CN115790850A - 一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，包括前端成像分光模组、分画幅光谱成像模组两部分；前端成像分光模组包括成像镜头、视场光阑、准直透镜和二维衍射光栅；分画幅光谱成像模组包括分画幅透镜组或者分画幅反射镜组，和相机组，光从成像镜头进入前端成像分光模组，之后通过分画幅透镜组或者分画幅反射镜组将上下左右中部五个位置区域分别成像于五个相机幅面进行不同衍射级的光谱成像，其中中部的零级衍射光谱成像的相机曝光时间小于周边的其他相机以避免过曝。本发明可以进行高分辨率高动态范围快照高光谱成像，有效解决了计算层析快照式高光谱成像动态范围小、空间及光谱分辨率差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统。
背景技术
目前，成像光谱仪以多通道光谱技术为基础，集光学成像和光谱测量为一体，可以同时获取目标的图像信息和对应的光谱信息。该技术具有空间可识别性、超多波段、高的光谱分辨率、光谱范围广和图谱合一等众多优点，其在发展之初便备受关注，应用范围十分广泛，应用于包括石油、材料、农学、地质勘探、生物化学、医药卫生、环境保护、安全检测等领域。
传统成像光谱仪根据其扫描方式分为摆扫式成像光谱仪、推帚式成像光谱仪、凝视型成像光谱仪。但是，由于扫描型高光谱成像仪成像方式是扫描型，要实现对目标空间的全面监测，需要花费一定的时间，不能实现实时监测;又由于其系统内部存在移动部件或其他动态调节组件，轻微的扰动便可能影响检测的准确性，因此，该类仪器根难满足实时精准监测的需求，而快照式高光谱成像仪器的出现恰恰满足了此类需求。
近年来快照式高光谱成像成为了光谱成像领域的研究热点，其最大的特点就是成像速度很快，能够一次性获取目标空间的全部信息，达到实时监测的目的。由于该仪器的成像方式是非扫描型的，因此其系统内部不存在移动部件或其他动态调节组件，体积小，重量轻，抗干扰能力强，提高了系统检测的准确性。综合以上特点，可以发现快照式高光谱成像仪
可以较好的克服扫描型高光谱成像仪存在的问题，包括成像速度，检测的稳定性等问题。
计算层析型高光谱成像技术是随着计算机技术、探测器水平以及医学上断层扫描技术的发展而出现的一种新兴技术。该技术将计算机断层扫描技术应用于高光谱成像技术中，将目标图像的数据立方体视作三维物体，沿着一个或者多个方向投影到探测器上，再根据数据立方体与获得的投影图像之间的关系，选择合适的重建算法重构出目标的三维数据立方体。其显著的优点是其具有全视场性，不仅能够保证较高的光通量及光能利用率，而且能够快速精确的获取目标物体的二维空间信息和一维光谱信息。
但目前快照式计算层析型高光谱成像技术有着动态范围低分辨率差的弊端，其将多个光谱级次信息成像于一个相机幅面上，其中零级次通光量较大而正负一级次通光量较少造成一个曝光难以满足零级和正负一级次光谱成像要求，也就是探测动态范围低的问题。并且多个级次光谱成像于一个相机幅面上，致使单个级次光谱成像所占像素少于相机幅面的三分之一，致使成像分辨率和光谱分辨率较差以待提升。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，系统包括前端成像分光模组、分画幅光谱成像模组两部分；前端成像分光模组包括成像镜头、视场光阑、准直透镜和二维衍射光栅；所述的分画幅光谱成像模组包括分画幅透镜组或者分画幅反射镜组，和相机组，光从成像镜头进入前端成像分光模组，之后通过分画幅透镜组或者分画幅反射镜组将上下左右中部五个位置区域分别成像于五个相机幅面进行不同衍射级的光谱成像，其中中部的零级衍射光谱成像的相机曝光时间小于周边的其他相机以避免过曝，进而提升整个系统的探测动态范围。
所述的分画幅光谱成像模组中相机组的五个相机同时触发探测目标物光谱成像信息，对目标进行不同衍射级的瞬时凝视式高光谱成像，用于重构三维高光谱立方。
所述的前端成像分光模组中相机组的五个相机的探测参数包括曝光时间分别独立调整用于拓展系统探测动态范围，节约成像反演解析时间。
所述的分画幅透镜组由多个普通成像透镜组成，焦距及与相机组成像像面之间决定距离的参数包括光阑尺寸、相机组幅面。
所述的分画幅透镜组或者分画幅反射镜组择一使用，选择所述的分画幅反射镜以反射角度搭配相机组，实现系统机械结构空间上的优化。
所述的前端成像分光模组中光学参数包括成像镜头焦距、光圈数根据探测物体距系统距离确定以拓展系统探测距离范围。
所述的前端成像分光模组中视场光阑的尺寸大小依据系统探测范围、空间及光谱分辨率指标确定，以增加系统面向不同探测需求的灵活性。
所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，所述的前端成像分光模组中二维衍射光栅的尺寸大小及光栅常数参数依据系统探测范围、空间及光谱分辨率指标确定，以增加系统面向不同探测需求的灵活性。
所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，所述的分画幅光谱成像模组中分画幅透镜组的焦距参数依据系统所需光谱分辨率指标确定，以增加系统面向不同探测分辨率需求的灵活性。
所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，适用于移动平台包括无人机、卫星，对探测物进行瞬时高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像。
本发明的有益效果是，
本发明通过引入分画幅透镜组及二维衍射光栅，使原本需成像于一个相机幅面的五个高光谱信息画幅分别独立成像于五个相机的整画幅上，五个相机的曝光时间等探测参数可以分别独立调整，相机动态范围拓展至十倍以上且空间分辨率及光谱分辨率同时提高三倍以上。对探测目标物体尤其是动态物体集成式快照式高光谱可以进行高分辨率高动态范围快照高光谱成像，有效解决了计算层析快照式高光谱成像空间及光谱分辨率差、动态范围低的问题。
附图说明
图1为一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统的一种结构示意图。
图2为高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统的一种实物图。
图3为分画幅光谱成像信息示意图。
图4为传统计算层析光谱成像信息示意图。
图5 为标定光源光谱探测标定结果。
图6 为分画幅反射镜组的一种结构示意图。
图7 为高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统的另外一种结构示意图。
图中，目标探测物体1、前端成像分光模组2、分画幅光谱成像模组3、成像透镜4、视场光阑5、准直透镜6、二维衍射光栅7、分画幅成像透镜8、相机组9、分画幅反射镜组10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
实施例1
一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统包括前端成像分光模组、分画幅光谱成像模组两部分。如图1、图2所示，前端成像分光模组2依次包括成像透镜4、视场光阑5、准直透镜6、二维衍射光栅7。分画幅光谱成像模组3包括分画幅成像透镜8和相机组9。系统对探测物体进行探测时，探测目标物1反射光通过成像透镜4进入视场光阑5，之后经准直透镜6准直于二维衍射光栅7进行二维光谱分光，得到光谱信息图，之后经分画幅成像透镜8将有用的五个区域分别反射成像于分画幅光谱成像模组的相机组9的五个相机幅面上，得到五组二维图像与一维光谱的融合信息如图3所示（其中g0为零级次图像、g1为水平方向衍射正一级次光谱图像、g2为水平方向衍射负一级次光谱图像、g3为竖直方向衍射正一级次光谱图像、g4为竖直方向衍射负一级次光谱图像）之后通过计算层析成像光谱反演算法反演出所探测物体的高光谱成像立方体（二维图像加一维光谱信息），以实现高空间分辨率分画幅集成式快照式高光谱成像。其中反演算法可采用解析算法和迭代算法两大类。解析算法主要是滤波反投影算法;迭代算法主要包括代数迭代算法和统计迭代算法两大类。
相比于传统计算层析快照成像结果（如图4所示），分画幅集成式快照式高光谱系统使用多个相机对不同级次光谱成像有效信息独立探测，相机曝光相互独立，拓展相机动态范围十倍以上（比如零级次相机10ms曝光而其他级次相机可实现100ms+曝光，即拓展相机动态范围十倍以上），分辨率提高三倍以上（传统探测器幅面横轴同时成三个像，三个探测器幅面每个单独成一个像，即分辨率提高三倍以上）。
在系统使用前需要用标定光源对系统光谱探测进行定标，其定标光谱信息如图5所示。
实施例2
分画幅光谱成像模组3的另外一种结构如图6所示，采用分画幅反射镜组10 替换原来分画幅光谱成像模组中的分画幅透镜组8，实现相同高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像效果。
一种高动态范围高分辨率反射镜组分画幅快照式高光谱成像系统包括前端成像分光模组、分画幅光谱成像模组两部分，如图 7所示，前端成像分光模组 2 包括成像透镜4、视场光阑 5、准直透镜 6、二维衍射光栅 7。分画幅光谱成像模组 3 包括分画幅反射镜组 10、相机组9。系统对探测物体进行探测时，探测目标物 1 反射光通过成像透镜 4 进入视场光阑 5，之后经准直透镜 6 准直于二维衍射光栅 7 进行二维光谱分光，得到如图3所示光谱信息图，之后经分画幅反射镜组 10 将有用的五个区域分别反射成像分画幅光谱成像模组的五个普通相机 9 ，得到五组二维图像与一维光谱的融合信息，之后通过计算层析成像光谱技术反演出所探测物体的高光谱立方体，实现高动态范围高分辨率反射镜组分画幅快照式高光谱成像。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。
在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (10)
1.一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，系统包括前端成像分光模组、分画幅光谱成像模组两部分；前端成像分光模组包括成像镜头、视场光阑、准直透镜和二维衍射光栅；所述的分画幅光谱成像模组包括分画幅透镜组或者分画幅反射镜组，和相机组，光从成像镜头进入前端成像分光模组，之后通过分画幅透镜组或者分画幅反射镜组将上下左右中部五个位置区域分别成像于五个相机幅面进行不同衍射级的光谱成像，其中中部的零级衍射光谱成像的相机曝光时间小于周边的其他相机以避免过曝，进而提升整个系统的探测动态范围。
2.根据权利要求1所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，所述的分画幅光谱成像模组中相机组的五个相机同时触发探测目标物光谱成像信息，对目标进行不同衍射级的瞬时凝视式高光谱成像，用于重构三维高光谱立方。
3.根据权利要求1所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，所述的前端成像分光模组中相机组的五个相机的探测参数包括曝光时间分别独立调整用于拓展系统探测动态范围，节约成像反演解析时间。
4.根据权利要求1所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，所述的分画幅透镜组由多个普通成像透镜组成，焦距及与相机组成像像面之间决定距离的参数包括光阑尺寸、相机组幅面。
5.根据权利要求1所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，所述的分画幅透镜组或者分画幅反射镜组择一使用，选择所述的分画幅反射镜以反射角度搭配相机组，实现系统机械结构空间上的优化。
6.根据权利要求1所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，所述的前端成像分光模组中光学参数包括成像镜头焦距、光圈数根据探测物体距系统距离确定以拓展系统探测距离范围。
7.根据权利要求1所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，所述的前端成像分光模组中视场光阑的尺寸大小依据系统探测范围、空间及光谱分辨率指标确定，以增加系统面向不同探测需求的灵活性。
8.根据权利要求1所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，所述的前端成像分光模组中二维衍射光栅的尺寸大小及光栅常数参数依据系统探测范围、空间及光谱分辨率指标确定，以增加系统面向不同探测需求的灵活性。
9.根据权利要求1所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，所述的分画幅光谱成像模组中分画幅透镜组的焦距参数依据系统所需光谱分辨率指标确定，以增加系统面向不同探测分辨率需求的灵活性。
10.根据权利要求1所述的一种高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像系统，其特征在于，系统适用于移动平台包括无人机、卫星，对探测物进行瞬时高动态范围高分辨率分画幅快照式高光谱成像。
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