CN104036463B - 一种编码孔径光谱成像仪的编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种编码孔径光谱成像仪的编码方法，该方法包括：根据光学系统视场，焦距和探测器的像元大小确定编码孔径的编码数量；根据预设的通光量及所述编码孔径的编码数量设计出N组一维向量，分别对所述N组一维向量进行正交变换，再进行求逆运算，并剔除求逆运算所得矩阵中包含有无穷大元素或无穷小元素的一维向量，获得M组一维可循环向量；其中，M<N；分别对所述M组一维可循环向量进行自循环矩阵处理，再对每个新生成的矩阵求正交变换的逆变换，完成二维正交变换自循环性编码。通过本发明公开的编码方法，增加编码孔径光谱成像仪的实用性，可以提供多波段光谱大面阵成像空间的光场传输和调制。

Description

一种编码孔径光谱成像仪的编码方法

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种编码孔径光谱成像仪的编码方法。

背景技术

光谱成像仪能够同时获取目标的二维空间图像和一维光谱信息，既能直观反映被测目标的几何形貌，又能提供目标的理化属性，是一种图谱结合的探测手段。上个世纪八十年代以来，光谱成像技术开始被广泛应用于航天航空遥感成像，通过飞行器搭载，在矿产与石油资源探测、水质及大气污染监测、精准农业和林业等领域取得了瞩目成就。目前，这项技术已经逐步渗透到生物医学、艺术品防伪鉴定、食品安全监测、疾病的控制与治疗等民用领域，获得了越来越广泛的研究与运用。

光谱成像技术从原理上分，主要有色散型、干涉型、滤光片型、计算层析型和衍射光学元件型等。其中，色散型光谱成像仪是最早提出并获得实用化的光谱成像仪器，它具有原理简单、易于实现等优点，包含棱镜色散和光栅色散两种基本的结构形式。而这两种结构形式各有优缺点，棱镜色散型的光谱成像仪比光栅色散型的光通量利用率高，但色散程度不如光栅精细，且难于计量定标，致使其后续成像空间分辨率和光谱分辨率将略逊于光栅色散型成像光谱仪。

编码孔径光谱成像仪则巧妙解决这一矛盾，其通过采用具有哈达玛变换(hadamard transfer)性质的编码孔径代替常规光谱成像仪中狭缝通光，实现多孔调制目标空间光学信息，采用分光元件(色散棱镜或光栅)使目标光谱信息色散成像在探测器，这样即可以较传统光谱成像仪提高空间分辨率和光谱分辨率，同时也保障了更高的光通量。这样的光谱成像仪同时也被称为哈达玛变换光谱成像仪。

现有的编码孔径光栅色散型光谱成像仪如图1所示。由前置光学系统、哈达玛编码孔径、分光系统及数据采集系统构成，其工作原理为：前置光学系统将目标成像于哈达玛编码孔径表面，阿达玛光阑限制了参与哈达玛变换编码的视场范围，哈达玛模板取代常规光栅分光装置的入射狭缝,经编码孔径调制的目标像经准直镜准直、光栅分光后被聚焦镜聚焦于面阵CCD的靶面上。

但由于光栅色散本身对通光调制的狭缝位置要求也很精确，如采用传统哈达玛变换型的编码孔径就不可避免会引起各个波段的成像条纹光谱混叠，对编码孔径如果不加相应修正和更改，将对整体光谱成像仪的光场调制效能十分不利，这将最终反映到成像结果，对复原反演的难度和精度也将大幅增加；同时，现有的编码孔径光栅色散型光谱成像仪采用的编码孔径普遍都是小视场调制光场，其目标光谱复原也将小区域范围。面对大幅宽成像尚未涉及，这显然影响哈达玛变换光谱成像仪应用的范围和时效性。而采用棱镜色散型的哈达玛变换光谱成像仪，由于棱镜色散有其自身的谱线弯曲畸变以及非线性的色散效应；并且，在目前传统哈达玛变换光谱成像仪的专利和文献报道中未见提供有针对性的编码孔径解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种编码孔径光谱成像仪的编码方法，增加编码孔径光谱成像仪的实用性，可以提供多波段光谱大面阵成像空间的光场传输和调制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种编码孔径光谱成像仪的编码方法，该方法包括：

根据光学系统视场，焦距和探测器的像元大小确定编码孔径的编码数量；

根据预设的通光量及所述编码孔径的编码数量设计出N组一维向量，分别对所述N组一维向量进行正交变换，再进行求逆运算，并剔除求逆运算所得矩阵中包含有无穷大元素或无穷小元素的一维向量，获得M组一维可循环向量；其中，M<N；

分别对所述M组一维可循环向量进行自循环矩阵处理，再对每个新生成的矩阵求正交变换的逆变换，完成二维正交变换自循环性编码。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方案能改变目前常见编码孔径光谱成像仪中编码孔径谱段数少的局限，增加编码孔径光谱成像仪的实用性，提供多波段光谱大面阵成像空间的光场传输和调制，克服常见编码孔径光谱成像仪中光谱波段数少、单行或单列图像复原的缺点，适用于采用编码孔径的棱镜色散型和光栅色散型的光谱成像仪在信息工业、生物医学、食品快速检测等民用领域所需的光谱检测需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的现有的编码孔径光栅色散型光谱成像仪的示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种编码孔径光谱成像仪的编码方法的流程图；

图3为本发明实施例一提供的一种二维正交变换自循环性编码孔径实体参数的计算流程图；

图4为本发明实施例一提供的二维正交变换自循环性编码孔径在光谱成像仪装调前所需的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图2为本发明实施例一提供的一种编码孔径光谱成像仪的编码方法的流程图。如图2所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤21、确定编码孔径的编码数量。

本发明实施例中，根据光学系统视场，焦距和探测器的像元大小确定编码孔径的编码数量，从而也确定了光谱成像仪中探测采集到的图像面阵大小。

示例性的，如果某一个光学系统的视场角和焦距在其相应选型的探测器面阵上形成1000*1000的视场成像区域，则考虑到衍射极限效应和装调，反演能够实现效能，则可以计算选择编码孔径的编码数量为500*500，即每个编码像元占2*2个探测器像素大小。

上述探测器面阵上形成的视场成像区域大小可采用如图3所示的方式做近似计算。主要考虑两个因素：第一因素包含了成像系统视场角、探测器大小等系统参数，涉及到设计编码板的整体大小；第二因素包含了物距、焦距、空间分辨率、放大率、灵敏度等系统参数，涉及到设计编码孔径的整体大小；最后，共同确定了二维正交变换自循环性编码孔径的实体参数；该参数可近似为探测器面阵上形成的视场成像区域大小。

步骤22、确定通光量。

编码孔径可以有多种，从外围形状上考虑为圆形或正方形，从数学形式上分具有数学变换特性或随机；从码元上排列划分有一维或二维。正交变换自循环性编码孔径需考虑光谱成像仪的具体结构以及用途而设计。光谱成像仪一般具有光谱工作范围，根据编码孔径的大小及图像分辨率和光谱范围特性共同确定编码孔径应选取的码元数及码元大小，因此从信噪比和探测器的动态响应特性上，考虑到混叠图像必考虑光谱成像仪的系统放大率，特别是探测采样数据量与成像过程中被编码孔径稀疏的数据量之间的最大比例关系，通常情况下通光量可以选择在50％左右，但是，用户也可以根据需求或者实际情况设定相应的通光量，在此不做限制。

步骤23、设计一维可循环向量。

本发明实施例中，编码孔径能够实现编码和解码，编码排列须满足以下条件：第一，要求编码排列之间应线性无关；第二，要使编码效果理想，码元应选0或1，即透光或者不透光；第三，为了获得优化的信噪比和探测器动态响应特性，通常每一编码排列中，透光元素和不透光元素相当为宜(通光量为50％时)；第四，编码排列中各透光和不透光码元应按二元伪随机序列码的顺序排列。

本发明实施例中，根据预设的通光量及所述编码孔径的编码数量设计出N组一维向量，具体的：编码数量可以表示为W×W，根据预设的通光量从一维方向上设计对应的排列向量；其中，每一组一维向量均由表示透光的码元0与表示不透光的码元1组成，且编码排列之间线性无关。

然后，分别对所述N组一维向量进行正交变换，再进行求逆运算，并剔除求逆运算所得矩阵中包含有无穷大元素或无穷小元素的一维向量，获得M组一维可循环向量；其中，M<N。

步骤24、完成二维正交变换自循环性编码。

分别对所述M组一维可循环向量进行自循环矩阵处理，具体方式为：将每一组一维可循环向量一次首尾错开一个像素位置，分别组成矩阵的各个行向量，每两个邻近的矩阵行都具体有错开一个像素的位置特点。

示例性的，若一个最初的一维可循环向量为[1 0 0 1]，则组成的自循环矩阵为：

$\begin{array}{cccc}\&lsqb;1& 0& 0& 1\\ 1& 1& 0& 1\\ 0& 1& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1\&rsqb;\end{array}$

然后，再对每个新生成的矩阵求正交变换的逆变换，通过正交变换和逆变换，可以使得新生成的矩阵条件数最低，冗余性最小。

通过上述处理后可获得二维正交变换自循环编码孔径数学矩阵，从而完成二维正交变换自循环性编码。

由于获得的二维正交变换自循环编码孔径数学矩阵有M组，在实际工作中，还需要选出最优二维正交变换自循环编码孔径数学矩阵，其过程如图4所示，逐一将所述M组二维正交变换自循环编码孔径数学矩阵与哈达玛变换和随机数学形式的编码孔径进行对比分析，获得最优二维正交变换自循环编码孔径数学矩阵并将其作为最优二维正交变换自循环性编码方案进行模板加工。从编码孔径的加工上说，可以采用光刻工艺在玻璃薄膜上蚀刻来实现编码的0-1也就是光通的“开”和“关”，利用压电驱动阵列实现高精度平移定位，在工程上也较易实现。

本发明实施例的技术方案相对于现有技术而言主要有以下优点：

1)设计原理简单、加工装调简单、稳定性好，易于实现轻量化小型化的生产要求；

2)相比同类型采用7或4n-1阶数的哈达玛变换光谱仪方案，不必采用哈达玛变换特性的矩阵，矩阵阶数更随意、更大，复原光谱范围宽，光谱波段数目大，可以不受限于某种属性小阶数的哈达玛循环矩阵函数设计，小至几个波段数，大至数十、上百波段数均可设计实现；光谱波段从可见光到近红外和中波红外均可以；

3)相比同类型随机型的编码孔径光谱成像仪的编码光谱设计方案，能量利用率高，光学信息数据在编码孔径调制过程中，稀疏度高，冗余性小。可以实现大面阵成像面阵探测器的光谱复原。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种编码孔径光谱成像仪的编码方法，其特征在于，该方法包括：

根据光学系统视场，焦距和探测器的像元大小确定编码孔径的编码数量；

根据预设的通光量及所述编码孔径的编码数量设计出N组一维向量，分别对所述N组一维向量进行正交变换，再进行求逆运算，并剔除求逆运算所得矩阵中包含有无穷大元素或无穷小元素的一维向量，获得M组一维可循环向量；其中，M<N；

分别对所述M组一维可循环向量进行自循环矩阵处理，再对每个新生成的矩阵求正交变换的逆变换，完成二维正交变换自循环性编码；

其中，所述根据预设的通光量及所述编码孔径的编码数量设计出N组一维向量包括：

所述编码数量表示为W×W，根据预设的通光量从一维方向上设计对应的排列向量；

其中，每一组一维向量均由表示透光的码元0与表示不透光的码元1组成，且编码排列之间线性无关。

2.根据权利要求1所述的编码方法，其特征在于，所述进行自循环矩阵处理包括：

将每一组一维可循环向量依次首尾错开一个像素位置，分别组成矩阵的各个行向量，每两个邻近的矩阵行都具体有错开一个像素的位置特点。

3.根据权利要求1所述的编码方法，其特征在于，所述完成二维正交变换自循环性编码之后还包括：

当完成二维正交变换自循环性编码时，获得M组二维正交变换自循环编码孔径数学矩阵；

逐一将所述M组二维正交变换自循环编码孔径数学矩阵与哈达玛变换和随机数学形式的编码孔径进行对比分析，获得最优二维正交变换自循环编码孔径数学矩阵并将其作为最优二维正交变换自循环性编码方案进行模板加工。