CN110632002A - 一种基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置，解决现有光谱探测技术中，色散型和干涉型光谱探测技术均存在一定不足的问题。该装置包括沿光束方向依次设置的成像镜、滤光片阵列、空间光调制器、单元探测器及数据处理单元；所述成像镜用于将目标成像于一次像面位置；所述滤光片阵列用于对目标的光谱信息进行调制，使得孔径不同位置的光线的波长不同；所述空间光调制器用于对调制后的光谱信息进行编码；所述单元探测器用于接收编码后图像信号；所述数据处理单元用于对单元探测器接收的编码后图像信号进行解码处理，可复原获得目标的光谱数据。
Description
技术领域
本发明属于光谱探测技术，具体涉及一种基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置。
背景技术
物质的光谱被认为是物质的“指纹”，对于绝大部分物质而言，其光谱信息具有明确的物质特征，因此，光谱探测常常被用于物质成分识别、成分含量检测等多个方面。例如，红外傅里叶干涉光谱技术被广泛用于气体成分探测和气体浓度检测，拉曼光谱被应用于药品和化学品成分和含量检测，同时光谱探测技术在食品安全、农业林业、大气和水质监测等方面也有较多的应用。
对于光谱探测技术而言，目前的光谱仪主要是通过色散和干涉两种方式实现探测，其中，色散型光谱仪通过光栅或棱镜等色散装置将目标光谱色散至线阵或面阵探测器，从而直接获得目标的光谱信息。干涉型光谱仪通过单元探测器对不同光程差下的信号进行分时采样，通过对周期采样信号进行傅里叶变换间接获得目标的光谱信息。
但无论是色散型和干涉型光谱探测技术，均存在一定的不足。对于色散型光谱仪，首先，光谱仪的探测器为线阵或者面阵探测器，在可见光波段实现相对容易，但在红外波段，一方面，红外线阵或面阵探测器工艺发展不成熟，探测器规格较小，价格高昂，性能较差等不足限制了光谱仪的性能和指标；另一方面，红外光谱仪想要实现高精度、高信噪比的探测能力，对探测器性能要求较苛刻；其次，色散型光谱仪分光后单个谱段的信号能量较弱，导致探测器对信号的响应强度较低，这一影响在在红外波段更为明显，色散型红外光谱仪系统的灵敏度和信噪比很低；而对于干涉型光谱仪而言，空间调制型干涉光谱仪需要面阵探测器，采集的信号质量和受探测器工艺影响，并且价格高昂；时间调制型干涉光谱仪，由于信号是干涉条纹，要保证信号的完整性，需要进行高帧频采样，并且系统的光谱分辨率和光程大小正相关，在光程差较大的情况下，采集的信号不仅时间周期相对较长，而且采集的信号数据量较大，对于数据的存储和实时处理带来一定的难度。
发明内容
为了解决现有光谱探测技术中，无论是色散型和干涉型光谱探测技术，均存在一定不足的技术问题，本发明提供了一种基于压缩感知的孔径编码光谱探测技术及装置。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置，其特殊之处在于：包括数据处理单元、沿光束方向依次设置的成像镜、滤光片阵列、空间光调制器、单元探测器；所述成像镜用于将目标成像于一次像面位置；所述滤光片阵列用于对目标的光谱信息进行调制，使得孔径不同位置的光线的波长不同；所述空间光调制器用于对调制后的光谱信息进行编码；所述单元探测器用于接收编码后图像信号；所述数据处理单元用于对单元探测器接收的编码后图像信号进行解码处理，可复原获得目标的光谱数据。
进一步地，所述数据处理单元用于对稀疏度为K的编码后探测信号序列进行处理。
进一步地，所述滤光片阵列为线性渐变滤光片阵列或窄带滤光片阵列。
进一步地，所述空间光调制器为数字微镜阵列.
进一步地，所述空间光调制器为液晶空间光调制器。
进一步地，所述空间光调制器为掩膜刻蚀的机械模板。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明光谱探测装置仅需在镜头和探测器之间加入滤光片阵列和空间光调制器，使得整体结构较简单；
单元探测器相比线阵和面阵探测器具有更好的探测性能和探测速度，多个通道的压缩进一步提高了系统的探测灵敏度和信噪比；
使用单元探测器，在红外波段、太赫兹等波段具有技术优势和成本优势，可实现高分辨率光谱探测。
单元探测器相比面阵探测器具有更好的响应能力和动态范围，同时具备了极高的采样速度，提高了数据质量和数据实时性输出能力。
2、本发明光谱探测装置通过空间光调制器对调制后的光谱信息进行编码，能够大大减少信号采样周期和采样次数，降低单一周期采集数据的大小，降低了数据采集、传输、存储对硬件的要求，降低仪器成本。
3、本发明光谱探测装置在先验知识和探测编码相结合的基础上，可以通过探测装置直接实现对特定目标的识别和分类。
附图说明
图1是本发明基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置的光路图；
其中，附图标记如下：
1-物面，2-成像镜，3-滤光片阵列，4-空间光调制器，5-单元探测器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
压缩感知(Compressive Sensing，CS)又称压缩采样，是一个全新的数学理论，通过对信号的冗余性进行充分的挖掘，对原始信号进行一个线性、非自适应的全局观测得到少量的观测信号，再通过重构算法精确重构原始信号。压缩感知技术是一种新兴的信息获取和处理理论，这一理论利用信号的稀疏性这一先验知识，通过极少的采样即可实现数据的高精度复原。压缩感知的研究来源于近似理论、凸优化、随机矩阵理论以及信号处理等多个领域，目前已经应用于诸如雷达和显微镜。降低这些应用中的采样率并提高分辨率，从而改善用户体验。增加数据传输，提高成像质量，减少曝光时间。
本发明通过将压缩感知技术和滤光片分光技术相结合，通过对传统相机的孔径进行空间编码和光谱调制，使得信号实现压缩采样。相比直接色散和干涉的方案，可通过单元探测器5实现，通过孔径编码实现多通道数据的压缩，通过压缩感知的方案设计大大降低信号采样。本发明通过在光路中放置滤光片阵列，实现光谱调制，同时在光路中放置编码模板，实现对不同谱段的编码，继而对编码后的广场进行压缩实现压缩感知成像，通过压缩感知复原算法，即可通过少量的采样数据实现对目标光谱信息的复原。
如图1所示，一种基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置，包括沿光束方向依次设置的成像镜2、滤光片阵列3、空间光调制器4、单元探测器5，还包括对单元探测器采集到的信息进行处理的数据处理单元；首先，通过滤光片阵列3对目标的孔径光场进行光谱调制，其次，通过空间光调制器4对光谱调制后的不同通道进行编码调制，编码模板的设计满足稀疏采样，之后再将调制后的光场信息压缩至单元探测器5，实现基于压缩感知原理的孔径编码光谱探测技术。
本实施例探测装置的探测目标为点源目标，系统视场很小，物像关系如图1所示，其中成像镜2的左侧表示物面1；
成像镜2为一组或多组镜片组成，用于将目标成像于一次像面位置，其孔径光阑与滤光片阵列3所在位置重合，实现对物面光信息的汇聚作用；
滤光片阵列3用于对目标的光谱信息进行调制，使得孔径不同位置通过的光线波长不同，滤光片阵列3为线性渐变滤光片阵列或窄带滤光片阵列；
空间光调制器4用于对调制后的光谱信息进行编码，其编码模板可根据稀疏编码进行设计，同时可以结合目标的先验光谱特征信息设计，以增加信号的采集和恢复能力，空间光调制器4为数字微镜阵列或者液晶空间光调制器或者掩膜刻蚀的机械模板；
单元探测器5用于接收编码后图像信号，实现对采集信号的接收，单元探测器5，相比面阵探测器具有高灵敏度、高动态范围、高响应速率、低价格等特点可适用于可见、近红外波段、热红外和太赫兹等波段；
数据处理单元用于对单元探测器接收的编码后图像信号进行解码处理，可复原获得目标的光谱数据，优选对编码后稀疏度为K的探测信号序列进行采集并处理，即可实现信号的复原。
本实施例光谱探测装置结构简单紧凑，能够实现小型化和轻量化。相比传统色散型光谱仪和傅里叶干涉型光谱仪，仅需在镜头和探测器之间加入滤光片阵列3和空间光调制器4，使得系统结构十分简单，易于设计和研制。
本实施例光谱探测装置相比色散光谱仪，能够实现高灵敏度和高信噪比探测。首先，单元探测器5相比线阵和面阵探测器具有更好的探测性能和探测速度。其次，多个通道的压缩成像进一步提高了系统的探测灵敏度和信噪比。
本实施例光谱探测装置相比傅里叶干涉光谱仪，通过采用压缩感知的技术方案，能够大大减少信号采样周期和采样次数，降低单一周期采集数据的大小，降低了数据采集、传输、存储对硬件的要求，降低仪器成本，提高了数据在线处理的难度和复杂度，提升了系统实时性光谱数据处理能力。
本实施例光谱探测装置相比色散型光谱仪，在红外波段、太赫兹等波段具有技术优势和成本优势，由于现有红外波段面阵和线阵探测器技术相对不成熟，探测器规格较小，价格昂贵，并且和单元探测器5相比，性能差距较大；本实施例光谱探测装置仅使用单元探测器5即可实现高分辨率光谱探测。
本实施例光谱探测装置通过压缩感知技术，大大降低了需要采集的数据量，相比傅里叶光谱技术，其重构过程更加高效，能够实现数据实时在线处理，能够满足高时效性光谱探测的应用。并且该方案在具有先验知识的前提下，可进一步实现对目标的精确探测和识别。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (6)
1.一种基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置，其特征在于：包括数据处理单元、沿光束方向依次设置的成像镜(2)、滤光片阵列(3)、空间光调制器(4)、单元探测器(5)；
所述成像镜(2)用于将目标成像于一次像面位置；
所述滤光片阵列(3)用于对目标的光谱信息进行调制，使得孔径不同位置的光线的波长不同；
所述空间光调制器(4)用于对调制后的光谱信息进行编码；
所述单元探测器(5)用于接收编码后图像信号；
所述数据处理单元用于对单元探测器(5)接收的编码后图像信号进行解码处理，可复原获得目标的光谱数据。
2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置，其特征在于：所述数据处理单元用于对稀疏度为K的编码后探测信号序列进行处理。
3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置，其特征在于：所述滤光片阵列(3)为线性渐变滤光片阵列或窄带滤光片阵列。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置，其特征在于：所述空间光调制器(4)为数字微镜阵列。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置，其特征在于：所述空间光调制器(4)为液晶空间光调制器。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于压缩感知的孔径编码光谱探测装置，其特征在于：所述空间光调制器(4)为掩膜刻蚀的机械模板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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