CN104390705B - 一种推扫式编码孔径光谱成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推扫式编码孔径光谱成像方法及装置，其中，推扫式编码孔径光谱成像方法包括：成像平台带动成像系统相对景物进行水平移动，成像系统包括依次设置的前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器，成像系统与成像平台固定，成像系统的光轴垂直于景物；景物的光谱数据立方体由前置镜进入景物编码模板，沿景物编码模板逐行遍历，经准直镜后进入分光棱镜，经分光棱镜色散后再经成像镜在探测器上得到混叠数据。光谱成像平台内部无运动部件，形成推扫式光谱成像系统，不仅保留编码孔径光谱成像高通量、高信噪比的特性，更提高光谱成像仪的稳定性与可靠性，为航空航天遥感领域带来高效、高质量的成像方式。

Description

一种推扫式编码孔径光谱成像方法及装置

技术领域

本发明涉及成像光谱仪技术领域，尤其涉及一种推扫式编码孔径光谱成像方法及装置。

背景技术

编码孔径光谱成像技术是近年来光谱成像技术领域的研究热点，该技术采用两维编码模板代替传统光谱成像仪的狭缝，使得系统具有高的光通量和信噪比，因此，在诸多领域(特别是微弱信号探测领域)具有很高的应用价值和潜力.

现有编码孔径光谱成像仪的工作过程如下：编码孔径光谱成像仪与目标间相对位置保持不变(凝视成像)，目标光经前置镜后，汇聚到一次像面，其一次像面位置与编码模板平面重合，目标一次像经编码模板进行编码调制后，到达准直镜，经准直镜准直后变为准直光，到达色散原件，经色散原件(棱镜等)色散后，变为一系列单色准直光，并到达成像镜，经成像镜后在探测器成像，得到经编码模板调制后的混叠图谱数据。通过变换不同的编码模板，可以实现对目标的不同调制，并对得到的不同编码模板调制后的混叠图谱数据进行数学重构，可以得到目标的图谱信息。

编码孔径光谱成像技术具有高通量、高信噪比等原理性优点，但是其在应用过程中，存在如下的核心问题，极大限制了该技术的应用领域：

凝视成像方式不适用于遥感应用。现有编码孔径光谱成像仪在成像过程中，要求其与被测目标间的位置不发生变化，通过改变编码孔径光谱成像仪内部的编码模板，实现不同编码调制下的光谱成像探测，而对于遥感应用来说，多数情况下，遥感平台(如卫星、飞机)与被测目标间存在相对运动，很难实现凝视成像。

编码孔径光谱成像仪中存在编码模板活动部件，降低了稳定性和可靠性。现有编码孔径光谱成像仪在遥感应用过程中，会受很多外界环境的影响(如振动、冲击等)，活动部件极大降低了仪器的稳定性和可靠性。

因此，现有编码孔径光谱成像技术目前的应用领域主要以地面和实验室应用为主，在航空航天遥感领域的应用几乎是空白。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种推扫式编码孔径光谱成像方法及装置，提高光谱成像系统的稳定性和普适性。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种推扫式编码孔径光谱成像方法，包括：

成像平台带动成像系统相对景物进行水平移动，所述成像系统包括依次设置的前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器，所述成像系统与所述成像平台固定，所述成像系统的光轴垂直于所述景物；

所述景物的光谱数据立方体由所述前置镜进入景物编码模板，沿景物编码模板逐行遍历，经所述准直镜后进入所述分光棱镜，经所述分光棱镜色散后再经所述成像镜在所述探测器上得到混叠数据。

一种推扫式编码孔径光谱成像装置，包括成像平台以及与所述成像平台固定的成像系统，所述成像系统包括依次设置的前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器，所述成像系统与所述成像平台固定，成像平台用于带动成像系统相对景物进行水平移动，所述成像系统的光轴垂直与于所述景物。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器共同组成成像系统，固定于光谱成像平台，平台内部无运动部件，形成推扫式光谱成像系统，不仅保留编码孔径光谱成像高通量、高信噪比的特性，更提高光谱成像仪的稳定性与可靠性，为航空航天遥感领域带来高效、高质量的成像方式。

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为本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像方法流程示意图。

图2为本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置构成示意图。

图3为本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置探测过程示意图。

图4为本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置编码成像过程示意图。

图5为本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置与现有编码孔径光谱成像仪中平台移动方向与色散方向关系示意图，图5(a)为现有编码孔径光谱成像仪中平台移动方向与色散方向关系示意图，图5(b)为推扫式编码孔径光谱成像装置中平台移动方向与色散方向关系示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例一种推扫式编码孔径光谱成像方法，包括：

11、光谱成像平台带动成像系统相对景物进行水平移动，所述成像系统包括依次设置的前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器，所述成像系统与所述光谱成像平台固定，所述成像系统的光轴垂直于所述景物；

12、所述景物的光谱数据立方体由所述前置镜进入景物编码模板，沿景物编码模板逐行遍历，经所述准直镜后进入所述分光棱镜，经所述分光棱镜色散后再经所述成像镜在所述探测器上得到混叠数据。

本领域技术人员可以理解，成像系统的光轴可以为系统的对称轴。

本领域技术人员可以参考现有技术理解成像系统及其包括的前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器，如可以参考现有编码孔径光谱成像仪理解，示例性的，目标光经前置镜后，汇聚到一次像面，其一次像面位置与编码模板平面重合，目标一次像经编码模板进行编码调制后，到达准直镜，经准直镜准直后变为准直光，到达色散原件，经色散原件(棱镜等)色散后，变为一系列单色准直光，并到达成像镜，经成像镜后在探测器成像，得到经编码模板调制后的混叠图谱数据。

光谱成像平台可以为平板式或者框架式，等等，本领域技术人员可以理解，光谱成像平台用于安转固定成像系统，光谱成像平台带动成像系统相对景物进行推扫，光谱成像平台的结构不受限制，光谱成像平台与成像系统的安装方式也不受限制，光谱成像平台用于安转固定成像系统，成像系统可以直接安装、通过框架安装在光谱成像平台上。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器共同组成成像系统，固定于光谱成像平台，平台内部无运动部件，形成推扫式光谱成像系统，不仅保留编码孔径光谱成像高通量、高信噪比的特性，更提高光谱成像仪的稳定性与可靠性，为航空航天遥感领域带来高效、高质量的成像方式。

可选的，分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向一致，或者，分光棱镜的色散方向与编码模板的列方向一致。

本领域技术人员可以理解，分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向或者列方向一致，但仅仅只能选择一个方向保持一致，以便保证只有一个方向有色散混叠。

可选的，成像系统的移动方向与分光棱镜的色散方向垂直。

本领域技术人员可以理解，可以通过沿光轴旋转分光元件(如分光棱镜)改变色散方向，在此不作赘述。

色散方向改变的目的是保证色散方向与成像系统整体移动方向垂直，此时，编码模板随系统同步移动，可以保证编码模板每一行与目标间的相对移动，都不会对其他行产生色散混叠影响。

具体的，如图4所示，分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向一致时，景物的光谱数据立方体沿编码模板逐行遍历，经分光棱镜色散后在探测器上得到混叠数据，可以包括：

光谱数据立方体沿垂直于分光棱镜的色散方向移动1行，光谱数据立方体的第N-1行数据相应的被编码模板的第N行调制，在探测器的第N行形成编码混叠信号，N大于等于2。

本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像方法，解决了现有编码孔径光谱成像仪稳定性和可靠性低，不适用于遥感应用的缺陷，本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像方法对系统运动形式和成像方式进行设计和完善，使得编码模板、分光棱镜、探测器及相关光学元件(前置镜、准直镜、成像镜等)共同组成成像系统，安装于成像平台，实现平台整体推扫成像，提升系统稳定性与可靠性。

如图2所示，对应上述实施例推扫式编码孔径光谱成像方法，本发明实施例一种推扫式编码孔径光谱成像装置，包括光谱成像平台21以及与其固定的成像系统22，成像系统22包括依次设置的前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器，成像系统22与光谱成像平台21固定，光谱成像平台21用于带动成像系统22相对景物进行水平移动，成像系统22的光轴垂直于景物23。

本领域技术人员可以理解，成像系统的光轴可以为系统的对称轴。

本领域技术人员可以参考现有技术理解成像系统及其包括的前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器，如可以参考现有编码孔径光谱成像仪理解，示例性的，目标光经前置镜后，汇聚到一次像面，其一次像面位置与编码模板平面重合，目标一次像经编码模板进行编码调制后，到达准直镜，经准直镜准直后变为准直光，到达色散原件，经色散原件(棱镜等)色散后，变为一系列单色准直光，并到达成像镜，经成像镜后在探测器成像，得到经编码模板调制后的混叠图谱数据。

光谱成像平台可以为平板式或者框架式，等等，本领域技术人员可以理解，光谱成像平台用于安转固定成像系统，光谱成像平台带动成像系统相对景物进行推扫，光谱成像平台的结构不受限制，光谱成像平台与成像系统的安装方式也不受限制，光谱成像平台用于安转固定成像系统，成像系统可以直接安装、通过框架安装在光谱成像平台上。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器共同组成成像系统，固定于光谱成像平台，平台内部无运动部件，形成推扫式光谱成像系统，不仅保留编码孔径光谱成像高通量、高信噪比的特性，更提高光谱成像仪的稳定性与可靠性，为航空航天遥感领域带来高效、高质量的成像方式。

可选的，分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向一致，或者，分光棱镜的色散方向与编码模板的列方向一致。

本领域技术人员可以理解，分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向或者列方向一致，但仅仅只能选择一个方向保持一致，以便保证只有一个方向有色散混叠。

可选的，成像系统的移动方向与分光棱镜的色散方向垂直。

本领域技术人员可以理解，可以通过沿光轴旋转分光元件(如分光棱镜)改变色散方向，在此不作赘述。

色散方向改变的目的是保证色散方向与成像系统整体移动方向垂直，此时，编码模板随系统同步移动，可以保证编码模板每一行与目标间的相对移动，都不会对其他行产生色散混叠影响。

具体的，分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向一致时，景物的光谱数据立方体沿编码模板逐行遍历，经分光棱镜色散后在探测器上得到混叠数据，可以包括：

光谱数据立方体沿垂直于分光棱镜的色散方向移动1行，光谱数据立方体的第N-1行数据相应的被编码模板的第N行调制，在探测器的第N行形成编码混叠信号，N大于等于2。

本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置，解决了现有编码孔径光谱成像仪稳定性和可靠性低，不适用于遥感应用的缺陷，本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置对系统运动形式和成像方式进行设计和完善，使得编码模板、分光棱镜、探测器及相关光学元件(前置镜、准直镜、成像镜等)共同组成成像系统，安装于成像平台，实现平台整体推扫成像，提升系统稳定性与可靠性。

如图3所示，本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置探测过程：

编码模板31、探测器32及相关光学元件(前置镜、准直镜、成像镜等)共同组成成像系统，固定于光谱成像平台33，光谱成像平台33带动编码模板31沿垂直于景物数据立方体34的方向向右(图3箭头所示)移动。

可见，推扫式编码孔径光谱成像系统通过推扫平台整体来实现不同编码方式的变换，而编码模板固定于系统中，成像系统内部各部件无需运动，因此整个成像系统的稳定性高，适合机载、星载平台。

如图4所示，本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置的编码成像过程：

假设推扫式编码孔径光谱成像装置的编码模板41为N行，其探测目标为图4左侧所示景物数据立方体42，光谱成像平台带动编码模板41沿垂直于景物数据立方体42的方向向上移动，即景物数据立方体4相对于光谱成像平台沿垂直向下(图4箭头指向)的方向移动。由于编码模板41固定于光谱成像平台中，推扫式编码孔径光谱成像装置内部无活动部件，通过光谱成像平台整体运动使得景物沿编码模板逐行遍历移动，因而实现推扫式的编码孔径光谱成像。

以景物数据立方体42的第1行421为例，相同颜色数据块代表视场内景物同一谱段的像素点，不同颜色块分别代表不同谱段的光谱信息。假设色散方向与编码模板行411方向一致(亦可与列方向412一致，这里以行方向411为例)，那么每个像素点所包含的光谱信息只在行方向产生色散，数据经过编码模板和棱镜色散之后，不同谱段的信息分布于不同的位置，在探测器上得到数据的混叠信息，如混叠数据43。

在进行第2帧观测时，景物数据立方体的光谱数据立方体沿垂直于色散方向(色散方向与编码模板行411方向一致)移动1行，景物数据立方体的第1行数据相应的被编码模板的第2行调制，在探测器的第2行形成编码混叠信号。以此类推，当景物数据立方体遍历编码模板后，景物数据立方体42依次通过编码模板的N行，进行N次编码混叠成像，得到N次采样数据。

如图5(a)所示，对于现有编码孔径光谱成像仪，采用凝视成像方式，分光元件的色散方向501与运动部件(编码模板)的移动方向502平行。

为了便于理解，图5(a)所示编码模板503，限位孔径504，探测器505，编码模板样式506，入射光线507。

如图5(b)所示，本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置，需要将色散方向进行调整，即通过光轴旋转分光元件改变色散方向，令分光元件的色散方向511与光谱成像平台整体移动方向512垂直。

为了便于理解，图5(b)所示编码模板513，限位孔径514，探测器515，编码模板样式516，入射光线517。

对于本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置，探测器上得到的数据为逐行推扫所得信号的依次叠加，形成混叠的二维数据，最后再对混叠数据进行解算和重构，恢复得到三维光谱数据立方体。如图4所示，就N维编码模板而言，每一帧观测结果对应一个N元一次方程，通过推扫成像系统来改变编码方式，从而进行多次编码调制，观测得到多组N元一次方程。当编码模板对应的系数矩阵为正交矩阵时，可以完全重构图谱数据；当系数矩阵不完全正交时，也可以由一些算法(如约束最小二乘法)通过增加限制条件求最优解，进而重构出高质量的图谱。因此，本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像装置的编码方式具有灵活的选择性。

通过上述描述可见，本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像方法及装置在保留高通量、高信噪比等优点的同时，主要解决当前编码孔径光谱成像仪需要凝视成像、难以应用于航空航天遥感领域的问题，通过调整成像方式、完善系统内部结构，进而提高光谱成像系统的稳定性和普适性。

与现有编码孔径光谱成像系统相比，本发明实施例推扫式编码孔径光谱成像方法及装置具有以下特点：

(1)系统无运动部件

通过推扫平台整体来实现不同编码方式的变换，而成像系统固定于光谱成像平台，成像系统内部各部件无需运动，稳定性高，适合机载、星载平台。

(2)色散方向改变

通过沿光轴旋转分光元件改变色散方向，其目的是保证色散方向与成像系统整体移动方向垂直，此时，编码模板随系统同步移动，可以保证编码模板每一行与目标间的相对移动，都不会对其他行产生色散混叠影响。

(3)编码成像形式改变

探测器上得到的数据为逐行推扫所得信号的依次叠加，形成混叠的二维数据，最后再对混叠数据进行解算和重构，恢复得到三维光谱数据立方体。就N维编码模板而言，每一帧观测结果对应一个N元一次方程，通过推扫成像系统来改变编码方式，从而进行多次编码调制，观测得到多组N元一次方程。当编码模板对应的系数矩阵为正交矩阵时，可以完全重构图谱数据；当系数矩阵不完全正交时，也可以由一些算法通过增加限制条件求最优解，进而重构出高质量的图谱，具有灵活的选择性。

以上，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 (4)

1.一种推扫式编码孔径光谱成像方法，其特征在于，包括：

光谱成像平台带动成像系统相对景物进行水平移动，成像系统包括依次设置的前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器，成像系统与光谱成像平台固定，成像系统的光轴垂直于景物；

景物的光谱数据立方体由前置镜进入景物编码模板，沿景物编码模板逐行遍历，经准直镜后进入分光棱镜，经分光棱镜色散后再经成像镜在探测器上得到混叠数据，分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向一致，或者，分光棱镜的色散方向与编码模板的列方向一致；具体的：分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向一致时，景物的光谱数据立方体沿编码模板逐行遍历，经分光棱镜色散后在探测器上得到混叠数据，包括：光谱数据立方体沿垂直于分光棱镜的色散方向移动1行，光谱数据立方体的第N-1行数据相应的被编码模板的第N行调制，在探测器的第N行形成编码混叠信号，N大于等于2。

2.如权利要求1的推扫式编码孔径光谱成像方法，其特征在于，成像系统的移动方向与分光棱镜的色散方向垂直。

3.一种推扫式编码孔径光谱成像装置，其特征在于，包括光谱成像平台以及与光谱成像平台固定的成像系统，成像系统包括依次设置的前置镜、编码模板、准直镜、分光棱镜、成像镜及探测器，成像系统与光谱成像平台固定，光谱成像平台用于带动成像系统相对景物进行水平移动，成像系统的光轴垂直于景物，分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向一致，或者，分光棱镜的色散方向与编码模板的列方向一致；

分光棱镜的色散方向与编码模板的行方向一致时，光谱数据立方体沿垂直于分光棱镜的色散方向移动1行，光谱数据立方体的第N-1行数据相应的被编码模板的第N行调制，在探测器的第N行形成编码混叠信号，N大于等于2。

4.如权利要求3的推扫式编码孔径光谱成像装置，其特征在于，成像系统的移动方向与分光棱镜的色散方向垂直。