CN103913229B - 编码模板多目标主动成像光谱系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种编码模板多目标主动成像光谱系统及方法，系统由望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、总压缩算法模块、光栅单元、变换光学单元和主动光源单元组成；望远镜接收主动光源经过物体反射光经由成像透镜和光扩束准直后，在数字微阵列反射镜分束后，第一束光经过数字微阵列反射镜随机调制后，再通过汇聚透镜汇聚后入射到光电探测器，经总压缩算法模块重构多目标图像，为后续成像光谱选择有效的多目标观测对象；第二束光经过光栅和变换光学分光变化后，通过数字微阵列反射镜实现编码模板光谱成像后，再通过与第一束光相同的方式重构多目标光谱图像。

Description

编码模板多目标主动成像光谱系统及方法

技术领域

本发明涉及成像光谱领域，特别涉及一种基于压缩感知的编码模板多目标主动成像光谱系统及方法。

背景技术

上世纪四十年代，M.J.E.Golay最先提出“模板调制”调制思想，基于这种思想，Golay设计出多狭缝模板光谱仪，认识了模板调制的作用。随后，吉拉德(Girad)提出以菲涅尔波带片制作的栅栏作为模板的栅栏光谱仪，利用菲涅尔波函数的正交性实现波长调制，增强了光通量；默脱(Mertz)提出以旋转栅栏方法实现光场调制，利用傅里叶变换获得辐射光谱，同时具有多通道和高通量的优点；随着研究的进一步发展，出现了简易模板光谱仪，1968年Ibbett、Decker和Harwit研究了Golay光谱仪的基本特征，提出间歇步进模板取代连续旋转盘；Gott l ieb研究了与正交二元数字码相关的循环码，提出循环码可折叠成二维阵列，Sloane等人在此基础上，提出Reed-Mul let码尤其适用于光谱测量，由于Reed-Mullet码与hadamard矩阵密切相关，因此，这种新型的模板调制技术被称作Hadamard变换光谱技术。

Hadamard变换光谱学是上世纪末期逐渐发展起来的新型光谱调制技术。这种技术以Hadamard编码模板代替传统的色散型光谱仪的狭缝，实现多通道多谱元高通量同时测量。近几年来随着微型光机电学技术的发展，使Hadamard光谱技术成为研究热点之一，如欧空局计划发射的欧几里德望远镜就采用这种技术实现对空间天文的观测。与传统光谱仪相比，这种技术具有如下优点：1)光通量高，采用数字微阵列反射镜替代传统的光谱细窄狭缝；2)光谱分辨率高，与傅里叶光谱仪一样可以不受狭缝产生的仪器函数的限制；3)信噪比高，调制和解调方法有效抑制北京和干扰信号，相对提高有用的光谱信号；4)灵活性高，根据观测对象有目的选择特定对象的光谱信息，降低背景和其他对象的干扰。

压缩感知是由E.J.Candes、J.Romberg、T.Tao和D.L.Donoho等研究人员于2004年提出，早在上世纪法国数学家Prony提出稀疏信号恢复方法，这种方法是通过解特征值问题估计稀疏三角多项式的非零幅度和对应的频率；B.Logan最早提出基于L1范数最小化的稀疏约束方法。随后发展出的压缩感知理论是将L1范数最小化稀疏约束与随机矩阵结合，获得稀疏信号重建性能的最佳结果，压缩感知基于信号的可压缩性，通过低维空间、低分辨率、欠Nyquist采样数据的非相关观测来实现高维信号的感知。广泛应用于信息论、图像处理、地球科学、光学/微波成像、模式识别、无线通信、大气科学、地球科学、物理天文学等学科领域。

压缩感知理论是将采样和压缩同时进行，很好地利用了自然信号可以在某个稀疏基下表示的先验知识，可以实现远低于奈奎斯特/香农采样极限的亚采样，并能近乎完美地重建信号信息。其最广泛的应用是单像素照相机技术，它能使用一个点探测器而不是面阵探测器便可完成所有的探测任务，倘若这项技术应用在稀疏孔径上，必将减少探测维度，避免由面阵探测器带来的光学噪声和电学噪声，而且采用数字微镜器件DMD，这是一个被动光学元件，不会给信号带来任何噪声，探测器方面也不再需要前置放大器，此外系统还能做到23kHz的高速采样，这是传统面阵探测器所无法企及的，外加之鲁棒的重建算法，必将引发更多潜在应用。

发明内容

本发明的目的在于将压缩感知理论应用于Hadamard变换光谱学领域，从而提供一种基于压缩感知的编码模板多目标主动成像光谱系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种编码模板多目标主动成像光谱系统，所述系统包括望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、总压缩算法模块、光栅单元、变换光学单元和主动光源单元；

所述望远镜单元包括凹面反射镜(1)、凸面反射镜(2)和反射镜(3)；

所述成像透镜单元包括第一成像透镜(4-1)和第二成像透镜(4-2)；

所述光扩束准直单元包括第一光扩束准直透镜(5-1)和第二光扩束准直透镜(5-2)；

所述数字微阵列反射镜单元包括第一数字微阵列反射镜(6-1)、第二数字微阵列反射镜(6-2)、第三数字微阵列反射镜(6-3)和第四数字微阵列反射镜(6-4)；

所述汇聚透镜单元包括第一汇聚透镜(7-1)和第二汇聚透镜(7-2)；

所述光电探测器单元包括第一光电探测器(8-1)和第二光电探测器(8-2)；

所述总压缩算法模块包括压缩计算关联模块(9-1)和压缩算法模块(9-2)；

所述光栅单元包括第一光栅部件(10-1)和第二光栅部件(10-2)；

所述变换光学单元包括第一变换透镜(11-1)和第二变换透镜(11-2)；

主动光源单元包括连续光源(13)、聚焦透镜(14)、光源扩束透镜(15)、第一光源反射镜(16-1)、第二光源反射镜(16-2)和第三光源反射镜(16-3)；

通过第一成像透镜(4-1)成像后，经过第一光扩束准直透镜(5-1)将多目标图像映射到第一数字微阵列反射镜(6-1)表面，通过控制第一数字微阵列反射镜(6-1)将光束分成两束光；第一束光经过第二数字微阵列反射镜(6-2)对光束一随机调制后，再通过第一汇聚透镜(7-1)汇聚后入射到第一光电探测器(8-1)，经压缩计算关联模块(9-1)重构多目标图像，为后续成像光谱选择有效的多目标观测对象；第二束光经过第一光栅部件(10-1)分光后，通过第一变换透镜(11-1)将色散图像映射到第三数字微阵列反射镜(6-3)，经过对色散图像的Hadamard变换编码模板编码后，再通过第二变换透镜(11-2)变换后入射到第二光栅部件(10-2)合光后，再通过第二成像透镜(4-2)成像后，获得的光谱编码图像通过第二光扩束准直透镜(5-2)将编码图像入射到第四数字微阵列反射镜(6-4)，对光谱编码图像进行随机光学调制后，再通过第二汇聚透镜(7-2)汇聚后入射到第二光电探测器(8-2)，经压缩算法模块(9-2)重构多目标光谱编码图像，再经过Hadamard反变换模块(12)即可获得观测对象的多目标光谱图像；其中，组成。

进一步的，所述望远镜单元具体为伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿望远镜、卡塞格林望远镜；在结构上包括反射式、折射式、折返式望远镜；在光谱范围包括紫外、可见光、红外波段望远镜；

第一成像透镜(4-1)用于对望远镜入射光进行成像，第二成像透镜(4-2)用于对光谱编码图像成像。

进一步的，所述第一光扩束准直透镜(5-1)用于对多目标图像光束的扩束准直，以便与第一数字微阵列反射镜(6-1)的有效接受面积匹配，第二光扩束准直透镜(5-2)用于对光谱编码图像光束的扩束准直，与第四数字微阵列反射镜(6-4)的有效接受面积匹配；光扩束准直单元也具体包括紫外、可见光、红外等波段的凸透镜、半凸透镜、扩束准直透镜组；

所述第一数字微阵列反射镜(6-1)用于对入射多目标图像进行分光，将光束分成光束一和光束二，奇数行微透镜形成光束1，偶数行微透镜形成光束二，或按照奇偶相反获以列进行分光；第二数字微阵列反射镜(6-2)对光束一进行随机光调制，第三数字微阵列反射镜(6-3)按照Hadamard变换要求作为编码模板对分光色散图像编码，第四数字微阵列反射镜(6-4)对光谱编码图像进行随机光调制；数字微阵列反射镜单元还包括液晶空间光调制器；

所述第三数字微阵列反射镜(6-3)经由第一变换透镜(11-1)变换形成分光色散图像，入射到第三数字微阵列反射镜(6-3)实现对分光色散图像的Hadamard编码；Hadamard编码采用N阶循环S矩阵逐次对分光色散图像添加N幅编码模板，形成N幅光谱编码图像；其中N阶循环S矩阵的阶数是7、11、15、19、23、27，阶数越高光谱角分辨率越高。

进一步的，所述第一汇聚透镜(7-1)和第二汇聚透镜(7-2)将对应的第一数字微阵列反射镜(6-1)和第四数字微阵列反射镜(6-4)随机光调制后的图像汇聚到一点，然后入射到对应的第一光电探测器(8-1)和第二光电探测器(8-2)上，通过第一汇聚透镜(7-1)和第二汇聚透镜(7-2)实现高通量成像；

所述第一光电探测器(8-1)和第二光电探测器(8-2)接收对应第一汇聚透镜(7-1)和第二汇聚透镜(7-2)汇聚后的光信号，然后输入到对应压缩计算关联模块(9-1)和压缩算法模块(9-2)，其中所述光电探测器采用紫外、可见光、近红外、红外线阵光电探测器或单光子探测器，以光学光谱范围或超高灵敏探测；其中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。

进一步的，所述压缩计算关联模块(9-1)和压缩算法模块(9-2)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。

进一步的，所述数字微阵列反射镜入射到第一光栅部件(10-1)，实现对多目标图像分光后，然后通过第一变换透镜(11-1)变换形成分光色散图像，入射到第三数字微阵列反射镜(6-3)，经过Hadamard编码模板对分光色散图像编码后，通过第二变换透镜(11-2)变换后，通过第二光栅部件(10-2)进行合光后，再通过第二成像透镜(4-2)形成光谱编码图像，其中，光谱分光单元通过反射光栅、透射光栅、棱镜分光光谱分光单元实现对多目标图像光谱分光。

进一步的，所述连续光源(13)发射出成像照明光源，经聚焦透镜(14)聚焦后，再通过光源扩束透镜(15)后，再经过第一光源反射镜(16-1)、第二光源反射镜(16-2)和第三光源反射镜(16-3)反射后，照射到望远镜单元所观测的有效视场区域，再经过与有效观测目标的相关作用后，反射回接收望远镜单元；其中连续光源包含紫外、可见光、近红外和红外波段的连续谱光源，包括超连续谱光源、超波段连续光源和脉冲连续谱光源；

所述Hadamard反变换模块(12)，经由第二汇聚透镜(7-2)汇聚后的光信号，然后输入到压缩算法模块(9-2)，通过压缩算法模块重构出N个光谱编码图像，然后对N个光谱编码图像进行Hadamard反变换后形成多目标物体的光谱图像。

进一步的，所述第二数字微阵列反射镜(6-2)和第四数字微阵列反射镜(6-4)与对应第一光电探测器(8-1)和第二光电探测器(8-2)之间同步，第二数字微阵列反射镜(6-2)和第四(数字微阵列反射镜6-4)中的微镜阵列每翻转一次，对应的第一光电探测器(8-1)和第二光电探测器(8-2)中的每个独立探测器在该翻转时间间隔内累计探测到达所有光强，实现光电信号采集转换，然后送到对应的压缩计算关联模块(9-1)和压缩算法模块(9-2)。

进一步的，所述第三数字微阵列反射镜(6-3)应与第四数字微阵列反射镜(6-4)及第二光电探测器(8-2)之间需同步，第三数字微阵列反射镜(6-3)中的微镜阵列每进行一次Hadamard编码，第四数字微阵列反射镜(6-4)、第二光电探测器(8-2)和压缩算法模块(9-2)完成一幅光谱编码图像重构，直到完成Hadamard编码的阶数N个光谱编码图像；

所述第二数字微阵列反射镜(6-2)与第一光电探测器(8-1)通过压缩计算关联模块(9-1)重构的多目标物体图像，通过对多目标物体识别后，调整第一数字微阵列反射镜(6-1)使多目标物体有效图像区域分光到第一光栅部件(10-1)，进行后续光谱成像；图像中无物体的背景光将被去除掉，有效减少背景噪声对成像光谱的噪声水平，充分提高成像光谱的信噪比。

本发明还提供了一种编码模板多目标主动成像光谱方法，所述方法包括：

步骤1)、压缩感知的成像调制，入射的成像光信号通过系列光学变换后，传输到第四数字微阵列反射镜(6-4)上，第四数字微阵列反射镜(6-4)通过加载随机矩阵A对其反射光进行光强调制；

步骤2)、压缩采样，所述第二光电探测器(8-2)在对应的第四数字微阵列反射镜(6-4)每次翻转的时间间隔内同时采样，并将光电探测器转换后的数值作为最终的测量值y；

步骤3)、信号重建的步骤，所述二值随机测量矩阵A测量值y与一起作为压缩算法模块(9-2)的输入，选取合适的稀疏基使得成像x能由最少量的系数表示，通过压缩感知算法进行信号重建，最终实现多目标物体的光谱编码图像。

步骤4)、光谱图像变换，所述的光谱图像变换将N阶光谱编码图像，采用Hadamard反变换方法获得光谱成像。

本发明的优点在于：

本发明将压缩感知理论与Hadamard变换光谱学相结合，创造性的提出稀疏Hadamard变换光谱学，具有多通道、高通量、高信噪比、快速灵活的特点，适宜于常规光强、弱光、微弱光、超微弱光和单光子光谱仪成像方式，是一种动态范围大的新型光谱成像机制。并通过对图像识别技术获得有效观测对象，再通过对观测目标对象的选择，减小非观测对象和背景光对成像光谱的干扰，进而有效提高成像光谱信噪比，通过采用数字微阵列反射镜技术实现对hadamard变换模板的编码，实现多通道快速成像光谱，是一种新型变换光谱成像技术。另外，通过主动光源可以在夜间实现成像光谱，凭借着这些显著的优势，基于压缩感知的编码模板多目标成像光谱系统必将替代原有的光谱成像装置的作用，将成为开展变换光谱学领域的一个重要发展方向，同时该项技术也可以广泛应用在空间天文观测、地基天文观测、对地实时多目标成像光谱、夜间主动光源成像光谱和微光成像光谱等高新科技领域。

附图说明

图1是本发明编码模板多目标主动成像光谱系统的结构示意图；

1、望远镜单元的凹面反射镜

2、望远镜单元的凸面反射镜

3、反射镜

4-1、成像透镜单元的第一成像透镜

4-2、成像透镜单元的第二成像透镜

5-1、光扩束准直单元的第一光扩束准直透镜

5-2、光扩束准直单元的第二光扩束准直透镜

6-1、数字微阵列反射镜单元的第一数字微阵列反射镜

6-2、数字微阵列反射镜单元的第二数字微阵列反射镜

6-3、数字微阵列反射镜单元的第三数字微阵列反射镜

6-4、数字微阵列反射镜单元的第四数字微阵列反射镜

7-1、汇聚透镜单元的第一汇聚透镜

7-2、汇聚透镜单元的第二汇聚透镜

8-1、光电探测器单元第一光电探测器

8-2、光电探测器单元第二光电探测器

9-1、总压缩算法模块的第一压缩算法模块

9-2、总压缩算法模块的第二压缩算法模块

10-1、光栅单元的第一光栅部件

10-2、光栅单元的第二光栅部件

11-1、变换光学单元的第一变换透镜

11-2、变换光学单元的第二变换透镜

12、Hadamard反变换模块

13、主动光源单元的连续光源(13)

14、主动光源单元的聚焦透镜(14)

15、主动光源单元的光源扩束透镜(15)

16、主动光源单元的第一光源反射镜(16-1)

17、主动光源单元的第二光源反射镜(16-2)

18、主动光源单元的第三光源反射镜(16-3)

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明将压缩感知理论与Hadamard变换光谱学相结合，创造性的提出稀疏Hadamard变换光谱学，具有多通道、高通量、高信噪比、快速灵活的特点，适宜于常规光强、弱光、微弱光、超微弱光和单光子光谱仪成像方式，是一种动态范围大的新型光谱成像机制。

本发明的基于稀疏孔径压缩计算关联的高光谱成像系统采用了压缩感知(Compress ive Sens ing，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。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。

以上是对压缩感知理论算法的说明，以下将结合压缩感知原理具体描述本发明的主动成像光谱系统。

图1为本发明提供的编码模板多目标主动成像光谱系统的示意图，如图所示系统包括望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、总压缩算法模块、光栅单元、变换光学单元和主动光源单元。

望远镜单元包括凹面反射镜1、凸面反射镜2和反射镜3；成像透镜单元包括第一成像透镜4-1和第二成像透镜4-2；光扩束准直单元包括第一光扩束准直透镜5-1和第二光扩束准直透镜5-2；数字微阵列反射镜单元包括第一数字微阵列反射镜6-1、第二数字微阵列反射镜6-2、第三数字微阵列反射镜6-3和第四数字微阵列反射镜6-4；汇聚透镜单元包括第一汇聚透镜7-1和第二汇聚透镜7-2；光电探测器单元包括第一光电探测器8-1和第二光电探测器8-2；总压缩算法模块包括压缩计算关联模块9-1和压缩算法模块9-2；光栅单元包括第一光栅部件10-1和第二光栅部件10-2；变换光学单元包括第一变换透镜11-1和第二变换透镜11-2；主动光源单元包括连续光源13、聚焦透镜14、光源扩束透镜15、第一光源反射镜16-1、第二光源反射镜16-2和第三光源反射镜16-3

通过第一成像透镜4-1成像后，经过第一光扩束准直透镜5-1将多目标图像映射到第一数字微阵列反射镜6-1表面，通过控制第一数字微阵列反射镜6-1将光束分成两束光；第一束光经过第二数字微阵列反射镜6-2对光束一随机调制后，再通过第一汇聚透镜7-1汇聚后入射到第一光电探测器8-1，经压缩计算关联模块9-1重构多目标图像，为后续成像光谱选择有效的多目标观测对象；第二束光经过第一光栅部件10-1分光后，通过第一变换透镜11-1将色散图像映射到第三数字微阵列反射镜6-3，经过对色散图像的Hadamard变换编码模板编码后，再通过第二变换透镜11-2变换后入射到第二光栅部件10-2合光后，再通过第二成像透镜4-2成像后，获得的光谱编码图像通过第二光扩束准直透镜5-2将编码图像入射到第四数字微阵列反射镜6-4，对光谱编码图像进行随机光学调制后，再通过第二汇聚透镜7-2汇聚后入射到第二光电探测器8-2，经压缩算法模块9-2重构多目标光谱编码图像，再经过Hadamard反变换模块12即可获得观测对象的多目标光谱图像。

具体的，所述的望远镜单元由凹面反射镜1、凸面反射镜2和反射镜3组成；其中望远镜单元包括伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿望远镜、卡塞格林望远镜等；在结构上可以包括反射式、折射式、折返式望远镜等；在光谱范围包括紫外、可见光、红外波段望远镜等。

具体的，所述的成像透镜单元包括第一成像透镜4-1和第二成像透镜4-2，其中第一成像透镜4-1实现对望远镜入射光进行成像，第二成像透镜4-2实现对光谱编码图像成像；另外也包括紫外、可见光、红外等波段的半凸透镜等。

具体的，所述的光扩束准直单元由第一光扩束准直透镜5-1和第二光扩束准直透镜5-2，其中第一光扩束准直透镜5-1实现对多目标图像光束的扩束准直，以便与第一数字微阵列反射镜6-1的有效接受面积匹配，第二光扩束准直透镜5-2实现对光谱编码图像光束的扩束准直，与第四数字微阵列反射镜6-4的有效接受面积匹配；另外，光扩束准直单元也包括紫外、可见光、红外等波段的凸透镜、半凸透镜、扩束准直透镜组等。

具体的，第一数字微阵列反射镜6-1实现对入射多目标图像进行分光，将光束分成光束一和光束二，奇数行微透镜形成光束1，偶数行微透镜形成光束二，也可以按照奇偶相反获以列进行分光；第二数字微阵列反射镜6-2对光束一进行随机光调制，第三数字微阵列反射镜6-3按照Hadamard变换要求作为编码模板对分光色散图像编码，第四数字微阵列反射镜6-4对光谱编码图像进行随机光调制；另外数字微阵列反射镜单元也包括液晶空间光调制器等其他光学空间调制器。

具体的，所述汇聚透镜单元，由第一汇聚透镜7-1和第二汇聚透镜7-2将对应的第一数字微阵列反射镜6-1和第四数字微阵列反射镜6-4随机光调制后的图像汇聚到一点，然后入射到对应的第一光电探测器8-1和第二光电探测器8-2上，通过第一汇聚透镜7-1和第二汇聚透镜7-2实现高通量成像，可以应用于弱光、超弱光和单光子成像方面。

具体的，所述光电探测单元由第一光电探测器8-1和第二光电探测器8-2接收对应第一汇聚透镜7-1和第二汇聚透镜7-2汇聚后的光信号，然后输入到对应压缩计算关联模块9-1和压缩算法模块9-2，其中所述光电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单光子探测器，以光学光谱范围或超高灵敏探测；其中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。

具体的，所述压缩计算关联模块9-1和压缩算法模块9-2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。

具体的，由数字微阵列反射镜入射到第一光栅部件10-1，实现对多目标图像分光后，然后通过第一变换透镜11-1变换形成分光色散图像，入射到第三数字微阵列反射镜6-3，经过Hadamard编码模板对分光色散图像编码后，通过第二变换透镜11-2变换后，通过第二光栅部件10-2进行合光后，再通过第二成像透镜4-2形成光谱编码图像，其中，光谱分光单元可以通过反射光栅、透射光栅、棱镜分光等光谱分光单元实现对多目标图像光谱分光。

具体的，所述数字微阵列反射镜6-3，经由第一变换透镜11-1变换形成分光色散图像，入射到第四数字微阵列反射镜6-3，实现对分光色散图像的Hadamard编码；其中Hadamard编码采用N阶循环S矩阵逐次对分光色散图像添加N幅编码模板，形成N幅光谱编码图像；其中N阶循环S矩阵的阶数可以是7、11、15、19、23、27等数值，阶数越高光谱角分辨率越高。

具体的，所述的主动光源单元中，连续光源13发射出成像照明光源，经聚焦透镜14聚焦后，再通过光源扩束透镜15后，再经过第一光源反射镜16-1、第二光源反射镜16-2和第三光源反射镜16-3反射后，照射到望远镜单元所观测的有效视场区域，再经过与有效观测目标的相关作用后，反射回接收望远镜单元；其中连续光源包含紫外、可见光、近红外和红外波段的连续谱光源，包括超连续谱光源、超波段连续光源和脉冲连续谱光源等。

具体的，所述Hadamard反变换模块12，经由第二汇聚透镜7-2汇聚后的光信号，然后输入到压缩算法模块9-2，通过压缩算法模块重构出N个光谱编码图像，然后对N个光谱编码图像进行Hadamard反变换后形成多目标物体的光谱图像。

具体的，所述第二数字微阵列反射镜6-2和第四数字微阵列反射镜6-4与对应第一光电探测器8-1和第二光电探测器8-2之间需同步，第二数字微阵列反射镜6-2和第四数字微阵列反射镜6-4中的微镜阵列每翻转一次，对应的第一光电探测器8-1和第二光电探测器8-2中的每个独立探测器在该翻转时间间隔内累计探测到达所有光强，实现光电信号采集转换，然后送到对应的压缩计算关联模块9-1和压缩算法模块9-2。

具体的，所述数字微阵列反射镜6-3应与数字微阵列反射镜第四数字微阵列反射镜6-4及第二光电探测器8-2之间需同步，第三数字微阵列反射镜6-3中的微镜阵列每进行一次Hadamard编码，第四数字微阵列反射镜6-4、第二光电探测器8-2和压缩算法模块9-2完成一幅光谱编码图像重构，直到完成Hadamard编码的阶数N个光谱编码图像。

具体的，所述第二数字微阵列反射镜6-2与第一光电探测器8-1通过压缩计算关联模块9-1重构的多目标物体图像，通过对多目标物体识别后，调整第一数字微阵列反射镜6-1使多目标物体有效图像区域分光到第一光栅部件10-1，进行后续光谱成像；图像中无物体的背景光将被去除掉，有效减少背景噪声对成像光谱的噪声水平，充分提高成像光谱的信噪比。

本发明还提供了一种编码模板多目标主动成像光谱方法，具体包括如下步骤：

步骤1)、压缩感知的成像调制的步骤；

入射的成像光信号通过系列光学变换后，传输到数字微阵列反射镜6-4上，数字微阵列反射镜6-4通过加载随机矩阵A对其反射光进行光强调制；

步骤2)、压缩采样的步骤；

所述光电探测器8-2在对应的数字微阵列反射镜6-4每次翻转的时间间隔内同时采样，并将光电探测器转换后的数值作为最终的测量值y；

步骤3)、信号重建的步骤；

所述二值随机测量矩阵A测量值y与一起作为压缩算法模块9-2的输入，选取合适的稀疏基使得成像x能由最少量的系数表示，通过压缩感知算法进行信号重建，最终实现多目标物体的光谱编码图像。

步骤4)、光谱图像变换步骤；

所述的光谱图像变换将N阶光谱编码图像，采用Hadamard反变换方法获得光谱成像。

上述技术方案中，其特征在于，所述压缩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为空间光调制器的测量矩阵，Ψ为n×n稀疏基，一般Ψ为正交矩阵，x′＝Ψ^{- 1}x，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)次调制时加载的p×q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。

以上是对本发明的基于压缩感知的编码模板多目标主动成像光谱系统的总体结构的描述，下面对其中各个部件的具体实现做进一步的描述。

所述数字微阵列反射镜单元能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，是实时光学信息处理、自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。其种类有很多种，主要有数字微镜器件(DigitalMicro-mirror Device，简称DMD)、毛玻璃、液晶光阀等，这里所用到的调制为包括振幅调制在内的光强调制。

本实施例中所采用的DMD是包含有成千上万个安装在铰链上的微镜的阵列(主流的DMD由1024×768的阵列构成，最大可至2048×1152)，每一镜片的尺寸为14μm×14μm(或16μm×16μm)并可以通断一个像素的光，这些微镜皆悬浮着，通过对每一个镜片下的存储单元都以二进制平面信号进行电子化寻址，便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜10-12°左右(本实施例中取+12°和-12°)，把这两种状态记为1和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种编码模板多目标主动成像光谱系统，其特征在于，所述系统包括望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、总压缩算法模块、光栅单元、变换光学单元和主动光源单元；

所述望远镜单元包括凹面反射镜(1)、凸面反射镜(2)和反射镜(3)；

所述成像透镜单元包括第一成像透镜(4-1)和第二成像透镜(4-2)；

所述光扩束准直单元包括第一光扩束准直透镜(5-1)和第二光扩束准直透镜(5-2)；

所述数字微阵列反射镜单元包括第一数字微阵列反射镜(6-1)、第二数字微阵列反射镜(6-2)、第三数字微阵列反射镜(6-3)和第四数字微阵列反射镜(6-4)；

所述汇聚透镜单元包括第一汇聚透镜(7-1)和第二汇聚透镜(7-2)；

所述光电探测器单元包括第一光电探测器(8-1)和第二光电探测器(8-2)；

所述总压缩算法模块包括压缩计算关联模块(9-1)和压缩算法模块(9-2)；

所述光栅单元包括第一光栅部件(10-1)和第二光栅部件(10-2)；

所述变换光学单元包括第一变换透镜(11-1)和第二变换透镜(11-2)；

所述主动光源单元包括连续光源(13)、聚焦透镜(14)、光源扩束透镜(15)、第一光源反射镜(16-1)、第二光源反射镜(16-2)和第三光源反射镜(16-3)；

通过第一成像透镜(4-1)成像后，经过第一光扩束准直透镜(5-1)将多目标图像映射到第一数字微阵列反射镜(6-1)表面，通过控制第一数字微阵列反射镜(6-1)将光束分成两束光；第一束光经过第二数字微阵列反射镜(6-2)对光束一随机调制后，再通过第一汇聚透镜(7-1)汇聚后入射到第一光电探测器(8-1)，经压缩计算关联模块(9-1)重构多目标图像，为后续成像光谱选择有效的多目标观测对象；第二束光经过第一光栅部件(10-1)分光后，通过第一变换透镜(11-1)将色散图像映射到第三数字微阵列反射镜(6-3)，经过对色散图像的Hadamard变换编码模板编码后，再通过第二变换透镜(11-2)变换后入射到第二光栅部件(10-2)合光后，再通过第二成像透镜(4-2)成像后，获得的光谱编码图像通过第二光扩束准直透镜(5-2)将编码图像入射到第四数字微阵列反射镜(6-4)，对光谱编码图像进行随机光学调制后，再通过第二汇聚透镜(7-2)汇聚后入射到第二光电探测器(8-2)，经压缩算法模块(9-2)重构多目标光谱编码图像，再经过Hadamard反变换模块(12)即可获得观测对象的多目标光谱图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩计算关联模块(9-1)和压缩算法模块(9-2)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，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。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连续光源(13)发射出成像照明光源，经聚焦透镜(14)聚焦后，再通过光源扩束透镜(15)后，再经过第一光源反射镜(16-1)、第二光源反射镜(16-2)和第三光源反射镜(16-3)反射后，照射到望远镜单元所观测的有效视场区域，再经过与有效观测目标的相关作用后，反射回接收望远镜单元；其中连续光源包含紫外、可见光和红外波段的连续谱光源，包括超连续谱光源、超波段连续光源和脉冲连续谱光源；

所述Hadamard反变换模块(12)，经由第二汇聚透镜(7-2)汇聚后的光信号，然后输入到压缩算法模块(9-2)，通过压缩算法模块重构出N个光谱编码图像，然后对N个光谱编码图像进行Hadamard反变换后形成多目标物体的光谱图像。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二数字微阵列反射镜(6-2)和第四数字微阵列反射镜(6-4)与对应第一光电探测器(8-1)和第二光电探测器(8-2)之间同步，第二数字微阵列反射镜(6-2)和第四数字微阵列反射镜(6-4)中的微镜阵列每翻转一次，对应的第一光电探测器(8-1)和第二光电探测器(8-2)中的每个独立探测器在该翻转时间间隔内累计探测到达所有光强，实现光电信号采集转换，然后送到对应的压缩计算关联模块(9-1)和压缩算法模块(9-2)。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三数字微阵列反射镜(6-3)应与第四数字微阵列反射镜(6-4)及第二光电探测器(8-2)之间需同步，第三数字微阵列反射镜(6-3)中的微镜阵列每进行一次Hadamard编码，第四数字微阵列反射镜(6-4)、第二光电探测器(8-2)和压缩算法模块(9-2)完成一幅光谱编码图像重构，直到完成Hadamard编码的阶数N个光谱编码图像；

所述第二数字微阵列反射镜(6-2)与第一光电探测器(8-1)通过压缩计算关联模块(9-1)重构的多目标物体图像，通过对多目标物体识别后，调整第一数字微阵列反射镜(6-1)使多目标物体有效图像区域分光到第一光栅部件(10-1)，进行后续光谱成像；图像中无物体的背景光将被去除掉，有效减少背景噪声对成像光谱的噪声水平，充分提高成像光谱的信噪比。