CN106248207A - 一种高阶映射光谱成像系统及方法 - Google Patents

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王�锋
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Abstract

本发明属于光学领域，尤其涉及一种高阶映射光谱成像系统及方法。本发明基于高阶映射，提出一种新型的高阶映射光谱成像方法。不同于一般的变换，高阶映射具有不同集合对应的特点和高维变换的特点，因而变换域更广、变换维度更高。同时，由于取消了狭缝色散和滤波分光，其高分辨率有所保证，而且高阶映射带来的多通道优势能保证高信噪；特别是，高阶映射可以实现多维信息的一致探测，其较先单维信息探测再组合的多维信息探测方式，其硬件要求降低。本发明的意义主要体现在：解决了高分辨率光谱成像的系统实现问题，解决了高信噪比光谱成像的能量不足问题，解决了高维光谱成像的技术手段问题。

Description

一种高阶映射光谱成像系统及方法
技术领域
本发明属于光学领域，尤其涉及一种高阶映射光谱成像系统及方法。
背景技术
为了实现光谱成像技术向高空间分辨率、高光谱分辨率、高信噪比方向发展，出现了很多不用传统狭缝色散和滤波分光的光谱成像系统，如干涉型光谱成像技术，其特点是利用傅里叶变换，通过多通道采集和舍弃狭缝实现高光谱分辨率下的光能量保证，继而保证高信噪比。干涉光谱成像技术的出现，使得越来越多的研究人员考虑利用数学变换，实现光谱成像，典型的有计算层析光谱成像技术、哈达码变换光谱成像技术、压缩编码光谱成像技术。计算层析的优点是光通量很高，缺点是探测器要求太高，计算速度要求太快，工程应用困难；哈达码变换的优点是多通道探测，光能利用率高，对弱光探测优势明显；压缩编码的优点是数据采样量大幅减少、多通道探测，工程实现难度减低，不足是计算精度有待提高。
综上所述，光谱成像技术正在由直接成像型向变换成像型发展，其特点是狭缝的取消带来的光谱分辨率限制减小，滤波取消带来的空间分辨率限制减少，同时，变换代替狭缝带来的多通道优势使得能量限制减少，这几个变化对提高分辨率并保证高信噪比非常重要。因此，变换型光谱成像技术已成为未来光谱技术发展的重要趋势。
但是，随着光谱成像技术向更高维成像、更高分辨率方向发展，上述现有变换型光谱成像技术会出现不足，如高空间分辨率下干涉型光谱成像技术工程实现复杂，且无法实现高维成像；高空间分辨率下压缩编码光谱成像技术因更精细的编码，其稀疏重构精度无法保证；哈达码变换光谱成像技术还无法实现高维成像；而计算层析光谱成像技术本身对探测器要求太高，工程可行性较差。为此，需要研究新的高维成像并可以保证高分辨率和高信噪比的易工程应用的光谱成像方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高阶映射光谱成像系统及方法，用以克服现有技术在高分辨率、高信噪比下工程实现困难、成像精度变差，无法实现高维成像的缺陷。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种高阶映射光谱成像系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的前置光学系统、高阶映射编码系统、聚焦成像系统、探测器组件、高阶逆映射复原系统。
上述前置光学系统为离轴三反结构或offner结构。
上述高阶映射编码系统包括具有正交编码特性的数字微镜阵列或液晶光阀或光学掩膜板制成的映射调制器，所述高阶映射编码系统为上述单一调制器或多个任意调制器的串联。
上述聚焦成像系统包括透镜。
上述高阶逆映射复原系统包括逆变换或逆算子或基于高阶映射设计的逆映射算法。
本发明还提供一种高阶映射光谱成像方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1)观测目标的原始多维信息经过成像处理，得到目标物像信息；
2)上述目标物像信息通过高阶映射编码调制，得到高阶调制信息；
3)上述高阶调制信息经过聚焦二次成像和信息采集，得到目标观测数据；
4)上述目标观测数据进行高阶逆映射复原处理，得到目标的复原多维信息。
上述步骤2)中高阶映射编码调制包括对空间、光谱甚至偏振、时间等多维信息的高维信息映射调制以及对空间、光谱甚至偏振、时间等多维信息进行高分辨率、高信噪比的高阶映射成像与高阶逆映射复原。
上述映射是单一的映射或多种映射的串联。
本发明的有益效果是：
本发明基于高阶映射，提出一种新型的高阶映射光谱成像方法。不同于一般的变换，高阶映射具有不同集合对应的特点和高维变换的特点，因而变换域更广、变换维度更高。同时，由于取消了狭缝色散和滤波分光，其高分辨率有所保证，而且高阶映射带来的多通道优势能保证高信噪；特别是，高阶映射可以实现多维信息的一致探测，其较先单维信息探测再组合的多维信息探测方式，其硬件要求降低。本发明的意义主要体现在：解决了高分辨率光谱成像的系统实现问题，解决了高信噪比光谱成像的能量不足问题，解决了高维光谱成像的技术手段问题。
附图说明
图1为本发明的高阶映射光谱成像原理构成图。
具体实施方式
如图1所示，前端的成像探测系统依次包括前置光学系统、高阶映射编码系统、聚焦成像系统及探测器组件，后端的数据处理系统，其定义为高阶逆映射复原系统。以二维空间一维光谱构成的三维光谱成像为例，目标原始信息经过离轴三反结构的前置光学系统成像处理，得到目标物像，然后，目标物像通过高阶映射编码系统调制得到高阶调制信息；这里，对于二维空间一维光谱构成的三维光谱成像来说，高阶映射编码系统为具有正交特性的编码矩阵，实现方式为编码的光学掩膜板制成的映射调制器；接着，调制信息经过由单透镜构成的聚焦成像系统，在探测器组件焦平面实现二次成像，并由探测器采集电路完成目标成像数据的获取，最后，基于成像数据，利用高阶逆映射复原系统的高阶数据复原软件，即可得到目标三维信息，这里的高阶逆映射为相应高阶映射的逆变换或者逆算子，也可以是基于高阶映射设计的逆映射算法。

Claims (8)

1.一种高阶映射光谱成像系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的前置光学系统、高阶映射编码系统、聚焦成像系统、探测器组件、高阶逆映射复原系统。
2.根据权利要求1所述的一种高阶映射光谱成像系统，其特征在于：所述前置光学系统为离轴三反结构或offner结构。
3.根据权利要求1所述的一种高阶映射光谱成像系统，其特征在于：所述高阶映射编码系统包括具有正交编码特性的数字微镜阵列或液晶光阀或光学掩膜板制成的映射调制器，所述高阶映射编码系统为上述单一调制器或多个任意调制器的串联。
4.根据权利要求1所述的一种高阶映射光谱成像系统，其特征在于：所述聚焦成像系统包括透镜。
5.根据权利要求1所述的一种高阶映射光谱成像系统，其特征在于：所述高阶逆映射复原系统包括逆变换或逆算子或基于高阶映射设计的逆映射算法。
6.基于权利要求1～5所述的一种高阶映射光谱成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)观测目标的原始多维信息经过成像处理，得到目标物像信息；
2)所述目标物像信息通过高阶映射编码调制，得到高阶调制信息；
3)所述高阶调制信息经过聚焦二次成像和信息采集，得到目标观测数据；
4)所述目标观测数据进行高阶逆映射复原处理，得到目标的复原多维信息。
7.根据权利要求6所述的一种高阶映射光谱成像方法，其特征在于：所述步骤2)中高阶映射编码调制包括对空间、光谱甚至偏振、时间等多维信息的高维信息映射调制以及对空间、光谱甚至偏振、时间等多维信息进行高分辨率、高信噪比的高阶映射成像与高阶逆映射复原。
8.根据权利要求7所述的一种高阶映射光谱成像方法，其特征在于：所述映射是单一的映射或多种映射的串联。
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