生改变，重复上述过程m-1次，将获得测量数向量组N_ijk(1≤i≤m,1≤j≤r,1≤k≤t)；

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，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、时间戳信息{T_s+T_d1/2,T_s+T_d1+T_d2/2,...,T_s+T_d1+…+T_dj/2}、测量数向量组N_ijk(1≤i≤m,1≤j≤r,1≤k≤t)与各通道所对应的波长信息一起作为压缩计算关联算法模块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，通过压缩计算关联算法进行信号重建，重构出每个延迟门宽T_dj(1≤j≤r)内的对应不同波长的二维图像，然后结合时间戳信息便能构建反射物体的四维图像，所述四维为平面二维、空间深度维、光谱维。

其中，压缩计算关联算法模块25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 (13)

1.一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，其特征在于，包括脉冲光源发射单元(20)、扩束透镜(19)、第四准直透镜(18)、随机光学调制单元(17)、全反射镜(16)、偏振光分束器(15)、第一透镜(14)、束斑合成单元(13)、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、光扩束准直单元(21)、光谱分光单元(22)、会聚收光单元(23)、线阵光探测器(24)、飞行时间相关单元和压缩计算关联算法模块(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；所述飞行时间相关单元包括脉冲宽度调节单元(28)、可调延迟单元(27)和同步信号源(26)；

所述同步信号源(26)同步发出两路信号，一路信号为所述脉冲光源发射单元(20)提供触发信号，另一路则通过所述可调延迟单元(27)、脉冲宽度调节单元(28)为所述线阵光探测器(24)的各个通道提供相同的门控信号；所述脉冲光源发射单元(20)经所述同步信号源(26)所发出的触发信号的触发下发射脉冲光，所发射的脉冲光经所述扩束透镜(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)根据调制散斑光场对光进行随机调制，然后依次通过所述全反射镜(16)、偏振光分束器(15)将调制后的光反射到所述第一透镜(14)；接着依次通过所述束斑合成单元(13)、光束反射单元、自由空间准直单元以及稀疏孔径单元传播到待测物体；待测物体反射所接收到的光，通过所述稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元反向传播，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所述偏振光分束器(15)；所述偏振光分束器(15)将所接收的光反射到所述光扩束准直单元(21)，光经扩束准直后照射到光谱分光单元(22)，分光后的光谱通过所述会聚收光透镜单元(23)聚焦到所述线阵光探测器(24)，在所述同步信号源(26)所发出的门控信号的控制下所述线阵光探测器(24)中的各个通道分别采集不同波长的光信号，输出测量数向量组；所述随机光学调制单元(17)中的阵列单元每调制一次，同步信号源(26)记录下每次线阵光探测器(24)上光子到达时间，将其作为时间戳信息，并通过所述可调延迟单元(27)为线阵光探测器(24)的各通道加载与先后两束聚集光子团到达时间的间隔等长的延迟信号，以控制所述线阵光探测器(24)各通道门控信号的延迟到达，在该延迟时间间隔内各通道累计探测到达的所有光强，实现光电信号采集和AD转换，然后将测量数向量组打上相应时间戳信息的记号，输入到所述压缩计算关联算法模块(25)；所述压缩计算关联算法模块(25)计算出所述随机光学调制单元(17)上的调制散斑光场自由空间传播到物面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，并根据所述时间戳信息、最终测量矩阵、测量数向量组与各通道所对应的波长信息，通过压缩计算关联算法重构反射物体的四维图像。

2.根据权利要求1所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，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所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，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所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，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所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，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所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，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，所述散斑光场的变化时间间隔需大于所述脉冲光源发射单元(20)所发出的脉冲光从发射到全部到达所述线阵光探测器(24)所需的时间；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所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，其特征在于，所述脉冲光源发射单元(20)采用紫外或可见光或近红外或红外光波段的脉冲光源实现。

8.根据权利要求1或2所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，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)通过包括反射光栅或透射光栅或棱镜分光在内的器件实现。

9.根据权利要求1或2所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，其特征在于，所述线阵光探测器(24)包括多个通道，不同通道分别实现对紫外、可见光、近红外、红外波段中不同波长光信号的探测，各个通道上的时间戳信息一致。

10.根据权利要求9所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，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，超导单光子探测器中的任意一种；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所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，其特征在于，所述压缩计算关联算法模块(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，所述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之一所述的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统所实现的四维光谱成像方法，该方法包括：

步骤1)、稀疏孔径压缩计算关联的脉冲触发与相位调制的步骤；

所述同步信号源(26)为所述脉冲光源发射单元(20)提供触发信号，所述脉冲光源发射单元(20)经触发后发出脉冲光，经过扩束准直后入射到随机光学调制单元(17)，发射光场经所述随机光学调制单元(17)后，通过稀疏孔径系统系列光学变换后，自由传播到待测物体；其中，所述随机光学调制单元(17)通过加载随时间变化的散斑对脉冲光源发射光进行相位调制；

步骤2)、带有时间戳信息的测量数向量组生成步骤；

保持所述随机光学调制单元(17)的散斑变化时间间隔大于脉冲光从发射到全部到达线阵光探测器(24)所需的时间，在第一帧散斑时间间隔内，以第一束聚集光子团到达时间作为初始时间节点T_s，第二束聚集光子团到达后，将到达时间记录下来，将第二束聚集光子团到达时间与第一束聚集光子团到达时间作差，差值即为先后两束聚集光子团到达时间的间隔，发送与该间隔等长的延迟信号T_d1给可调延迟单元(27)，以控制脉冲宽度调节单元(28)中的探测器门宽信号的延迟，使线阵光探测器(24)中t个通道在该延迟门宽内记录下达到的所有光子数N_11k，其中t≥1，1≤k≤t；第三束聚集光子团到达后，同样计算第三束聚集光子团到达时间与第二束聚集光子团到达时间的间隔，线阵光探测器(24)中t个通道在该与之等长的延迟门宽T_d2内记录下达到的所有光子数N_12k；以此类推，直到脉冲反射光全部到达为止，假设共计r+1束聚集光子团，获得与时间戳信息{T_s+T_d1/2,T_s+T_d1+T_d2/2_,..._,T_s+T_d1+…+T_dj/2}一一对应的测量数序列N_1jk，其中r≥1，1≤j≤r,1≤k≤t；

待测物体位置不变，各个延迟门宽T_di长度不会发生改变，其中1≤i≤r，在下一帧散斑时间间隔内，散斑矩阵会发生改变，重复上述过程m-1次，将获得测量数向量组N_ijk，其中1≤i≤m,1≤j≤r,1≤k≤t；

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，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、时间戳信息{T_s+T_d1/2,T_s+T_d1+T_d2/2,...,T_s+T_d1+…+T_dj/2}、测量数向量组N_ijk与各通道所对应的波长信息一起作为压缩计算关联算法模块(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，通过压缩计算关联算法进行信号重建，重构出每个延迟门宽T_dj内的对应不同波长的二维图像，然后结合时间戳信息便能构建反射物体的四维图像，所述四维为平面二维、空间深度维、光谱维，其中1≤j≤r。

13.根据权利要求12所述的四维光谱成像方法，其特征在于，所述压缩计算关联算法模块(25)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，其中1≤i≤m。