CN112345074B - 一种芯片级星载高光谱成像探测器及其光谱成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱成像遥感分析技术领域，具体涉及一种芯片级星载高光谱成像探测器及其光谱成像方法，包括探测器转接环、光谱透过率伪随机操控超构表面和面阵列探测器，所述光谱透过率伪随机操控超构表面包括基底、介质堆叠层，所述介质堆叠层设置在基底上，所述光谱透过率伪随机操控超构表面的基底通过探测器转接环固定在面阵列探测器的像元上面。本发明进一步提高光谱分辨率和空间分辨率，同时兼顾高通量和多光谱探测通道数，最终实现轻量化、集成化的遥感光谱成像探测装置设计，实现高光谱分辨、高空间分辨、高灵敏度和稳定精确的光谱成像探测。本发明用于对光谱成像的探测。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像遥感分析技术领域，具体涉及一种芯片级星载高光谱成像探测器及其光谱成像方法。
背景技术
光谱信息具有指纹特性，遥感光谱分析技术是基于电磁辐射与物质相互作用产生的波长与反射强度的目标光谱特征。光谱特征提取能够直接反映目标光谱吸收和反射特征，在确定的特征光谱位置，能够准确地计算出反射率、光谱吸收指数等指标，对特定目标的光谱特性予以精确、全面的定量分析，在光学遥感的图像信息基础上，进一步获得高光谱信息，进而实现对目标的图像信息、光谱信息等数据立方体进行获取，进行遥感反演、目标识别和物质分类。光谱成像技术具有光谱分辨率高、识别能力强等优点，是航天遥感领域的研究热点，目前，国际上航天遥感成像载荷在白天光照条件下，全色成像已经能够实现亚米级空间分辨率；光谱遥感成像载荷在白天已经能够实现数十米空间分辨和数纳米的光谱分辨成像。然而，面对复杂夜间环境，微弱光照条件下目标辐射亮度低，使得航天遥感光学成像载荷无法实现微弱光照成像和地物目标识别；此外在复杂光照背景下，正照射和背照条件下对目标的大动态、高灵敏成像存在困难，制约遥感光谱成像技术向全天时、全天候和全空域覆盖目标方向发展。
目前，常用的遥感光谱成像技术有滤光型、分光型和干涉型等，滤光型遥感光谱成像在成像光学系统和探测器之间插入滤光片，光谱分辨率高、空间分辨率高、成本低、成像系统工作稳定，但能够测量的光谱通道数有限；分光型遥感光谱成像在成像光学系统和探测器之间引入棱镜、光栅等分光元件，优点是环境温度、湿度和振动对光谱测量影响小，但缺点是引入狭缝，光通量小，灵敏度低；干涉型遥感光谱成像一般是将光学系统收集的光经Sagnac三角共光路干涉具进行空间干涉后在探测器焦平面上获得带有干涉的空降图像，然后进一步获得目标的图像、光谱信息数据立方体，该光谱成像技术结构简单紧凑、抗震性能好，但缺点是光通量有限，光程差较小，光谱分辨率低。对比分析常用的遥感光谱成像技术，分光型和干涉型遥感光谱成像需要在光学成像系统和探测器之间插入分光元件和干涉元件，导致光通量降低，同时会造成成像质量退化、空间分辨率降低，不适用于夜间微弱光照成像探测和高空间分辨光谱成像探测的应用要求。而滤光型遥感光谱成像仅在成像系统之间插入滤光片，在实现高光谱分辨率成像的同时能够实高空间分辨率成像。为了进一步提高稳定性和可靠性，解决滤光片带外杂散光的影响，中国科学院西安光学精密机械研究所和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提出了像素级滤光片阵列型光谱成像芯片设计(参考“多条带微窄带滤光片阵列光谱成像芯片及其实现方法:CN201910577015.7”，“多通道滤光片、高光谱扫描型探测器及其制备方法:CN201911232077.0”)，然而像素级、多通道滤光片的光谱成像芯片仍然无法解决光谱测量通道数有限，光通量有限，探测灵敏度低等技术瓶颈。
发明内容
针对上述现有的光谱成像芯片光谱测量通道数有限、光通量有限、探测灵敏度低技术问题，本发明提供了一种高光谱分辨、高空间分辨、高灵敏度、稳定精确的芯片级星载高光谱成像探测器及其光谱成像方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种芯片级星载高光谱成像探测器，包括探测器转接环、光谱透过率伪随机操控超构表面和面阵列探测器，所述光谱透过率伪随机操控超构表面包括基底、介质堆叠层，所述介质堆叠层设置在基底上，所述光谱透过率伪随机操控超构表面的基底通过探测器转接环固定在面阵列探测器的像元上面，所述光谱透过率伪随机操控超构表面的基底作为面阵列探测器的像元保护盖片，所述光谱透过率伪随机操控超构表面通过压缩感知实现光谱编码压缩测量。
所述光谱透过率伪随机操控超构表面采用GaAs、Si3N4、TiO2、SiO2、Al2O3镀膜异质堆叠，所述介质堆叠层的厚不超过400nm，所述基底的厚度不超过10μm。
所述光谱透过率伪随机操控超构表面的编码为光谱透过率进行非相关且伪随机编码，所述面阵列探测器的每个测量通道获得多个伪随机编码光谱的混叠图像，能够在实现光谱成像的同时保证较大的光通量，获得高灵敏的光谱成像探测。
所述光谱透过率伪随机操控超构表面实现的编码测量次数远小于面阵列探测器实现的待测光谱通道数。
所述面阵列探测器设置在卫星上，所述光谱透过率伪随机操控超构表面与面阵列探测器对地进行推扫成像，所述面阵列探测器在推扫成像方向上的光谱透过率伪随机操控超构表面不超过30个。
一种芯片级星载高光谱成像探测器光谱成像方法，包括下列步骤：
S1、根据光谱成像分辨率和光谱成像波段，设计光谱透过率伪随机操控超构表面并在面阵列探测器行方向上镀制；
S2、根据制备好的高光谱成像探测器，配置同轴两反系统、同轴三反系统或离轴三反系统等光学成像系统构成高光谱成像载荷，并搭载在卫星上；
S3、高光谱成像随卫星飞行，在沿飞行方向依次对目标进行光谱透过率伪随机操控编码的推扫测量；
S4、每个测量通道获得光谱透过率伪随机操控超构表面后的混叠增强图像，选择稀疏基并结合透过率随机编码测量矩阵，应用OMP、SAMP、IST和Twist算法对稀疏光谱信号求解；
S5、利用重构获得稀疏光谱信号，结合光谱信号稀疏进一步重构恢复出光谱图像。
所述S4中对稀疏光谱信号求解的方法为：包括下列步骤：
S4.1、设目标的反射光强的光谱功率分布为F(λ)，经过光谱透过率伪随机操控超构表面后光谱透过率T(λ,m)进行编码，第m次光谱透过率伪随机编码后，面阵列探测器像元接收到的混叠光强信号为Gm＝∫T(λ,m)F(λ)dλ，所述λ为入射光波长；
S4.2、利用总测量次数为M次的光谱透过率伪随机编码测量获得的图像，便能够突破奈奎斯特采样定理实现光谱通道数为N的目标光谱图像数据立方体获取，高光谱成像探测器能够实现较高的压缩比，所述光谱通道数N远大于编码测量次数M，将测量实现的光谱通道数设为N，目标反射光谱信号用f表示，且f满足f∈RN×1，所述R为实数域；光谱透过率伪随机编码测量获得的混叠光谱信号表示为g，且g满足g∈RM×1；根据压缩感知测量过程，光谱透过率伪随机编码测量可以描述为g＝Φf，所述Φ∈RM×N代表光谱透过率伪随机编码测量矩阵；
S4.3、每个测量通道获得光谱透过率操控后的混叠增强图像，对于目标的反射光谱图像f具有冗余，是可压缩的，设N个光谱通道的信号可稀疏表示为f＝Ψα，其中α为光谱稀疏后的K-稀疏向量，所述K-稀疏向量包含K个非零元素，所述K<<N，所述Ψ为稀疏变换矩阵，以压缩感知理论为基础，采用g＝Φf将伪随机光谱透过率编码测量过程改写为
g＝Φf＝ΦΨα＝Aα
上式中，利用离散余弦变换基、小波变换基和学习字典已确定稀疏变换矩阵Ψ，结合伪随机光谱透过率编码测量获得的混叠图像g，然后对g＝Φf＝ΦΨα＝Aα的进行逆问题优化求解，所述A为传感矩阵，选用正交匹配追踪法OMP、光谱稀疏度K自适应匹配追踪SAMP、优化算法、迭代软阈值算法IST、二步迭代收缩算法Twist重构算法寻找最优光谱稀疏信号
所述所述γ为常数。
所述S5中重构恢复出光谱图像的公式为：所述/>为恢复出的光谱图像。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、本发明将光谱透过率进行非相关、伪随机编码，每个测量通道获得的是多个伪随机编码光谱的混叠图像，相较于滤光片实现的窄带单一波长光谱测量，多个伪随机编码光谱的混叠图像具有较大的光通量，与全色光学成像相比，光通量衰减不超过50％，能够在实现光谱成像的同时保证较大的光通量，获得高灵敏的光谱成像探测。
2、本发明采用伪随机光谱透过率编码，具有较高的压缩比，实际伪随机编码光谱的混叠测量通道数能够在远小于测量光谱通道数情况下，实现高分辨率光谱测量、而非窄带滤光片型光谱测量需要滤光片条带数与测量通道数相同。本专利所述伪随机光谱透过率编码的压缩感知测量能够高效、欠采样实现光谱测量。
3、本发明以压缩感知基本理论为基础，以超构表面为实现手段，实现光谱透过率伪随机操控，超构表面为超薄微纳光学结构，厚度在亚波长尺度，不会对成像造成畸变和像散等成像质量退化，能够保证较高的成像空间分辨率，具有与探测器像元良好的兼容性，有利于芯片级高光谱成像探测器件的设计和加工，为轻量化和集成化的光谱探测技术、航天光学遥感应用提供了装置及方法。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明光谱透过率伪随机操控超构表面的结构示意图；
图3为本发明光谱成像的流程示意图。
其中：1为探测器转接环，2为光谱透过率伪随机操控超构表面、3为面阵列探测器，201为基底，202为介质堆叠层。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
一种芯片级星载高光谱成像探测器，如图1、图2所示，包括探测器转接环1、光谱透过率伪随机操控超构表面2和面阵列探测器3，光谱透过率伪随机操控超构表面2包括基底201、介质堆叠层202，介质堆叠层202设置在基底201上，光谱透过率伪随机操控超构表面2的基底201通过探测器转接环1固定在面阵列探测器3的像元上面，光谱透过率伪随机操控超构表面2的基底201作为面阵列探测器3的像元保护盖片，光谱透过率伪随机操控超构表面2通过压缩感知实现光谱编码压缩测量。
进一步，优选的，光谱透过率伪随机操控超构表面2采用GaAs、Si3N4、TiO2、SiO2、Al2O3镀膜异质堆叠，介质堆叠层202的厚度不超过400nm，基底201的厚度不超过10μm。
进一步，光谱透过率伪随机操控超构表面2的编码为光谱透过率进行非相关且伪随机编码，面阵列探测器3的每个测量通道获得多个伪随机编码光谱的混叠图像，能够在实现光谱成像的同时保证较大的光通量，获得高灵敏的光谱成像探测。
进一步，光谱透过率伪随机操控超构2表面实现的编码测量次数远小于面阵列探测器3实现的待测光谱通道数。
进一步，面阵列探测器3设置在卫星上，光谱透过率伪随机操控超构表面2与面阵列探测器3对地进行推扫成像，面阵列探测器3在推扫成像方向上的光谱透过率伪随机操控超构表面2不超过30个。
一种芯片级星载高光谱成像探测器光谱成像方法，如图3所示，包括下列步骤：
步骤1、根据光谱成像分辨率和光谱成像波段，设计光谱透过率伪随机操控超构表面并在面阵列探测器行方向上镀制；
步骤2、根据制备好的高光谱成像探测器，配置同轴两反系统、同轴三反系统或离轴三反系统等光学成像系统构成高光谱成像载荷，并搭载在卫星上；
步骤3、高光谱成像随卫星飞行，在沿飞行方向依次对目标进行光谱透过率伪随机操控编码的推扫测量；
步骤4、每个测量通道获得光谱透过率伪随机操控超构表面后的混叠增强图像，选择稀疏基并结合透过率随机编码测量矩阵，应用OMP、SAMP、IST和Twist算法对稀疏光谱信号求解；
步骤5、利用重构获得稀疏光谱信号，结合光谱信号稀疏进一步重构恢复出光谱图像。
进一步，步骤4中对稀疏光谱信号求解的方法为：包括下列步骤：
步骤4.1、设目标的反射光强的光谱功率分布为F(λ)，经过光谱透过率伪随机操控超构表面后光谱透过率T(λ,m)进行编码，第m次光谱透过率伪随机编码后，面阵列探测器像元接收到的混叠光强信号为Gm＝∫T(λ,m)F(λ)dλ，λ为入射光波长；
步骤4.2、利用总测量次数为M次的光谱透过率伪随机编码测量获得的图像，便能够突破奈奎斯特采样定理实现光谱通道数为N的目标光谱图像数据立方体获取，高光谱成像探测器能够实现较高的压缩比，光谱通道数N远大于编码测量次数M，将测量实现的光谱通道数设为N，目标反射光谱信号用f表示，且f满足f∈RN×1，其中R为实数域；光谱透过率伪随机编码测量获得的混叠光谱信号表示为g，且g满足g∈RM×1；根据压缩感知测量过程，光谱透过率伪随机编码测量可以描述为g＝Φf，Φ∈RM×N代表光谱透过率伪随机编码测量矩阵；
步骤4.3、每个测量通道获得光谱透过率操控后的混叠增强图像，对于目标的反射光谱图像f具有冗余，是可压缩的，设N个光谱通道的信号可稀疏表示为f＝Ψα，其中α为光谱稀疏后的K-稀疏向量，K-稀疏向量包含K个非零元素，K<<N，Ψ为稀疏变换矩阵，以压缩感知理论为基础，采用g＝Φf将伪随机光谱透过率编码测量过程改写为
g＝Φf＝ΦΨα＝Aα
上式中，利用离散余弦变换基、小波变换基和学习字典已确定稀疏变换矩阵Ψ，结合伪随机光谱透过率编码测量获得的混叠图像g，然后对g＝Φf＝ΦΨα＝Aα的进行逆问题优化求解，其中A表示传感矩阵，选用正交匹配追踪法OMP、光谱稀疏度K自适应匹配追踪SAMP、优化算法、迭代软阈值算法IST、二步迭代收缩算法Twist重构算法寻找最优光谱稀疏信号
式中γ常数
进一步，步骤5中重构恢复出光谱图像的公式为： 为恢复出的光谱图像。
如图2所示，本发明专利采用不同介质层异质堆叠实现光谱透过率操控超构表面构建，结合入射光在相互作用介质界面的传播，入射光在第k-1层和第k层相互作用界面的传播特性可以描述为
其中，θk为入射光的入射角，Nk为第k层介质的折射率，βk为入射光的相位传输因子，与第k层介质厚度、θk和Nk成正比，和入射光波长λ成反比。设传播调节因子为
上式中值得注意的是第1层介质为基底，第i+1层介质为空气层，将在介质分界面上的传输系数设为
上式中k从i退化到2，起始时ηi+1＝Qi+1，传输系数最终退化为η2，计算出整个介质层的反射系数为
因此，能够计算出经过整个介质层的透过率为
由上式能够看出，不同波长入射光的透过率能够通过介质层厚度和介质折射率实现灵活操控，一般介质层数选择为20层左右，每层介质的厚度在5nm到20nm范围内可以调节，介质层可选择半导体材料、电介质层等进行异质堆叠，材料可选择GaAs、Si3N4、TiO2、SiO2、Al2O3等材料进行异质堆叠，成膜工艺采用成熟的热蒸镀、磁控溅射和脉冲激光沉积等工艺。基底可选用BK7、K9、熔融石英和氟化钡等玻璃基片。整个异质堆叠膜层厚度控制在不超过400nm，形成光谱操控超构表面，基片厚度选择一般不超过10μm。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种芯片级星载高光谱成像探测器，其特征在于：包括探测器转接环(1)、光谱透过率伪随机操控超构表面(2)和面阵列探测器(3)，所述光谱透过率伪随机操控超构表面(2)包括基底(201)、介质堆叠层(202)，所述介质堆叠层(202)设置在基底(201)上，所述光谱透过率伪随机操控超构表面(2)的基底(201)通过探测器转接环(1)固定在面阵列探测器(3)的像元上面，所述光谱透过率伪随机操控超构表面(2)的基底(201)作为面阵列探测器(3)的像元保护盖片，所述光谱透过率伪随机操控超构表面(2)通过压缩感知实现光谱编码压缩测量；
所述芯片级星载高光谱成像探测器的光谱成像方法，包括下列步骤：
S1、根据光谱成像分辨率和光谱成像波段，设计光谱透过率伪随机操控超构表面并在面阵列探测器行方向上镀制；
S2、根据制备好的高光谱成像探测器，配置同轴两反系统、同轴三反系统或离轴三反系统光学成像系统构成高光谱成像载荷，并搭载在卫星上；
S3、高光谱成像探测器随卫星飞行，在沿飞行方向依次对目标进行光谱透过率伪随机操控编码的推扫测量；
S4、每个测量通道获得光谱透过率伪随机操控超构表面后的混叠增强图像，选择稀疏基并结合透过率随机编码测量矩阵，应用OMP、SAMP、IST和Twist算法对稀疏光谱信号求解；
S5、利用重构获得稀疏光谱信号，结合光谱信号稀疏进一步重构恢复出光谱图像。
2.根据权利要求1所述的一种芯片级星载高光谱成像探测器，其特征在于：所述光谱透过率伪随机操控超构表面(2)采用GaAs、Si3N4、TiO2、SiO2、Al2O3镀膜异质堆叠，所述介质堆叠层(202)的厚度不超过400nm，所述基底(201)的厚度不超过10μm。
3.根据权利要求1所述的一种芯片级星载高光谱成像探测器，其特征在于：所述光谱透过率伪随机操控超构表面(2)的编码为光谱透过率进行非相关且伪随机编码，所述面阵列探测器(3)的每个测量通道获得多个伪随机编码光谱的混叠图像。
4.根据权利要求1所述的一种芯片级星载高光谱成像探测器，其特征在于：所述光谱透过率伪随机操控超构表面(2)实现的编码测量次数远小于面阵列探测器(3)实现的待测光谱通道数。
5.根据权利要求1所述的一种芯片级星载高光谱成像探测器，其特征在于：所述面阵列探测器(3)设置在卫星上，并对地进行推扫成像，所述面阵列探测器(3)在推扫成像方向上的光谱透过率伪随机操控超构表面(2)不超过30个。
6.根据权利要求1所述的一种芯片级星载高光谱成像探测器，其特征在于：所述S4中对稀疏光谱信号求解的方法为：包括下列步骤：
S4.1、设目标的反射光强的光谱功率分布为F(λ)，经过光谱透过率伪随机操控超构表面后光谱透过率T(λ,m)进行编码，第m次光谱透过率伪随机编码后，面阵列探测器像元接收到的混叠光强信号为Gm＝∫T(λ,m)F(λ)dλ，所述λ为入射光波长；
S4.2、利用总测量次数为M次的光谱透过率伪随机编码测量获得的图像，便能够突破奈奎斯特采样定理实现光谱通道数为N的目标光谱图像数据立方体获取，高光谱成像探测器能够实现较高的压缩比，所述光谱通道数N远大于编码测量次数M，将测量实现的光谱通道数设为N，目标反射光谱信号用f表示，且f满足f∈RN×1，所述R为实数域；光谱透过率伪随机编码测量获得的混叠光谱信号表示为g，且g满足g∈RM×1；根据压缩感知测量过程，光谱透过率伪随机编码测量描述为g＝Φf，所述Φ∈RM×N代表光谱透过率伪随机编码测量矩阵；
S4.3、每个测量通道获得光谱透过率操控后的混叠增强图像，对于目标的反射光谱图像f具有冗余，是可压缩的，设N个光谱通道的信号稀疏表示为f＝Ψα，其中α为光谱稀疏后的K-稀疏向量，所述K-稀疏向量包含K个非零元素，所述K<<N，所述Ψ为稀疏变换矩阵，以压缩感知理论为基础，采用g＝Φf将伪随机光谱透过率编码测量过程改写为
g＝Φf＝ΦΨα＝Aα
上式中，利用离散余弦变换基、小波变换基和学习字典已确定稀疏变换矩阵Ψ，结合伪随机光谱透过率编码测量获得的混叠图像g，然后对g＝Φf＝ΦΨα＝Aα的进行逆问题优化求解，所述A为传感矩阵，选用正交匹配追踪法OMP、光谱稀疏度K自适应匹配追踪SAMP、优化算法、迭代软阈值算法IST、二步迭代收缩算法Twist重构算法寻找最优光谱稀疏信号
所述所述γ为常数。
7.根据权利要求1所述的一种芯片级星载高光谱成像探测器，其特征在于：所述S5中重构恢复出光谱图像的公式为：所述/>为恢复出的光谱图像，Ψ为稀疏变换矩阵，/>为最优光谱稀疏信号。
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