CN112665720A - 基于互补压缩编码的双通道可调谐高光谱成像仪和方法 - Google Patents

基于互补压缩编码的双通道可调谐高光谱成像仪和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于互补压缩编码的双通道可调谐高光谱成像仪和方法。成像仪包括成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心。场景信息在计算控制中心的协调下，经反射式空间光调制器以互补的方式空间编码，经第一成像光路和第二成像光路分别对信号进行光谱滤波、成像；计算控制中心根据第一成像光路得到的图像和第二成像光路得到的图像重构出高光谱图像。本发明利用反射式空间光调制器的编码特性，对两条光路同时进行互补编码，提高了对场景信息的光能利用率，提高了编码效率，并且，允许任选两个光谱通带的LCTF装配到成像仪，对于滤光过程，可在两路成像光路各选一个感兴趣波段进行观测。

Description

基于互补压缩编码的双通道可调谐高光谱成像仪和方法
技术领域
本发明涉及高光谱成像技术领域，尤其是一种空间可压缩编码的液晶可调谐的高光谱成像装置，以及一种对应的高光谱成像方法。
背景技术
高光谱成像技术是一种将成像技术与高光谱技术相结合的技术，它通过探测目标的空间信息和光谱信息，获取其高空间、高光谱分辨率的影像数据。目前，该技术已被广泛地运用于安防监测、地理地质研究、食品安全检测、医学研究等领域。传统的高光谱成像技术存在很难同时获取高分辨率空间和光谱信息的固有缺陷，以及很难获取宽光谱波段的信息技术难题。
液晶可调谐滤光器(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)是一种通过改变外加控制电压以调节滤光器内部不同液晶片的中心波长，经过适当的组合后，输出中心波长、带宽一定的窄带光谱信号的器件。LCTF因其实时性好、通光孔径大、中心波长调谐精确等特性，被广泛的应用于光谱探测等相关领域。但受限于液晶材料的特性和LCTF的现有结构，无法实现单一器件对多个光谱波段信息的同时获取；LCTF的滤光带宽越窄，其光能利用率就越低，要想获取高光谱分辨率影像的同时兼得高空间分辨率，就对成像光路的光能利用方法提出了更高的要求。
数字微反射镜(Digital Micromirror Device，DMD)一种由多个高速数字式光反射开光组成的阵列，每一个光开光又由镀膜反射镜和独立的控制电路组成。它是一种典型的反射式空间光调制器。当物体成像于DMD器件上时，其根据控制信号加以高速翻转，改变光路的传播方向，完成对场景信息的空间调制。它可以根据反射镜上的镀膜种类变化，对宽光谱波段的场景信息加以调制。
压缩感知技术是一种能利用少量观测数据恢复原始信号的技术。它利用图像的稀疏表示和非相干采样，可以以低于Shannon采样定理的采样量重构出原始信号，突破成像器件分辨率对最终成像分辨率的限制。这一技术的出现改变了传统成像仪在获取大量信息的过程中要经历采集-压缩-传输的必要过程，变为直接采集压缩数据然后完成传输，从理论上具备了实现实时采集传输的可能性。压缩感知技术在国内外都已成功的运用于高光谱成像技术，比较具有代表性的有美国特拉华大学研发的编码孔径快照式光谱成像仪(CodedAperture Snapshot Spectral Imager,CASSI)、本古里安大学研发的微型超光谱成像系统(Miniature Ultra-Spectral Imaging，MUSI),清华大学研发的空间光谱编码压缩高光谱成像仪(Spatial-Spectral Encoded Compressive Hyperspectral Imager，SSCSI)，北京理工大学研发的编码孔径可调谐滤波器(CodedAperture Tunable Filter，CATF)光谱成像系统。目前现有的基于压缩感知原理高光谱成像仪仍然存在以下问题：
1.现有的压缩光谱成像系统的光谱波段范围相对较窄。可选的波段范围受限于单一分光器件的性能，如棱镜、固定滤波片等；
2.以棱镜为分光元件的压缩感知光谱成像系统，需要对不同光谱波段的图像在探测器上的像素错位做准确计算，才能准确地恢复高光谱图像；在一次的场景信息的重建过程中，必须对全部光谱波段的信息进行提取，不能对感兴趣的光谱波段的信息有效提取；
3.以固定编码模板为编码器件的压缩光谱成像系统，仅能以有限的固定编码模式对场景进行编码，不具备利用场景信息特征的潜力；
4.以DMD为编码器件的压缩光谱成像仪器，多仅采用其中一条反射光路，没有充分利用场景的信息，降低了系统的光能利用率。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于互补压缩编码的双通道可调谐高光谱成像仪和成像方法，以提供一种光能利用率高、具备宽光谱谱段特性、具有光谱波段可选择性的高光谱成像方案。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，包括：成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心；其中：
成像系统采集场景信息成像于反射式空间光调制器；
反射式空间光调制器在计算控制中心的控制下同时加载成互补关系的编码模板和互补模板，以对入射光以互补的方式空间编码；反射式空间光调制器反射的两路信号分别入射到第一成像光路和第二成像光路；
第一成像光路和第二成像光路分别对入射信号进行光谱滤波、成像，第一成像光路和第二成像光路配置的光谱通带范围不同；
计算控制中心根据第一成像光路得到的图像和第二成像光路得到的图像重构出高光谱图像。
上述成像仪利用反射式空间光调制器的编码特性，对两条光路同时进行互补编码，提高了对场景信息的光能利用率。反射式空间光调制器同时加载两个模板，即同时进行互补编码，提高了压缩光谱成像的编码效率。另外，双光路互补编码的设计，也允许光路同时任选两个光谱通带的滤光装置装配成仪器，完成特定的观测任务；在观测时，可以在两个滤光装置光谱通带范围内，同时各选择一个感兴趣的波段进行观测，使得成像仪具备光谱波段可选择性。
进一步的，所述第一成像光路包括在同一光路上设置的第一通道成像透镜组、第一LCTF和第一探测器；所述第二成像光路包括在同一光路上设置的第二通道成像透镜组、第二LCTF和第二探测器；所述第一LCTF和所述第二LCTF的光谱通带范围不同。
进一步的，所述第一通道成像透镜组、第一LCTF和所述第一探测器依次设置，或者所述第一LCTF、第一通道成像透镜组和所述第一探测器依次设置；所述第二通道成像透镜组、第二LCTF和所述第二探测器依次设置，或者所述第二LCTF、第二通道成像透镜组和所述第二探测器依次设置。
进一步的，所述成像系统包括望远镜头和中继成像透镜组，所述中继成像透镜组设置于所述望远镜头与所述反射式空间光调制器之间。
进一步的，所述第一探测器和所述第二探测器的空间分辨率均低于所述反射式空间光调制器的编码分辨率。
为解决上述全部或部分问题，本发明还提供了一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，包括成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心，所述第一成像光路包括依次设置的第一通道成像透镜组、第一LCTF和第一探测器，所述第二成像光路包括依次设置的第二通道成像透镜组、第二LCTF和第二探测器；所述成像系统、反射式空间光调制器匹配设置，所述第一成像光路和所述第二成像光路分别沿所述反射式空间光调制器反射的两个光路方向设置；所述计算控制中心分别连接所述反射式空间光调制器、所述第一LCTF、所述第一探测器、所述第二LCTF和所述第二探测器；所述计算控制中心控制所述反射式空间光调制器同时加载成互补关系的编码模板和互补模板，所述计算控制中心为所述第一LCTF和所述第二LCTF分别配置不同的半峰宽和中心波长，所述计算控制中心获取所述第一探测器和所述第二探测器的图像重构高光谱图像。
为解决上述全部或部分问题，本发明还提供了一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，包括成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心，所述第一成像光路包括依次设置的第一LCTF、第一通道成像透镜组和第一探测器，所述第二成像光路包括依次设置的第二LCTF、第二通道成像透镜组和第二探测器；所述成像系统、反射式空间光调制器匹配设置，所述第一成像光路和所述第二成像光路分别沿所述反射式空间光调制器反射的两个光路方向设置；所述计算控制中心分别连接所述反射式空间光调制器、所述第一LCTF、所述第一探测器、所述第二LCTF和所述第二探测器；所述计算控制中心控制所述反射式空间光调制器同时加载成互补关系的编码模板和互补模板，所述计算控制中心分别为所述第一LCTF和所述第二LCTF配置不同的半峰宽和中心波长，所述计算控制中心获取所述第一探测器和所述第二探测器的图像重构高光谱图像。
为解决上述全部或部分问题，本发明还提供了一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像方法，包括：
采集场景信息并成像于反射式空间光调制器；
控制所述反射式空间光调制器同时加载成互补关系的编码模板和互补模板；
对所述反射式空间光调制器在所述编码模板作用下所反射的光信号利用第一LCTF进行第一光谱滤波，对所述反射式空间光调制器在所述互补模板作用下所反射的光信号利用第二LCTF进行第二光谱滤波，所述第一LCTF和所述第二LCTF的光谱通带范围不同；
根据经所述第一光谱滤波后的图像和经所述第二光谱滤波后的图像，重构出高光谱图像。
进一步的，所述第一光谱滤波由第一成像光路完成，所述第一成像光路包括依次排布的第一通道成像透镜组、所述第一LCTF和第一探测器，或者所述第一成像光路包括依次排布的所述第一LCTF、第一通道成像透镜组和第一探测器；所述第二光谱滤波由第二成像光路完成，所述第二成像光路包括依次排布的第二通道成像透镜组、所述第二LCTF和第二探测器，或者所述第二成像光路包括依次排布的所述第二LCTF、第二通道成像透镜组和第二探测器。
进一步的，所述场景信息由成像系统采集，所述成像系统包括匹配设置的望远镜头和中继成像透镜组。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明利用反射式空间光调制器的编码特性，对两条光路同时进行互补编码，提高了对场景信息的光能利用率。
2、本发明对两条光路同时互补编码，提高了压缩光谱成像系统的编码效率。
3、本发明双光路互补编码的设计，也允许压缩光谱成像系统同时任选两个光谱通带的LCTF装配成仪器，完成特定的观测任务；在观测时，可以在两个LCTF的光谱通带范围内，同时各选择一个感兴趣的波段进行观测，使得具备光谱波段可选性的特性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，包括成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心；其中：
成像系统采集场景信息成像于反射式空间光调制器；
反射式空间光调制器在计算控制中心的控制下同时加载成互补关系的编码模板和互补模板，以对入射光以互补的方式空间编码；反射式空间光调制器反射的两路信号分别入射到第一成像光路和第二成像光路；
第一成像光路和第二成像光路分别对入射信号进行光谱滤波、成像，第一成像光路和第二成像光路配置的光谱通带范围不同；
计算控制中心根据第一成像光路得到的图像和第二成像光路得到的图像重构出高光谱图像。
在一些实施例中，如图1所示，基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪包括成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心，第一成像光路包括第一通道成像透镜组、第一LCTF和第一探测器，第一通道成像透镜组和第一LCTF在第一成像光路中的先后顺序可交换，入射到第一成像光路的信号经第一LCTF聚焦到第一探测器；第二成像光路包括第二通道成像透镜组、第二LCTF和第二探测器，第二通道成像透镜组和第二LCTF在第二成像光路中的先后顺序可交换，入射到第二成像光路的信号经第二LCTF聚焦到第二探测器；第一LCTF和第二LCTF的光谱通带范围不同。成像系统采集场景信息并成像到反射式空间光调制器，计算控制中心控制反射式空间调制器同时加载成互补关系的编码模板和互补模板，使反射式空间调制器以互补的方式对场景信息进行空间编码，反射式空间调制器反射的两路信号分别进入第一成像光路和第二成像光路，计算控制中心根据第一探测器得到的图像、第二探测器得到的图像重构出高光谱图像。
在一些实施例中，基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪的结构具体为：包括成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心；成像系统、反射式空间光调制器匹配设置，第一成像光路和第二成像光路分别沿反射式空间光调制器反射的两个光路方向设置，第一成像光路包括依次设置的第一通道成像透镜组、第一LCTF和第一探测器，第一通道成像透镜组和第一LCTF在第一成像光路中的先后顺序可交换，第二成像光路包括依次设置的第二通道成像透镜组、第二LCTF和第二探测器，第二通道成像透镜组和第二LCTF在第二成像光路中的先后顺序可交换；计算控制中心分别连接反射式空间光调制器、第一LCTF、第一探测器、第二LCTF和第二探测器，以控制反射式空间光调制器同时加载成互补关系的编码模板和互补模板，分别为所述第一LCTF和所述第二LCTF配置的半峰宽和中心波长，以及获取第一探测器和第二探测器的图像重构高光谱图像。第一LCTF和第二LCTF的光谱通带范围不同。第一LCTF和第二LCTF通过计算控制中心配置的半峰宽和中心波长确定光谱通带范围。
成像系统包括望远镜头和中继成像透镜组，假设场景信息
Figure BDA0002866855890000081
其中M和N表示场景信息在空间维度横轴和纵轴方向离散化后的大小，L表示场景信息在光谱维度离散化的大小，
Figure BDA0002866855890000091
为实数集合。信息经过望远镜头收集，第一次成像于望远镜头和中继成像透镜组的中间某位置。在中继成像透镜的作用下，二次成像于反射式空间光调制器的反射面上。在此过程中，成像系统等效将场景信息在空间维度做了沿横轴的变换LE∈Rm×M和沿纵轴的变换
Figure BDA0002866855890000092
其中m和n表示场景信息在横轴和纵轴方向变换后的大小。场景光谱维信息不做改变。最终成像于反射式空间光调制器表面的场景信息
Figure BDA0002866855890000093
表示如下：
Figure BDA0002866855890000094
反射式空间光调制器根据计算控制中心加载的编码模板和互补模板对入射图像进行反射。以一种典型的反射式空间光调制器DMD为例，通常根据反射式空间光调制器上每一个反射镜的在光路中状态分为以下3种情况：1.“正”状态，此时反射镜将入射光反射到由第一通道成像透镜组、第一LCTF和第一探测器组成的第一成像光路。此时，计算控制中心加载的编码模板的值为1，DMD通过将编码单元设置为1实现。2.“负”状态，此时反射镜将入射光反射到由第二通道成像透镜组、第二LCTF和第二探测器组成的第二人成像光路。此时，计算控制中心加载的编码模板的值为0，DMD通过将编码单元设置为0实现。3“不工作”状态，此时DMD将入射光反射回原光路，DMD通过将编码单元断电实现。假设DMD上依时间次序在第p次编码过程中加载的编码模板为
Figure BDA0002866855890000095
共q个；加载的互补模板为
Figure BDA0002866855890000096
共q个。其中(x,y)代表反射式空间光调制器上任意一个反射镜的相对空间位置。在第p次编码过程中，第o个编码模板与互补模板服从以下的互补关系：
Figure BDA0002866855890000097
公式(2)中I表示单位矩阵。存在互补关系的编码模板和互补模板(也是一个编码模板)可以通过DMD加载一次编码单元值的矩阵实现。举例说明，假设
Figure BDA0002866855890000101
根据公式(2)，可知
Figure BDA0002866855890000102
实现编码模板和互补模板的DMD的单元设置均为
Figure BDA0002866855890000103
即加载一次DMD单元设置，可同时实现
Figure BDA0002866855890000104
和
Figure BDA0002866855890000105
两组模板，并将入射的场景信息同时分到第一成像光路与第二成像光路。相比传统的利用DMD生成编码模板的方式，此方法不仅提高了对场景信息的光能利用率，还同时完成了对场景信息的两种不同方式的编码，提高了编码效率。需要注意的是，此处的编码矩阵
Figure BDA0002866855890000106
需要满足RIP(restrictedisometry property)条件，根据压缩感知原理，此时编码矩阵
Figure BDA0002866855890000107
同时满足RIP条件。
入射到反射式空间光调制器的场景信息在编码模板的作用下反射进入第一成像光路。光学成像过程为：在第一通道成像透镜组的光学调整下，经过第一LCTF，成像于第一探测器。在光学成像过程中，可以根据实际需要交换第一通道成像透镜组与第一LCTF在光路中的先后顺序。要求第一探测器的空间分辨率低于反射式空间光调制器的编码分辨率。波长选择过程为：在计算控制中心的控制下，根据感兴趣的光谱波段范围，第一LCTF完成对进入光路的场景信息的光谱选择。定义允许通过波段范围L中的光谱波段集合为L1，包含的光谱波段数量为k1，光谱信息的集合为H3，H3∈H2，其每个波段对应的光谱透过率r1集合为
Figure BDA0002866855890000108
场景信息共经过k1q次压缩光谱编码，由第一探测器接收到的压缩场景信息表示为：
Figure BDA0002866855890000111
最终第一探测器将接收的场景信息回传到计算控制中心。
入射到反射式空间光调制器的场景信息在互补模板的作用下反射进入第二成像光路。光学成像过程为：在第二通道成像透镜组的光学调整下，经过第二LCTF，成像于第二探测器。在光学成像过程中，可以根据实际需要交换第二通道成像透镜组与第二LCTF在光路中的先后顺序。要求第二探测器的空间分辨率低于反射式空间光调制器的编码分辨率。波长选择过程为：在计算控制中心的控制下，根据感兴趣的光谱波段范围，第二LCTF完成对进入光路的场景信息的光谱选择。定义允许通过波段范围L中的光谱波段集合为L2，包含的光谱波段数量为k2，光谱信息的集合为H4，H4∈H2，其每个波段对应的光谱透过率r2集合为
Figure BDA0002866855890000112
场景信息共经过k2q次压缩光谱编码，由第二探测器接收到的压缩场景信息表示为：
Figure BDA0002866855890000113
最终第二探测器将接收的场景信息回传到计算控制中心。
计算控制中心根据第一探测器得到的图像、第二探测器得到的图像重构出高光谱图像。假设场景信息H2在全部光谱波段上都可以在已知稀疏基ψ上稀疏表示：
Figure BDA0002866855890000114
θ为场景信息H2在不同光谱波段上对应的稀疏基ψ的稀疏系数。同理，场景信息H3和H4也可以类似表示如下：
Figure BDA0002866855890000115
Figure BDA0002866855890000121
根据场景的信息特征不同，采用不同求解算法，包括但不限于GPSR算法，TwIST算法，SpaRSA算法，求解以下形式的目标函数(以第一成像光路获取的压缩信息为例)：
Figure BDA0002866855890000122
其中，ε代表预设的边界噪声，θ3代表场景信息h3在不同光谱波段上对应的稀疏基ψ的稀疏系数。当求解第二成像光路获取的压缩信息时，目标函数的形式为：
Figure BDA0002866855890000123
其中，ε代表预设的边界噪声，θ4代表场景信息h4在不同光谱波段上对应的稀疏基ψ的稀疏系数。求解公式(8)和(9)得到θ3和θ4后，再根据公式(6)和(7)即可得到第一成像光路和第二成像光路感兴趣的光谱信息集合H3和H4，将求得的光谱信息集合沿光谱维度堆叠即可重构出高光谱图像。
实施例二
一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像方法，包括：
采集场景信息并成像于反射式空间光调制器。采集场景信息可通过成像系统采集，该成像系统在一些实施例中，包括匹配设置的望远镜头和中继成像透镜组，望远镜头将采集的场景信息一次成像于望远镜头和中继成像透镜组的中间某位置，在中继成像透镜的作用下，二次成像于反射式空间光调制器的反射面上。假设场景信息
Figure BDA0002866855890000124
其中M和N表示场景信息在空间维度横轴和纵轴方向离散化后的大小，L表示场景信息在光谱维度离散化的大小，
Figure BDA0002866855890000125
为实数集合。由望远镜头和中继成像透镜组组成的成像系统等效将场景信息在空间维度做了沿横轴的变换LE∈Rm×M和沿纵轴的变换
Figure BDA0002866855890000126
其中m和n表示场景信息在横轴和纵轴方向变换后的大小。场景光谱维信息不做改变。最终成像于反射式空间光调制器表面的场景信息
Figure BDA0002866855890000131
表示如下：
Figure BDA0002866855890000132
控制所述反射式空间光调制器同时加载成互补关系的编码模板和互补模板。以DMD作为反射式空间光调制器为例，假设DMD上依时间次序在第p次编码过程中加载的编码模板为
Figure BDA0002866855890000133
共q个；加载的互补模板为
Figure BDA0002866855890000134
共q个。其中(x,y)代表反射式空间光调制器上任意一个反射镜的相对空间位置。在第p次编码过程中，第o个编码模板与互补模板服从以下的互补关系：
Figure BDA0002866855890000135
上式(2)中I表示单位矩阵。这两个存在互补关系的编码模板可以通过DMD加载一次编码单元值的矩阵实现。举例说明，假设
Figure BDA0002866855890000136
根据公式(2)，可知
Figure BDA0002866855890000137
实现这两个编码模板的DMD的单元设置均为
Figure BDA0002866855890000138
即加载一次DMD单元设置，可同时实现
Figure BDA0002866855890000139
和
Figure BDA00028668558900001310
两组编码模板，并将入射场景信息同时反射出两路光信号。
对反射式空间光调制器在编码模板作用下所反射的光信号利用第一LCTF进行第一光谱滤波，对反射式空间光调制器在互补模板作用下所反射的光信号利用第二LCTF进行第二光谱滤波，第一LCTF和第二LCTF的光谱通带范围不同，LCTF通过配置不同的中心波长、半波宽，得到不同的光谱通带范围，实际操作中，通过外加控制不同的电压完成中心波长的配置。
在一些实施例中，第一光谱滤波由第一成像光路完成，第一成像光路包括依次排布的第一通道成像透镜组、所述第一LCTF和第一探测器，根据需要，第一LCTF和第一通道成像透镜组可交换顺序。第二光谱滤波由第二成像光路完成，第二成像光路包括依次排布的第二通道成像透镜组、所述第二LCTF和第二探测器，根据需要，第二LCTF和第二通道成像透镜组可交换顺序。
入射到反射式空间光调制器的场景信息在编码模板的作用下的光学成像过程为：在第一通道成像透镜组的光学调整下，经过第一LCTF，成像于第一探测器。在光学成像过程中，可以根据实际需要交换第一通道成像透镜组与第一LCTF在光路中的先后顺序。要求第一探测器的空间分辨率低于反射式空间光调制器的编码分辨率。波长选择过程为：根据感兴趣的光谱波段范围，第一LCTF完成对进入光路的场景信息的光谱选择。定义允许通过波段范围L中的光谱波段集合为L1，包含的光谱波段数量为k1，光谱信息的集合为H3，H3∈H2，其每个波段对应的光谱透过率r1集合为
Figure BDA0002866855890000141
场景信息共经过k1q次压缩光谱编码，由第一探测器接收到的压缩场景信息表示为：
Figure BDA0002866855890000142
最终第一探测器得到滤光后的图像。
入射到反射式空间光调制器的场景信息在互补模板的作用下的光学成像过程为：在第二通道成像透镜组的光学调整下，经过第二LCTF，成像于第二探测器。在光学成像过程中，可以根据实际需要交换第二通道成像透镜组与第二LCTF在光路中的先后顺序。要求第二探测器的空间分辨率低于反射式空间光调制器的编码分辨率。波长选择过程为：根据感兴趣的光谱波段范围，第二LCTF完成对进入光路的场景信息的光谱选择。定义允许通过波段范围L中的光谱波段集合为L2，包含的光谱波段数量为k2，光谱信息的集合为H4，H4∈H2，其每个波段对应的光谱透过率r2集合为
Figure BDA0002866855890000151
场景信息共经过k2q次压缩光谱编码，由第二探测器接收到的压缩场景信息表示为：
Figure BDA0002866855890000152
最终第二探测器得到滤光后的图像。
根据经所述第一光谱滤波后的图像和经所述第二光谱滤波后的图像，重构出高光谱图像。进一步作如下说明：
假设场景信息H2在全部光谱波段上都可以在已知稀疏基ψ上稀疏表示：
Figure BDA0002866855890000153
θ为场景信息H2在不同光谱波段上对应的稀疏基ψ的稀疏系数。同理，场景信息H3和H4也可以类似表示如下：
Figure BDA0002866855890000154
Figure BDA0002866855890000155
根据场景的信息特征不同，采用不同求解算法，包括但不限于GPSR算法，TwIST算法，SpaRSA算法，求解以下形式的目标函数(以第一成像光路获取的压缩信息为例)：
Figure BDA0002866855890000156
其中，ε代表预设的边界噪声，θ3代表场景信息h3在不同光谱波段上对应的稀疏基ψ的稀疏系数。当求解第二成像光路获取的压缩信息时，目标函数的形式为：
Figure BDA0002866855890000157
其中，ε代表预设的边界噪声，θ4代表场景信息h4在不同光谱波段上对应的稀疏基ψ的稀疏系数。求解公式(8)和(9)得到θ3和θ4后，再根据公式(6)和(7)即可得到第一成像光路和第二成像光路感兴趣的光谱信息集合H3和H4，将所得到的光谱信息集合沿光谱维度堆叠即可重构出高光谱图像。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，其特征在于，包括：成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心；其中：
所述成像系统采集场景信息成像于所述反射式空间光调制器；
所述反射式空间光调制器在所述计算控制中心的控制下同时加载成互补关系的编码模板和互补模板，以对入射光以互补的方式空间编码；所述反射式空间光调制器反射的两路信号分别入射到所述第一成像光路和所述第二成像光路；
所述第一成像光路和所述第二成像光路分别对入射信号进行光谱滤波、成像，所述第一成像光路和所述第二成像光路配置的光谱通带范围不同；
所述计算控制中心根据所述第一成像光路得到的图像和所述第二成像光路得到的图像重构出高光谱图像。
2.如权利要求1所述的基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，其特征在于，所述第一成像光路包括在同一光路上设置的第一通道成像透镜组、第一LCTF和第一探测器；所述第二成像光路包括在同一光路上设置的第二通道成像透镜组、第二LCTF和第二探测器；所述第一LCTF和所述第二LCTF的光谱通带范围不同。
3.如权利要求2所述的基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，其特征在于，所述第一通道成像透镜组、第一LCTF和所述第一探测器依次设置，或者所述第一LCTF、第一通道成像透镜组和所述第一探测器依次设置；所述第二通道成像透镜组、第二LCTF和所述第二探测器依次设置，或者所述第二LCTF、第二通道成像透镜组和所述第二探测器依次设置。
4.如权利要求1所述的基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，其特征在于，所述成像系统包括望远镜头和中继成像透镜组，所述中继成像透镜组设置于所述望远镜头与所述反射式空间光调制器之间。
5.如权利要求2或3所述的基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，其特征在于，所述第一探测器和所述第二探测器的空间分辨率均低于所述反射式空间光调制器的编码分辨率。
6.一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，其特征在于，包括成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心，所述第一成像光路包括依次设置的第一通道成像透镜组、第一LCTF和第一探测器，所述第二成像光路包括依次设置的第二通道成像透镜组、第二LCTF和第二探测器；所述成像系统、反射式空间光调制器匹配设置，所述第一成像光路和所述第二成像光路分别沿所述反射式空间光调制器反射的两个光路方向设置；所述计算控制中心分别连接所述反射式空间光调制器、所述第一LCTF、所述第一探测器、所述第二LCTF和所述第二探测器；所述计算控制中心控制所述反射式空间光调制器同时加载成互补关系的编码模板和互补模板，所述计算控制中心为所述第一LCTF和所述第二LCTF分别配置不同的半峰宽和中心波长，所述计算控制中心获取所述第一探测器和所述第二探测器的图像重构高光谱图像。
7.一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像仪，其特征在于，包括成像系统、反射式空间光调制器、第一成像光路、第二成像光路和计算控制中心，所述第一成像光路包括依次设置的第一LCTF、第一通道成像透镜组和第一探测器，所述第二成像光路包括依次设置的第二LCTF、第二通道成像透镜组和第二探测器；所述成像系统、反射式空间光调制器匹配设置，所述第一成像光路和所述第二成像光路分别沿所述反射式空间光调制器反射的两个光路方向设置；所述计算控制中心分别连接所述反射式空间光调制器、所述第一LCTF、所述第一探测器、所述第二LCTF和所述第二探测器；所述计算控制中心控制所述反射式空间光调制器同时加载成互补关系的编码模板和互补模板，所述计算控制中心分别为所述第一LCTF和所述第二LCTF配置不同的半峰宽和中心波长，所述计算控制中心获取所述第一探测器和所述第二探测器的图像重构高光谱图像。
8.一种基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像方法，其特征在于，包括：
采集场景信息并成像于反射式空间光调制器；
控制所述反射式空间光调制器同时加载成互补关系的编码模板和互补模板；
对所述反射式空间光调制器在所述编码模板作用下所反射的光信号利用第一LCTF进行第一光谱滤波，对所述反射式空间光调制器在所述互补模板作用下所反射的光信号利用第二LCTF进行第二光谱滤波，所述第一LCTF和所述第二LCTF的光谱通带范围不同；
根据经所述第一光谱滤波后的图像和经所述第二光谱滤波后的图像，重构出高光谱图像。
9.如权利要求8所述的基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像方法，其特征在于，所述第一光谱滤波由第一成像光路完成，所述第一成像光路包括依次排布的第一通道成像透镜组、所述第一LCTF和第一探测器，或者所述第一成像光路包括依次排布的所述第一LCTF、第一通道成像透镜组和第一探测器；所述第二光谱滤波由第二成像光路完成，所述第二成像光路包括依次排布的第二通道成像透镜组、所述第二LCTF和第二探测器，或者所述第二成像光路包括依次排布的所述第二LCTF、第二通道成像透镜组和第二探测器。
10.如权利要求8或9所述的基于互补压缩编码的双通道液晶可调谐高光谱成像方法，其特征在于，所述场景信息由成像系统采集，所述成像系统包括匹配设置的望远镜头和中继成像透镜组。
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