CN107192453A - 一种用于水下的非线性光谱成像系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，涉及一种用于水下的非线性光谱成像系统与方法。包括沿光路依次设置的前置光学系统、非线性晶体单元、准直镜、第一分光元件、DMD或空间光调制器、第二分光元件、成像镜及微光探测器，还包括反馈电压调整系统；光源发射的激光经景物反射后依次通过前置光学系统，非线性晶体单元、准直镜、第一分光元器件、DMD或空间光调制器、第二分光元件、成像镜、微光探测器，获得景物的图像信息；将图像信息发送至反馈电压调整系统；反馈电压调整系统根据图像信息调节非线性晶体单元的电压。解决了光学成像系统在水中不清晰和信噪比低的问题，用于探测海洋水下目标的二维空间信息和光谱信息，获得较高信噪比，提高系统工作距离。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种光谱成像系统与方法，具体涉及一种用于水下的非线性光谱成像系统与方法。
背景技术
由于水介质对光的衰减、光在水中传播时前后向散射、水中杂质的散射作用等，光谱成像系统在水中具有图像对比度差、不清晰和信噪比低的问题，因此很难进行远距离成像。光谱成像系统能够获得两维空间信息和一维光谱信息，由于成像光谱仪的能量被划分到多个谱段，因此每个谱段信噪比更差，系统工作距离更近。
一般认为噪声是有害的，然而基于调制不稳定性的非线性系统可以有效利用噪声，使噪声能量在空间域向信号方向转移，在某个时刻系统信号、噪声达到协同，此时输出信噪比达到峰值，这种技术被称为随机共振技术。将随机共振技术应用到水下光谱成像仪中，提高系统信噪比，从而在一定程度上提高系统的水下探测距离。因此如何将随机共振技术应用到水下光谱成像仪中是一个研究重点。
发明内容
为了解决光学成像系统在水中不清晰和信噪比低，导致探测距离近的问题，本发明提供了一种用于水下的非线性光谱成像系统及方法，用于探测海洋水下目标的二维空间信息和光谱信息，可以获得较高信噪比，提高系统工作距离。
本发明的技术解决方案是提供一种用于水下的非线性光谱成像系统，包括沿光路依次设置的前置光学系统1、准直镜2、第一分光元件、DMD或空间光调制器4、第二分光元件及成像镜6；
其特殊之处在于：
还包括随机共振系统和微光探测器7；
上述微光探测器7位于成像镜6的焦平面处，用于探测图像信息并将图像信息反馈至随机共振系统；
上述随机共振系统包括非线性晶体单元8与反馈电压调整系统；上述非线性晶体单元8位于前置光学系统1的一次像面处，用于对光信号进行非线性调制；上述反馈电压调整系统与微光探测器7及非线性晶体连接，微光探测器7将图像信息反馈至反馈电压调整系统，反馈电压调整系统用于根据微光探测器7反馈的图像信息调整非线性晶体单元8的电压。
优选地，为了解决不同工艺材料生长的非线性晶体仅在某一窄带范围内(100nm)具有随机共振的能力的问题，上述非线性晶体单元8包括四种不同的非线性晶体，排列为田字形放置于前置光学系统1的一次像面处，上述非线性晶体单元能够沿非线性晶体单元的中心轴转动。
优选地，四种不同的非线性晶体分别在不同的窄带范围内具有随机共振能力，四种不同的非线性晶体组合能够实现在可见光范围内随机共振。
优选地，上述第一分光元件与第二分光元件均为光栅。
优选地，上述微光探测器7为EMCCD、SCMOS、CCD或ICCD。
本发明还提供一种基于上述的成像系统的水下的非线性光谱成像方法，包括以下步骤：
步骤一：光源发射的激光经景物反射后进入前置光学系统1，前置光学系统1将入射光信号成像在非线性晶体单元8上，非线性晶体单元8对入射光进行非线性调制后，经过准直镜2准直到达第一分光元件，第一分光元器件对经过非线性调制和准直的光信号进行位移及色散分光，色散分光后的光信号经过DMD或空间光调制器4的编码调制，然后再经过第二分光元件的反向位移和色散汇聚作用，得到编码后的图像数据，编码后的图像数据经过成像镜6成像于微光探测器7，微光探测器7获得景物的图像信息；
步骤二：微光探测器7将图像信息发送至反馈电压调整系统；
步骤三：反馈电压调整系统根据图像信息调节非线性晶体单元8的电压，判断微光探测器7输出图像的变化，直至获得清晰的图像。
优选地，步骤三包括逐步调节四个非线性晶体电压的步骤。
优选地，当系统包括四个非线性晶体时，具体通过：
1)光源发射的激光经景物反射后进入前置光学系统1；
2)以用于水下的非线性光谱成像系统中心为轴线，以90度为间隔，旋转成像系统，使得光线依次通过四个非线性晶体，再分别依次通过准直镜2、第一分光元件、DMD或空间光调制器4、第二分光元件及成像镜6，成像于微光探测器7；
3)微光探测器7获得四次测量结果的图像信息，拼接后形成全视场图像信息；
4)微光探测器7将全视场图像信息反馈至反馈电压调整系统；
5)观察微光探测器7输出图像的变化，反馈电压调整系统根据图像信息分别调整四个非线性晶体的电压，直至获得清晰的图像。
优选地，上述光源为超连续谱白光激光器。
本发明的有益效果是：
1、将非线性晶体放置在前置光学系统的一次像面位置，利用随机共振系统将水下激光光源回波信号中的噪声充分利用，通过不断调整非线性晶体电压，改变噪声能量在非线性晶体空间域分布，使其向信号传播方向转移，在某一时刻系统，信号、噪声达到协同，输出信噪比达到峰值。解决了水下光谱成像信噪低，探测距离短的问题；
2、包括四种不同的非线性晶体，在可见光范围(450-850nm)内实现随机共振；
3、四种不同的非线性晶体以田字形排列，测量过程简单可控。
附图说明
图1为本发明成像系统示意图；
图2为非线性晶体单元8示意图；
图3为成像过程中非线性晶体单元8旋转过程示意图；
图中附图标记为：1-前置光学系统，2-准直镜，3-第一光栅，4-DMD或空间光调制器，5-第二光栅，6-成像镜，7-微光探测器，8-非线性晶体单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
从图1可以看出，本发明系统主体是一个编码孔径光谱成像仪，包括沿光路方向依次设置的前置光学系统1、准直镜2、第一光栅3、DMD或空间光调制器4、第二光栅5、成像镜6，在编码孔径光谱成像仪中加入随机共振系统及微光探测器7，将微光探测器7设置在成像镜6的焦平面处，微光探测器7可以是EMCCD、SCMOS、CCD、ICCD等，随机共振系统包括非线性晶体单元8及反馈电压调整系统，非线性晶体单元8位于前置光学系统1的一次像面处，反馈电压调整系统与非线性晶体单元8及微光探测器7连接。
为了解决不同工艺材料生长的非线性晶体仅在某一窄带范围内(100nm)具有随机共振能力的问题。本发明在可见光范围内采用四种非线性晶体(450-850nm)，排列成田字形，放置在前置光学系统的一次像面处，在可见光范围内实现随机共振。
使用超连续谱白光激光器作为光源，发射的白色激光经过景物反射后被编码孔径光谱成像系统接收；光源发射的激光经景物反射后进入前置光学系统1，前置光学系统1将入射光信号成像在非线性晶体单元8上，非线性晶体单元8对入射光进行非线性调制后，经过准直镜2准直到达第一光栅3，第一光栅3对经过非线性调制和准直的光信号进行位移及色散分光，色散分光后的光信号经过DMD或空间光调制器4的编码调制，然后再经过第二分光元件第二光栅5的反向位移和色散汇聚作用，得到编码后的图像数据，编码后的图像数据经过成像镜6成像于微光探测器7，微光探测器7获得景物的图像信息；
当非线性晶体单元包括四个不同的非线性晶体时，非线性晶体单元能够以非线性光谱成像系统中心为轴线旋转，以90度为间隔，旋转四次，可参见图3，微光探测器7获得四次测量结果。每一次测量均可以计算一个光谱片段，四个光谱片段进行拼接，形成全视场450nm-850nm的光谱曲线，即获得全视场图像信息；微光探测器7将全视场图像信息反馈至反馈电压调整系统；反馈电压调整系统逐步调节每一个非线性晶体的电压，判断微光探测器7输出图像的变化，直至获得最清晰的图像。
编码孔径光谱成像仪能够获取同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息。随机共振系统通过调整非线性晶体的电压，使得非线性系统噪声、系统、信号达到协同、在该状态该成像系统信噪比最高。
Claims (9)
1.一种用于水下的非线性光谱成像系统，包括沿光路依次设置的前置光学系统(1)、准直镜(2)、第一分光元件、DMD或空间光调制器(4)、第二分光元件及成像镜(6)；
其特征在于：
还包括随机共振系统和微光探测器(7)；
所述微光探测器(7)位于成像镜(6)的焦平面处，用于探测图像信息并将图像信息反馈至随机共振系统；
所述随机共振系统包括非线性晶体单元(8)与反馈电压调整系统；所述非线性晶体单元(8)位于前置光学系统(1)的一次像面处，用于对光信号进行非线性调制；所述反馈电压调整系统与微光探测器(7)及非线性晶体连接，用于根据微光探测器(7)反馈的图像信息调整非线性晶体单元(8)的电压。
2.根据权利要求1所述的用于水下的非线性光谱成像系统，其特征在于：非线性晶体单元(8)包括四种不同的非线性晶体，排列为田字形放置于前置光学系统(1)的一次像面处，所述非线性晶体单元能够沿其中心轴转动。
3.根据权利要求2所述的用于水下的非线性光谱成像系统，其特征在于：四种不同的非线性晶体分别在不同的窄带范围内具有随机共振能力，四种不同的非线性晶体组合能够在可见光范围内实现随机共振。
4.根据权利要求1-3任一所述的用于水下的非线性光谱成像系统，其特征在于：所述第一分光元件与第二分光元件均为光栅。
5.根据权利要求4所述的用于水下的非线性光谱成像系统，其特征在于：所述微光探测器(7)为EMCCD、SCMOS、CCD或ICCD。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的用于水下的非线性光谱成像系统的水下的非线性光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：光源发射的激光经景物反射后进入前置光学系统(1)，前置光学系统(1)将入射光信号成像在非线性晶体单元(8)上，非线性晶体单元(8)对入射光进行非线性调制后，经过准直镜(2)准直到达第一分光元件，第一分光元器件对经过非线性调制和准直的光信号进行位移及色散分光，色散分光后的光信号经过DMD或空间光调制器(4)的编码调制，然后再经过第二分光元件的反向位移和色散汇聚作用，得到编码后的图像数据，编码后的图像数据经过成像镜(6)成像于微光探测器(7)，微光探测器(7)获得景物的图像信息；
步骤二：微光探测器(7)将图像信息发送至反馈电压调整系统；
步骤三：反馈电压调整系统根据图像信息调节非线性晶体单元(8)的电压，判断微光探测器(7)输出图像的变化，直至获得清晰的图像。
7.根据权利要求6所述的用于水下的非线性光谱成像系统的水下的非线性光谱成像方法，其特征在于：所述步骤三包括逐步调节四个非线性晶体电压的步骤。
8.根据权利要求7所述的用于水下的非线性光谱成像系统的水下的非线性光谱成像方法，其特征在于，具体通过：
1)光源发射的激光经景物反射后进入前置光学系统(1)；
2)以用于水下的非线性光谱成像系统中心为轴线，以90度为间隔，旋转成像系统，使得入射光信号依次通过四个非线性晶体，再分别依次通过准直镜(2)、第一分光元件、DMD或空间光调制器(4)、第二分光元件及成像镜(6)，成像于微光探测器(7)；
3)微光探测器(7)获得四次测量结果的图像信息，拼接后形成全视场图像信息；
4)微光探测器(7)将全视场图像信息反馈至反馈电压调整系统；
5)观察微光探测器(7)输出图像的变化，反馈电压调整系统根据图像信息分别调整四个非线性晶体的电压，直至获得清晰的图像。
9.根据权利要求6-8任一所述的用于水下的非线性光谱成像系统的水下的非线性光谱成像方法，其特征在于：所述光源为超连续谱白光激光器。
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