CN210774358U - 基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统,解决现有双波段光谱成像技术存在体积和重量大、系统不够紧凑、单通道信噪比低、数据量大的问题。该系统包括物镜、数字微镜阵列、第一分系统、第二分系统及数据处理单元;目标光束经过物镜成像于一次像面位置;数字微镜阵列用于对一次成像的图像进行编码,数字微镜阵列按照随机生成的编码矩阵进行翻转;当数字微镜阵列的微镜翻转+12°则光束进入第一分系统;当微镜翻转‑12°则进入第二分系统;第一分系统和第一分系统均包括镜组和探测器;镜组包括依次设置的准直镜、色散元件及成像镜;两个分系统的探测器为不同波段的面阵或者线阵探测器,数据处理单元对探测器接收的信号解码。
Description
技术领域
本实用新型属于光谱成像技术,具体涉及一种基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统。
背景技术
相比于传统的成像技术,高光谱成像技术能够同时获得观测目标的空间图像及光谱信息,而光谱信息被称为物质的“指纹”,能够用于物质成分、含量等多个方面的研究。光谱成像技术被广泛应用于遥感测绘、目标监测、大气环境探测、天文观测以及工农业产品的生产分析等多个领域。
随着光谱成像技术的发展,其波段范围逐渐从可见光波段拓展至红外、甚至太赫兹波段,然而现有探测器仅仅能够探测某一波段范围内光的响应,因此要获得目标不同波段的图谱信息,可以采用以下方式,第一种:研制不同光谱响应波段的成像设备;第二种:通过分孔径成像的方式,将不同光谱响应波段的探测器集成在同一系统之中,但这两种方式均存在一定的问题。第一种虽然能够确保不同波段的成像仪均具有十分优越的性能,但是这种方式会增加整个系统的成本;另一方面,分系统的设计会造成系统体积和质量增大,在机载和星载平台上,这两点都受到极大的约束;第二种分孔径一体式的设计方案能够避免前置光学结构的重复设计和研制,降低系统成本,同时也能够缩小系统的体积和质量,但是传统的分孔径设计是通过分色片或者其他分光元件实现,分波段的角度一般为90°,成像系统不紧凑,使得整个系统体积大。
同时由于传统光谱成像系统的设计往往追求获得单个光谱通道的信息,而单个通道的能量较弱,导致光谱成像系统的信噪比较低,使得光谱成像仪器的探测能力受限。
相比于传统光学成像,光谱成像仪可以获得目标的三维数据立方体,N个谱段的数据立方体的数据量扩大了N倍,极大的数据量会带来数据存储问题,对于传输信息的信号所需的带宽容限特性要求水涨船高,不仅仅如此,由于数据量扩大,采集传输信号所需时间增加,则采集速度也相应增大,使得数据传输的成本增高、对硬件要求提高,否则严重影响恢复时间,影响工作效益。
综上所述,现有双波段光谱成像技术存在以下问题有:
1、采用多台光谱成像设备进行探测,使得整个系统体积和重量较大、成本较高;
2、采用分孔径设计的光谱成像系统不够凑,使得整个系统体积大;
3、单通道信噪比较低,探测灵敏度差;
4、数据量较大,导致信号传输的成本高、对硬件要求高。
实用新型内容
为了解决现有双波段光谱成像技术存在体积和重量大、系统不够紧凑、单通道信噪比低、数据量大的技术问题,本实用新型提供了一种基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统。
为实现上述目的,本实用新型提供的技术方案是:
基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统,其特征之处在于:包括物镜、数字微镜阵列、第一分系统、第二分系统及数据处理单元;目标光束经过所述物镜成像于一次像面位置;所述数字微镜阵列与一次像面重合,用于对一次成像的图像进行编码,数字微镜阵列按照随机生成的编码矩阵进行翻转;当数字微镜阵列的微镜翻转+12°,则光束进入第一分系统;当数字微镜阵列的微镜翻转-12°,则光束进入第二分系统;
所述第一分系统包括第一镜组和第一探测器;
所述第一镜组包括沿数字微镜阵列出射光路方向依次设置的准直镜、色散元件及成像镜;所述第一探测器为面阵探测器或者线阵探测器,用于对成像镜成像后的信息进行接收;
所述第二分系统包括第二镜组和第二探测器;所述第二镜组与第一镜组结构相同;
所述第二探测器为面阵探测器或者线阵探测器,且第二探测器和第一探测器为不同波段的探测器;
所述数据处理单元对探测器接收的信号进行解码处理,可复原获得目标的数据立方体。
进一步地,所述色散元件为棱镜或者光栅。
与现有技术相比,本实用新型的优点是:
1、本实用新型成像系统通过数字微镜阵列的+12°和-12°的旋转实现不同探测波段的切换,通过数字微镜阵列编码实现压缩编码成像,整个系统结构紧凑、可实现双波段探测;
通过数字微镜阵列编码实现对多个光谱通道的压缩感知成像,在需要高信噪比、高探测灵敏度的中长波红外波段具有极大的优势;
通过压缩编码将数据量大大压缩,一方面,降低了凝视光谱成像系统对大面阵探测器的需求,另一方面,降低了数据量,有利于数据的存储、传输、处理,具有成本低的特点。
2、本实用新型成像系统可实现双波段凝视成像,一次成像能够获得目标的空间图像信息,具有更好的实时性和动态监测性能。
附图说明
图1是本实用新型基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统的光路图;
图2是本实用新型基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统中,数字微镜阵列的微镜翻转+12°光束进入第一分系统的光路图;
图3是本实用新型基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统中,数字微镜阵列的微镜翻转-12°光束进入第二分系统的光路图。
其中,附图标记如下:
1-物镜,2-数字微镜阵列,3-第一分系统,31-第一镜组,311-准直镜,312-色散元件,313-成像镜,32-第一探测器,4-第二分系统,41-第二镜组,42-第二探测器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述。
压缩感知理论的主要内容是:对于任何一个稀疏信号,可以通过观测矩阵对信号进行非自适应、线性的全局观测,并得到少量的观测值,通过压缩感知的算法实现对观测数据的重构。压缩感知理论主要包括三个部分:信号的稀疏表示、观测矩阵的设计、实现信号复原的重构算法。将其应用于成像领域能够实现对现有信息的重新编码和压缩,可以大大降低数据量,另外,在数据的压缩采样过程中,可以实现探测器对多个通道的响应,从而提高了系统探测的灵敏度和信噪比。
基于压缩感知的光谱成像系统具有较强的探测能力,并且能够实现多通道成像,系统具有较高的信噪比。在压缩感知成像中,主要采用空间光调制技术,其核心部件为数字微镜阵列(DMD)、液晶空间光调制器及机械模板等,其中数字微镜阵列(DMD)具有较高的刷新速率和光学衍射效率,其微镜具有+12°和-12°两个翻转角度,并且数字微镜阵列(DMD)具有较大的规格尺寸,其微镜表面材料能够有效的反射可见及中长波红外信号,是非常适用于压缩感知成像和双波段光谱成像的空间光调制器。
如图1至图3所示,本实用新型提供了一种基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统,通过空间光调制器件数字微镜阵列2(DMD)同时实现压缩编码成像和选择不同波段光进行成像,通过数字微镜阵列2(DMD)的+12°和-12°的旋转实现不同探测波段的切换,通过数字微镜阵列2(DMD)编码实现压缩编码成像,系统采用单色散光谱成像的设计方案;实现紧凑的、双波段、压缩感知光谱成像,该成像系统包括物镜1、数字微镜阵列2、第一分系统3及第二分系统4。
物镜1由单片或者多个镜片组成,对目标成一次像,目标光束通过物镜1成像于一次像面位置,数字微镜阵列2(DMD)所处位置和一次像面重合。
数字微镜阵列2采用空间光调制器数字微镜阵列,其特点为具有-12°,0°和+12°三种状态,其中0°为初始状态,+12°(状态1)和-12°(状态2)为工作状态,两种工作状态交替工作;通过对数字微镜阵列2(DMD)工作状态的控制,选择工作的分系统,数字微镜阵列2(DMD)交替工作,从而使不同波段的分系统也交替工作,具体为,首先由数字微镜阵列2对一次成像的图像进行编码,数字微镜阵列2按照编码模板进行翻转,编码模板是通过数字微镜阵列2实现的,因此数字微镜阵列2本身包括了编码模板,编码矩阵通过数学方法生成,通过数字微镜阵列2(DMD)实现模板对图像的调制;当数字微镜阵列2的微镜翻转+12°,进入状态1,此时光路进入第一分系统3,当数字微镜阵列2微镜翻转-12°,进入状态2,此时光路进入第二分系统4。
第一分系统3包括第一镜组31和第一探测器32;第一镜组31包括微镜进入状态1时,沿数字微镜阵列2出射光路方向依次设置的准直镜311、色散元件312及成像镜313;准直镜311可由一片或多片镜片组成,对进入系统的光束进行准直,使其不同视场入射的光束各自平行进入色散元件312;色散元件312起色散分光作用,将进入的准直光束进行色散分光,色散后的光束传播至成像镜313,其形式包括分光棱镜和光栅;成像镜313由单片或者多个镜片组成,对色散后光束进行成像在第一探测器焦平面位置,第一探测器32为面阵探测器或者线阵探测器,用于对成像镜313成像后的信息进行接收。
所述第二分系统4包括第二镜组41和第二探测器42,第二镜组41与第一镜组31结构相同;第二探测器42和第一探测器32为不同波段的探测器,其探测器类型为面阵探测器或者线阵探测器。
本实用新型光谱成像系统还包括数据处理单元,通过匹配追踪(MP)、正交匹配追踪(0MP)、迭代硬阈值(IHT)、压缩采样匹配跟踪(CoSaMP)等凸优化算法对探测器采集的信号与编码模板对应的线性关系I=SX进行求解,可以复原获得目标在不同波段的光谱和图像信息;其中S是编码矩阵;I是采集信号。
本实用新型成像系统能够实现更加紧凑的结构,能够实现更小的体积和重量。系统中原本用于编码的数字微镜阵列2器件增加了波段选择的功能,通过控制翻转角度即可实现不同波段的选择,而数字微镜阵列2的旋转角度分别为+12°和-12°,实现双波段光谱成像技术,使得后端的系统更加紧凑。
本实用新型成像系统可双波段凝视成像,一次成像能够获得目标的空间图像信息,具有更好的实时性和动态监测性能。
本实用新型成像系统可多光谱通道压缩感知成像,通过数字微镜阵列2编码实现对多个光谱通道的压缩感知成像,在需要高信噪比、高探测灵敏度的中长波红外波段具有极大的优势。
本实用新型成像系统可凝视型压缩感知成像,通过压缩编码将数据量大大压缩,一方面,降低了凝视光谱成像系统对大面阵探测器的需求,另一方面,降低了数据量,有利于数据的存储,传输和处理。
以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述,并不将本实用新型的技术方案限制于此,本领域技术人员在本实用新型主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴。
Claims (2)
1.基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统,其特征在于:包括物镜(1)、数字微镜阵列(2)、第一分系统(3)、第二分系统(4)及数据处理单元;
目标光束经过所述物镜(1)成像于一次像面位置;
所述数字微镜阵列(2)与一次像面重合,用于对一次成像的图像进行编码;数字微镜阵列(2)按照随机生成的编码矩阵进行翻转;当数字微镜阵列(2)的微镜翻转+12°,则光束进入第一分系统(3);当数字微镜阵列(2)的微镜翻转-12°,则光束进入第二分系统(4);
所述第一分系统(3)包括第一镜组(31)和第一探测器(32);
所述第一镜组(31)包括沿数字微镜阵列(2)出射光路方向依次设置的准直镜(311)、色散元件(312)及成像镜(313);
所述第一探测器(32)为面阵探测器或者线阵探测器,用于对成像镜(313)成像后的信息进行接收;
所述第二分系统(4)包括第二镜组(41)和第二探测器(42);
所述第二镜组(41)与第一镜组(31)结构相同;
所述第二探测器(42)为面阵探测器或者线阵探测器,且第二探测器(42)和第一探测器(32)为不同波段的探测器;
所述数据处理单元对探测器接收的信号进行解码处理,可复原获得目标的数据立方体。
2.根据权利要求1所述基于压缩感知的动态双臂多通道凝视光谱成像系统,其特征在于:所述色散元件(312)为棱镜或者光栅。
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