CN104316179A - 一种光谱压缩的超光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

一种光谱压缩的超光谱成像系统，包括望远系统、掩膜、光谱成像系统、线阵探测器组件、信号处理模块。掩膜位于望远系统的成像面上，对入射的光束进行调制。光谱成像系统位于掩膜后面，将通过掩膜的光束进行光谱细分，并成像在线阵探测器组件上。线阵探测器组件将入射光信号转化为数字信号。信号处理模块对获得的信号进行处理从而获得目标的光谱信息，本发明将压缩感知成像技术与超光谱成像技术结合，将丰富的场景光谱信息压缩采样到少量的探测器数据中，对获得的图谱进行重构，利用目标的低维投影重建目标的高维数字模型，实现线阵探测器的超光谱成像。本发明降低了探测器规模及成像系统的复杂度和超光谱成像对面阵探测器的技术依赖。

Description

一种光谱压缩的超光谱成像系统

技术领域

本发明属于航天光学遥感技术领域，具体地，涉及一种光谱压缩的超光谱成像系统。

背景技术

超光谱成像仪目前在国内外均采用面阵探测器，在沿轨方向获取目标的光谱信息，在穿轨方向获取目标的空间信息。由于面阵探测器与线阵探测器相比，数据量骤增，受探测器读出速率、转移效率和工艺尺寸等因素影响，面阵探测器的规模和帧频很难做高，极大程度地限制了我国超光谱成像技术的空间应用。因此，提供一种高性能的探测器成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种光谱压缩的超光谱成像系统，将原来的光谱维信息稀疏采样后压缩成一列，再通过特征解耦方法对压缩数据进行高精度重构，采用线阵探测器替代面阵探测器获取目标的空间和光谱数据立方体，以降低探测器规模及成像系统的复杂度，解决传统超光谱成像仪中的高性能面阵探测器获取困难、幅宽难以增大的问题。

本发明解决上述技术问题的解决方案包括：

一种光谱压缩的超光谱成像系统，包括依次布置的望远系统、掩膜、光谱成像系统、线阵探测器组件、以及信号处理模块，其中，光谱成像系统为色散型分光系统，包括会聚系统、色散系统、楔形棱镜以及成像系统，并且楔形棱镜与色散系统放置的色散方向互相垂直，其中，望远系统位于整个超光谱成像系统的最前端，将来自地面物体的光束会聚在其后焦平面上；掩膜位于望远系统的后焦平面上，对来自望远系统的光束进行调制，对通过望远系统的地面物体信息进行0和1的混叠编码，使部分光束通过，部分光束遮挡，实现对地面物体的稀疏采样；光谱成像系统的前焦平面与望远系统的后焦平面重合，对通过所述掩膜的光束进行光谱细分和光谱交错混叠，并成像在线阵探测器组件上；通过掩膜的光束经过光谱成像系统的会聚系统会聚后，成为平行光束，入射到色散系统上，经色散分光获取地面物体的光谱信息后进入楔形棱镜，实现光谱交错、混叠，然后进入成像系统，获取地面物体混叠后的光谱信息，并成像到线阵探测器组件上，使得单个地面像元目标的光谱信息经光谱成像系统被压缩到线阵探测器的单个像元中，实现景物光谱维的多个像素点与一个探测器像元的对应；线阵探测器组件位于光谱成像系统的焦面上，接收来自光谱成像系统的入射光信号并将其转化为数字信号；信号处理模块对从线阵探测器组件获得的数字信号进行处理，通过特征解耦的方法将被遮挡的光束的空间信息和光谱信息恢复出来，以获得全部地面物体的光谱信息和空间信息。

优选地，对于长焦距小视场，望远系统采用折射式结构，对于长焦距中等视场，望远系统采用折反射式结构，对于中等焦距或短焦距，中等视场或大视场，望远系统采用反射式结构。

优选地，会聚系统和成像系统均可采用折射式、反射式或折反射式结构，所述色散系统可采用棱镜或光栅。

优选地，掩膜的数字微镜阵列的编码形式可采用均匀冗余阵列或修正的均匀冗余阵列。

优选地，线阵探测器组件包括线阵探测器及相关控制电路。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明对一种光谱压缩的超光谱成像系统进行了创新设计，成像系统由望远系统、掩膜、光谱成像系统、线阵探测器组件以及信号处理模块组成。通过将压缩感知成像技术与超光谱成像技术结合，将丰富的场景光谱信息压缩采样到少量的探测器数据中，再对获得的图谱进行重构的方法，利用目标的低维投影，重建目标的高维数字模型，从而实现线阵探测器的超光谱成像。本发明采用线阵探测器替代面阵探测器获取目标的空间和光谱数据立方体，降低了探测器规模及成像系统的复杂度和超光谱成像对面阵探测器的技术依赖。

(2)本发明成像系统通过在光路中加入掩膜板，对原始的超光谱数据进行混叠编码，将光谱维的数据压缩采样，使得单个地面像元目标的光谱信息被压缩到线阵探测器的单个像元中，实现景物光谱维的多个像素点与一个探测器像元的对应，再应用压缩感知理论对压缩采样数据进行处理，实现高精度重建。

(3)本发明采用线阵探测器来实现超光谱成像，回避了面阵探测器由于受帧频、规模等指标限制，超光谱成像难以实现大幅宽的难题，本发明使用长线列线阵探测器能够实现超大幅宽超光谱成像，推动超光谱成像技术的空间应用。

附图说明

图1为根据本发明的光谱压缩的超光谱成像系统的组成原理示意图；

图2为本发明采用的超光谱成像光学系统图；

图3为本发明的空间、光谱混叠编码原理图；

图4为本发明采用的均匀冗余阵列(URA)掩膜；

图5为本发明采用的修正均匀冗余阵列(MURA)掩膜；

图6为本发明采用的中心化后修正均匀冗余阵列(MURA)掩膜；

图7为本发明实施例中采用的光学系统图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的超光谱成像系统做进一步详细的说明。

如图1和图2所示，根据本发明的光谱压缩的超光谱成像系统包括望远系统1、掩膜2、光谱成像系统3、线阵探测器组件4以及信号处理模块5五部分。来自地面景物的光束通过望远系统1，会聚在望远系统的后焦平面上，此处即为掩膜2的放置位置，且望远系统的后焦平面与后面的光谱成像系统3的前焦平面重合。光谱成像系统3为色散型分光系统，即采用色散元件(棱镜、光栅等)实现光谱分光，包括会聚系统3-1、色散系统3-2、楔形棱镜3-3以及成像系统3-4四部分。

光束经过会聚系统3-1后，成为平行光束，入射到色散系统3-2上，利用掩膜2对地面景物信息进行0和1进行编码，使部分光束通过，部分光束遮挡，实现压缩采样，通过楔形棱镜3-3实现光谱交错、混叠，然后进入成像系统3-4，进行光谱细分，获取目标的光谱信息，并成像在线阵探测器组件4上。线阵探测器组件4位于光谱成像系统的焦面上，对入射光信号进行接收并将其转化为数字信号。信号处理模块5对线阵探测器组件4获得的数字信号进行处理，将被遮挡的光束的空间信息和光谱信息恢复出来，获得全部入射光的光谱信息和空间信息。其中，线阵探测器组件4包括线阵探测器及相关控制电路。

图3为本发明的空间、光谱混叠编码原理图。Rowi-Rowk为相机推扫时不同时刻获得的超光谱数据，λ为光谱维信息，x为空间维信息。传统的超光谱成像技术采用面阵探测器接收超光谱数据，本项目通过在光路中加入掩膜板，对原始的超光谱数据进行混叠编码，将光谱维的数据压缩在单个像元阵列中，使不同时刻获得的超光谱数据Rowi-Rowk分别用线阵探测器接收，然后通过特征解耦的方法对压缩数据进行高精度重建。

望远系统1根据超光谱成像系统的焦距和视场要求不同，可以采用折射式、反射式或折反射式结构，对于长焦距小视场，望远系统采用折射式，对于长焦距中等视场，望远系统采用折反射式，对于中等焦距或短焦距，中等视场或大视场，望远系统采用反射式的结构型式实现。

会聚系统3-1和成像系统3-4可以采用折射式、反射式或折反射式结构，色散系统3-2可以采用棱镜或光栅等色散元件。掩膜2的数字微镜阵列上的编码的形式，可以采用均匀冗余阵列(URA)、修正的均匀冗余阵列(MURA)等几种形式。

均匀冗余阵列(URA)是指阵列排列模式中对于每个确定的间隔出现一对小孔的次数是相同的都具有无相关噪声和光通量大的特性。通常情况下URA阵列专指二次剩余阵列。

二维URA阵列可以用矩阵(A_ij)_r×s表示，r和s分别为矩阵的行数和列数，r和s是互质数，且r-s＝2，A_ij满足下式：

$A_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{ccc}0& \mathrm{if}& i=0\\ 1& \mathrm{if}& j=0,i\≠0\\ 1& \mathrm{if}& c_r\left(i\right)c_s\left(j\right)=1\\ 0& \mathrm{otherwise}& \end{array}\right.---\left(1\right)$

其中0≤i≤r-1，0≤j≤s-1，c_r(i)满足：

c_s(i)也满足类似的关系。

URA自相关函数“尖峰”高度等于即编码板开孔的个数。如图4所示为本发明采用的均匀冗余阵列(URA)掩膜，图4为URA(31×29)阵列，黑色基本单元代表“0”，指光不通过，白色小孔基本单元代表“1”，指光通过。

修正均匀冗余阵列(MURA)是由URA阵列演变而来。MURA阵列的行数r和列数s相等，设MURA阵列行数和列数为p，p为素数。它产生的规则和URA相同。

经过修正之后，MURA阵列除具有URA理想相关特性之外，最大的特点是矩阵的形状是方形。为提高MURA编码板小孔排列的对称性，改善重建图像的质量，将按上述规则产出的编码板中心化，即编码板(A_ij)_p×p阵列i＝0行和j＝0列周期变换到编码板阵列中心，使编码板成中心对称或中心反对称图形。如图5所示为本发明采用的修正均匀冗余阵列(MURA)掩膜，图6所示为本发明采用的中心化后修正均匀冗余阵列(MURA)掩膜，图5和图6分别为中心化前后的MURA(31×31)码编码板。MURA与URA一样，系统点扩散函数PSF“尖峰”的高度等于开孔的个数，且远离尖峰没有起伏波动。

掩膜2为可用电压控制光通过和不通过的数字微镜阵列，掩膜通过控制某些光束通过，某些光束不通过，对前方入射的光束进行调制。线阵探测器，即探测器像元只有1列，或者等效为1列的探测器。

根据本发明的一个实施例为工作谱段0.4μm-1.0μm，光学系统焦距500mm，F/#为4，视场角2.3°。光学系统光路如图7所示，光谱压缩的超光谱成像系统包括望远系统、掩膜、光谱成像系统和线阵探测器。其中望远系统采用离轴三反型式，光谱成像系统的色散元件采用光栅。

入射光束依次经望远系统1中的主反射镜1-1、次反射镜1-2、第三反射镜1-3成近似完善像，再经掩膜2对光束进行编码压缩，进入光谱成像系统3中的会聚镜3-1，对前面光束准直后进入光栅3-2色散分光谱，经楔形棱镜3-3对光谱进行交错混叠后，进入成像镜3-4，成像到线阵探测器组件4上。

在此需要说明的是，对于本说明书未作详细描述的内容，如望远系统、准直系统等的具体结构，由于这些内容是本领域技术人员公知的，或者通过结合本说明书的描述以及现有技术能够容易地实现，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光谱压缩的超光谱成像系统，其特征在于，包括依次布置的望远系统(1)、掩膜(2)、光谱成像系统(3)、线阵探测器组件(4)、以及信号处理模块(5)，其中，光谱成像系统(3)为色散型分光系统，包括会聚系统(3-1)、色散系统(3-2)、楔形棱镜(3-3)以及成像系统(3-4)，并且楔形棱镜(3-3)与色散系统(3-2)放置的色散方向互相垂直；

望远系统(1)位于整个超光谱成像系统的最前端，将来自地面物体的光束会聚在其后焦平面上；

掩膜(2)位于望远系统(1)的后焦平面上，对来自望远系统(1)的光束进行调制，对通过望远系统(1)的地面物体信息进行0和1的混叠编码，使部分光束通过，部分光束遮挡，实现对地面物体的稀疏采样；

光谱成像系统(3)的前焦平面与望远系统(1)的后焦平面重合，对通过所述掩膜(2)的光束进行光谱细分和光谱交错混叠，并成像在线阵探测器组件(4)上；通过掩膜(2)的光束经过光谱成像系统的会聚系统(3-1)会聚后，成为平行光束，入射到色散系统(3-2)上，经色散分光获取地面物体的光谱信息后进入楔形棱镜(3-3)，实现光谱交错、混叠，然后进入成像系统(3-4)，获取地面物体混叠后的光谱信息，并成像到线阵探测器组件(4)上，使得单个地面像元目标的光谱信息经光谱成像系统被压缩到线阵探测器的单个像元中，实现景物光谱维的多个像素点与一个探测器像元的对应；

线阵探测器组件(4)位于光谱成像系统的焦面上，接收来自光谱成像系统(3)的入射光信号并将其转化为数字信号；

信号处理模块(5)对从线阵探测器组件(4)获得的数字信号进行处理，通过特征解耦的方法将被遮挡的光束的空间信息和光谱信息恢复出来，以获得全部地面物体的光谱信息和空间信息。

2.根据权利要求1所述的光谱压缩的超光谱成像系统，其特征在于，对于长焦距小视场，望远系统(1)采用折射式结构，对于长焦距中等视场，望远系统(1)采用折反射式结构，对于中等焦距或短焦距，中等视场或大视场，望远系统(1)采用反射式结构。

3.根据权利要求1所述的光谱压缩的超光谱成像系统，其特征在于，所述会聚系统(3-1)和成像系统(3-4)均可采用折射式、反射式或折反射式结构，所述色散系统(3-2)可采用棱镜或光栅。

4.根据权利要求1所述的光谱压缩的超光谱成像系统，其特征在于，所述掩膜(2)的数字微镜阵列的编码形式可采用均匀冗余阵列或修正的均匀冗余阵列。

5.根据权利要求1所述的光谱压缩的超光谱成像系统，其特征在于，所述线阵探测器组件(4)包括线阵探测器及相关控制电路。