CN108896178B - 一种多路复用多光谱成像仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多路复用多光谱成像仪，包括：依次设置的光学镜头，滤光片阵列与面阵探测器；其中：滤光片阵列包含多个采用特定透过率的滤光片，且多个滤光片的透过率之间互相关联；基于滤光片阵列对物体光谱进行编码，即将物体光谱分为N个波段，对N个波段的光能量进行N种不同的加权组合，使得面阵探测器记录N种不同组合的和值，从而获得多通道复用的光谱图像。上述方案通过滤光片的透过率对物体光谱进行编码，使得探测器接收的是多个波段的组合能量，相较于现有滤光片和色散型成像光谱仪而言，极大的提高了能量利用率和图像信噪比。

Description

一种多路复用多光谱成像仪
技术领域
本发明涉及多光谱成像技术领域，尤其涉及一种多路复用多光谱成像仪。
背景技术
多光谱成像技术已经很成熟，利用滤光片或者色散元件分光，获取多个波段的灰度图像，并组合成多光谱图像数据。其中分光元件是其核心器件，主要是滤光片、棱镜和光栅，而这几种分光元件又有很多种类，但无论哪种类型，现有的分光型多光谱成像技术中探测器接收的都是单波段的光，其它波段的光线被反射或无法同时到达同一个像元，无法有效利用，从而需要通过其它的方式补偿能量低的缺点，比如增加曝光时间，或者提高探测器的感光性能等方式。
目前主要有如下两种类型的技术方案：
1、利用多个波长的滤光片对通过镜头的光滤波，只允许某一个谱段的光通过，经过多次滤波得到多个波段的图像，这种技术比较成熟，很多文献和专利中都涉及到。滤光片组采用滤光片轮或者滤光片阵列式的，将滤光片组贴在探测器上，通过推扫，得到各个谱段的图像，经过后期图像配准获得光谱图像数据。但是，滤光片组过滤了大部分光，因为探测器接收到的光能量很少，需要高性能探测器或者提高曝光时间等方式提高图像质量。
2、如图1所示的色散型光谱成像仪，其利用棱镜或者光栅将不同波长的光线分开，经光学系统后不同波长的光线聚焦在探测器上不同的位置，虽然没有滤光片滤波，但是每个像元接收的也只是单一波段的光，不同波段的光线不能同时被同一个像元接收，同样存在能量低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多路复用多光谱成像仪，极大的提高了能量利用率和图像信噪比。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多路复用多光谱成像仪，包括：依次设置的光学镜头，滤光片阵列与面阵探测器；其中：
滤光片阵列包含多个采用特定透过率的滤光片，且多个滤光片的透过率之间互相关联；
基于滤光片阵列对物体光谱进行编码，即将物体光谱分为N个波段，对N个波段的光能量进行N种不同的加权组合，使得面阵探测器记录N种不同组合的和值，从而获得多通道复用的光谱图像。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，滤光片透过率是特殊设计的，多个滤光片的透过率之间互相关联，缺一不可；同时，通过滤光片的透过率对物体光谱进行编码，使得探测器接收的是多个波段的组合能量，相较于现有滤光片和色散型成像光谱仪而言，极大的提高了能量利用率和图像信噪比。
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色散型光谱成像仪的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多通道复用的光谱图像获取方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的滤光片组透过率曲线的示意图。
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。
本发明实施例提供一种多路复用多光谱成像仪，如图2所示，包括：依次设置的光学镜头，滤光片阵列与面阵探测器。图2中，1-光学镜头，2-滤光片阵列，3-面阵探测器。
本发明实施例中，滤光片阵列包含多个采用特定透过率的滤光片，且多个滤光片的透过率之间互相关联；基于滤光片阵列对物体光谱进行编码，即将物体光谱分为N个波段，对N个波段的光能量进行N种不同的加权组合，使得探测器记录N种不同组合的和值，从而获得多通道复用的光谱图像。
本发明实施例中，滤光片阵列放置于一次像面上，即多个镜头系统中第一个镜头的成像面；或在保证通过不同滤光片的光线不发生混叠的情况下，放置在探测器感光面附近；
如果滤光片阵列设为条形阵列形式，则通过推扫的方式获得全部信息；当然，也可以采用其他的阵列形式，相应的改变扫描方式即可。
本发明实施例中，利用的是一种编码原理，通过滤光片的透过率对物体光谱进行编码，本质上是对光谱进行加权组合。例如，假设滤光片组合包含4个滤光片，将光谱分为4个波段，对4个波段的光能量进行4种不同的加权组合，在数学上即为4个线性方程，探测器记录了4种不同组合的和值，由于滤光片的透过率曲线是已知的，每个波段的加权系数理论上是已知的，当4个滤光片下的图像全部记录下以后，可以通过解线性方程组的方法求解各个波段的相对能量值。
如图3所示，每一曲线代表一个滤光片的光谱透过率曲线，在450nm～800nm的波长范围分了4个宽度相同的波段，最终探测器上接收到的能量可以表示为不同波段能量的线性组合，组成的线性方程组为：
a11x1+a12x2+a13x3+a14x4＝y1
a21x1+a22x2+a23x3+a24x4＝y2
a31x1+a32x2+a33x3+a34x4＝y3
a41x1+a42x2+a43x3+a44x4＝y4
其中，x1～x4分别表示第1个～第4个波段的能量，y1～y4分别表示通过第1个～第4个滤光片后探测器接收到的能量；由于滤光片可以让多个波段同时通过，因此，探测器接收到的能量y可以表示为多个波段的能量x的线性组合；
Figure BDA0001676987780000031
为滤光片组合的透过率曲线对应线性方程组的系数矩阵，其中每一个系数a下标的第1项为滤光片序号，第2项为波段序号。
示例性的，上述系数矩阵可以为：
Figure BDA0001676987780000041
上述系数矩阵为满秩矩阵，且为可逆矩阵，使得上述线性方程组具有唯一解，从而求解出4个波段的相对能量值。线性方程组只代表了一个点的光谱编码，由于点和点之间并不相关，可以独立求解。
从上述例举的系数矩阵也可以看出，每一个滤光片对应的系数中均有一个为0，即表示相应波段没有透过，只有三个波段的光透过，因此，通过每一个滤光片后的图像都是三个波段的和，比现有的技术能量要高。当然，上述系数矩阵的具体数值也仅为举例，若系数中没有零，则通过每一个滤光片后的图像都是四个波段的加权和。
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)

1.一种多路复用多光谱成像仪，其特征在于，包括：依次设置的光学镜头，滤光片阵列与面阵探测器；其中：
滤光片阵列包含多个采用特定透过率的滤光片，且多个滤光片的透过率之间互相关联；
基于滤光片阵列对物体光谱进行编码，即将物体光谱分为N个波段，对N个波段的光能量进行N种不同的加权组合，使得面阵探测器记录N种不同组合的和值，从而获得多通道复用的光谱图像；
滤光片阵列包含4个滤光片，则将物体光谱分为4个波段，对4个波段的光能量进行4种不同的加权组合，则构成如下线性方程组：
a11x1+a12x2+a13x3+a14x4＝y1
a21x1+a22x2+a23x3+a24x4＝y2
a31x1+a32x2+a33x3+a34x4＝y3
a41x1+a42x2+a43x3+a44x4＝y4
其中，x1～x4分别表示第1个～第4个波段的能量，y1～y4分别表示通过第1个～第4个滤光片后探测器接收到的能量；
Figure FDA0003017481320000011
为滤光片组的透过率曲线对应线性方程组的系数矩阵，其中每一个系数a下标的第1项为滤光片序号，第2项为波段序号；
上述系数矩阵为满秩矩阵，且为可逆矩阵，使得上述线性方程组具有唯一解，从而求解出4个波段的相对能量值。
2.根据权利要求1所述的一种多路复用多光谱成像仪，其特征在于，滤光片阵列放置于一次像面上；或在保证通过不同滤光片的光线不发生混叠的情况下，放置在探测器感光面附近；
如果滤光片阵列设为条形阵列形式，则通过推扫的方式获得全部信息。
3.根据权利要求1所述的一种多路复用多光谱成像仪，其特征在于，在450nm～800nm的波长范围分了4个宽度相同的波段。
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