CN211291746U - 一种推扫式压缩成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种推扫式压缩成像系统，包括一个或两个采集同一目标表面辐射光线的成像平台、至少一个空间压缩单元和至少一个谱间压缩单元；空间压缩单元和谱间压缩单元串行设置接收同一成像平台输出光线，或并行设置分别接收两个成像平台输出光线；还包括当空间压缩单元和谱间压缩单元串行设置时的一个探测器或两者并行设置时的两个探测器；空间压缩单元包括第一透镜、空间编码元件和第二透镜；谱间压缩单元包括分光元件、谱间压缩元件和第三透镜。该压缩系统不依赖于复杂的压缩算法，通过空间压缩单元和谱间压缩单元实现对高光谱图像的空谱联合压缩，极大地减少了压缩时间，减少了计算资源以及降低了功耗，提高了压缩速度。

Description

一种推扫式压缩成像系统

技术领域

本实用新型涉及光学遥感技术领域，具体涉及一种推扫式压缩成像系统。

背景技术

高光谱遥感图像能够提供细致的地物信息，在农业、军事、勘探等领域得到了广泛应用。然而随着空间和光谱分辨率的不断提高，海量的高光谱数据给机星载成像系统带来了巨大挑战，因此，进行有效的数据压缩是目前高光谱相机迫切需要解决的难题。传统的高光谱成像光谱仪采集数据后，通过压缩算法丢弃大量冗余信息，压缩算法会耗费大量机星载成像系统的计算资源，从而增加功耗。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种推扫式压缩成像系统。

为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种推扫式压缩成像系统，包括一个或两个采集同一目标表面辐射光线的成像平台、至少一个空间压缩单元和至少一个谱间压缩单元；所述空间压缩单元和谱间压缩单元串行设置接收同一成像平台输出光线，或并行设置分别接收两个成像平台输出光线；当所述空间压缩单元和谱间压缩单元串行设置时，还包括接收空间压缩单元或谱间压缩单元输出光线的一个探测器；当所述空间压缩单元和谱间压缩单元并行设置时，还包括分别接收空间压缩单元和谱间压缩单元输出光线的两个探测器；所述成像平台推扫式前进获取目标表面的多条辐射光线；所述空间压缩单元包括第一透镜、空间编码元件和第二透镜；辐射光线通过第一透镜发散形成平面分布光线，所述平面分布光线由空间编码单元进行空间编码后被第二透镜汇聚成线性分布光线；所述谱间压缩单元包括分光元件、谱间压缩元件和第三透镜，线性分布光线或辐射光线通过分光元件形成不同波段的单色光线入射至谱间压缩元件实现谱间压缩采样，第三透镜对谱间压缩元件输出的光线进行汇聚。

上述技术方案的有益效果为：该压缩系统对高光谱图像的压缩不依赖于复杂的压缩算法，通过硬件的空间压缩单元和谱间压缩单元实现对高光谱图像的空谱联合压缩，极大地减少了压缩时间，减少了计算资源，以及降低了功耗，提高了压缩速度。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括成像数据压缩模块；所述成像数据压缩模块的输入端与探测器的输出端连接，对探测器接收的光谱压缩图像进行压缩。

上述技术方案的有益效果为：通过成像数据压缩模块对空谱联合压缩后的图像进一步的压缩，减少传递数据量，进一步节省功耗和传递时间。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括设置于第一透镜和空间编码元件之间的第四透镜，所述第四透镜将第一透镜发散形成的平面分布光线汇聚为平行光线入射至空间编码元件。

上述技术方案的有益效果为：有利于平面分布光线准确进入空间编码元件。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述成像平台为望远物镜；

或者所述成像平台包括沿光路依次设置的狭缝元件和准直镜。

上述技术方案的有益效果为：便于接收目标表面的辐射光线，使辐射光线准确入射第一透镜。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述空间编码元件和/或谱间压缩元件为数字微镜器件。

上述技术方案的有益效果为：便于控制，实现不同的压缩比例。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述探测器为CCD阵列或CMOS阵列。

上述技术方案的有益效果为：为现有产品，便于获得。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述分光元件为分光棱镜或分光光栅。

上述技术方案的有益效果为：为现有产品，便于实施，分光效果好。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜均为柱面透镜。

上述技术方案的有益效果为：有足够的接收面，便于有效地接收入射光线。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括控制单元，所述控制单元的第一控制端与空间编码元件的控制信号输入端连接，所述控制单元的第二控制端与谱间压缩元件的控制信号输入端连接。

上述技术方案的有益效果为：便于调节空间编码元件的空间采样矩阵，以及谱间压缩元件的谱间采样矩阵。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型一种优选实施方式中结构示意图；

图2是本实用新型一种优选实施方式中系统框图。

附图标记：

1成像平台；2第一透镜；3空间编码元件；4第二透镜；5分光元件；6谱间压缩元件；7第三透镜；8探测器。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实用新型公开了一种推扫式压缩成像系统，在一种优选实施方式中，该系统包括一个或两个采集同一目标表面辐射光线的成像平台1、至少一个空间压缩单元和至少一个谱间压缩单元；空间压缩单元和谱间压缩单元串行设置接收同一成像平台1输出光线，或并行设置分别接收两个成像平台1输出光线；

当空间压缩单元和谱间压缩单元串行设置时，还包括接收空间压缩单元或谱间压缩单元输出光线的一个探测器8；

当空间压缩单元和谱间压缩单元并行设置时，还包括分别接收空间压缩单元和谱间压缩单元输出光线的两个探测器8；

成像平台1推扫式前进获取目标表面的多条辐射光线；

空间压缩单元包括第一透镜2、空间编码元件3、第二透镜4；辐射光线通过第一透镜2发散形成平面分布光线，平面分布光线由空间编码单元进行空间编码后被第二透镜4汇聚成线性分布光线；

谱间压缩单元包括分光元件5、谱间压缩元件6和第三透镜7，

线性分布光线或辐射光线通过分光元件5形成不同波段的单色光线入射至谱间压缩元件6实现谱间压缩采样，第三透镜7对谱间压缩元件6输出的光线进行汇聚。

在本实施方式中，优选的，空间编码元件3和/或谱间压缩元件6为数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)。数字微镜器件优选但不限于选择美国德州仪器公司的DLP4710AFQL套片。数字微镜器件是一种光调制器，为由成千上万个微镜组成的阵列，通过微镜反射入射光而实现光的调制，这些微镜阵列可通过器件内部的配置单元设定翻转角度，每个微镜可通过一个铰链实现两种固定的翻转状态，角度为水平方向的±12°翻转，当微镜翻转角度为+12°时，实现对入射光的对称角度反射，当微镜翻转角度为-12°时，微镜把入射光反射到芯片内置的光吸收材料上，没有反射光输出。因此，通过控制每个微镜的翻转角度，来设置数字微镜器件的采样矩阵，当入射到数字微镜器件的光为合成光时，能够实现对入射光的空间调制，当入射到数字微镜器件的光为单色光时能够实现对入射光的谱间调制；优选的，在拍照前将数字微镜器件微镜阵列中各微镜的翻转角度预设于配置单元中，这样在拍摄时就不需要实时调节。

在本实施方式中，在一种优选方案中，该系统包括一个空间压缩单元和一个谱间压缩单元，以及一个成像平台1和一个探测器8，空间压缩单元位于谱间压缩单元之前，如图1所示。成像平台1推扫式前进获取目标表面的多条辐射光线，辐射光线通过第一透镜2发散形成平面分布光线，平面分布光线由空间编码单元进行空间编码后被第二透镜4汇聚成线性分布光线，线性分布光线通过分光元件5形成不同波段的单色光线入射至谱间压缩元件6实现谱间压缩采样，第三透镜7将谱间压缩元件6输出的光线汇聚至探测器8成像，形成光谱压缩图像。优选的，探测器8为线性探测器8，优选但不限于为线性CCD阵列或CMOS阵列。

在上述优选方案中，N_x、N_y和L分别对应高光谱图像的高、宽和波段数，N＝N_x×N_y表示高光谱图像的像素数。图1中假设成像平台1沿着N_y方向航行，垂直于纸面方向每次收集N_x个像素构成地面成像行。地面成像行的入射辐射光首先通过第一透镜2发散形成平面光入射到空间编码元件3上，空间编码元件3采用正方形的面阵列数字微镜器件，则原来长为N_x的成像行被拓展成N_x×N_x的成像面，且竖直方向的像素相同，垂直于纸面方向的每一行与原先的成像行相同。数字微镜器件的各微镜按照预设在配置单元的角度发生翻转，完成线性编码，完成了空间压缩采样。

在上述优选方案中，第二透镜4会聚后的线光即为原地面成像行的压缩采样，该线光再通过分光元件5色散，各像素点的光谱信息被色散开。不同波段的单色光入射到谱间压缩元件6(数字微镜器件)上，空谱信息在谱间压缩元件6上形成一面阵列，因此谱间压缩元件6的尺寸可选为N_x×L。谱间压缩元件6的L方向描述不同波段的光谱信息，N_x方向描述任一波段的空间信息。经过谱间压缩元件6编码后的平面光再通过第三透镜7沿L方向会聚，成像于线探测器8上，完成谱间压缩采样。

在本实施方案中，在一种优选方案中，该系统包括沿光路依次设置的一个成像平台1、一个以上的空间压缩单元、一个谱间压缩单元和一个探测器8，成像平台1推扫式前进获取目标表面的多条辐射光线，辐射光线通过一个以上的空间压缩单元进行一级以上空间压缩后，再通过谱间压缩单元进行谱间压缩后输出至探测器8成像，形成光谱压缩图像。

在本实施方案中，在一种优选方案中，该系统包括沿光路依次设置的一个成像平台1、一个空间压缩单元、至少一个谱间压缩单元和一个探测器8，成像平台1推扫式前进获取目标表面的多条辐射光线，辐射光线先通过一个空间压缩单元进行空间压缩后，再通过至少一个谱间压缩单元进行至少一级谱间压缩后输出至探测器8成像，形成光谱压缩图像。在本实施方式中，在一种优选方案中，该系统包括沿光路设置的一个成像平台1、一个以上的空间压缩单元、一个以上的谱间压缩单元和一个探测器8，空间压缩单元和谱间压缩单元间隔设置，即交替间隔设置，成像平台1推扫式前进获取目标表面的多条辐射光线，辐射光线进行空间和谱间交替压缩后输出至探测器8成像，形成光谱压缩图像。

在本实施方式中，在一种优选方案中，该系统包括沿光路设置的两个成像平台1、一个空间压缩单元、与该空间压缩单元并行的一个谱间压缩单元(即该谱间压缩单元与空间压缩单元同时对同一目标表面的多条辐射光线分别进行谱间压缩和空间压缩)、以及两个探测器8，两个成像平台1同步推扫式前进获取同一目标表面的多条辐射光线后，将获取的辐射光线分别输出给空间压缩单元和谱间压缩单元，空间压缩单元对辐射光线进行空间压缩后输出至一个探测器8成像，输出空间压缩图像；谱间压缩单元对辐射光线进行谱间压缩后输出至另一个光探测器8成像，输出谱间压缩图像。该方案能够谱间压缩和空间压缩同时进行，加快压缩采样速度。在本实施方式中，优选的，成像平台1为望远物镜；或者成像平台1包括沿光路依次设置的狭缝元件和准直镜。目标表面的辐射光线通过狭缝元件后形成线性光束进入准直镜准直后射入第一透镜2。

在一种优选实施方式中，还包括成像数据压缩模块；成像数据压缩模块的输入端与探测器8的输出端连接，对探测器接收的光谱压缩图像进行压缩。

在本实施方式中，成像数据压缩模块包括压缩芯片及其外围电路，压缩芯片优选但不限于型号为cx93610或ZR36060或ADV611，具体电路连接请参照芯片的技术手册，在此不再赘述。

在本实施方式中，当空间压缩单元和谱间压缩单元串行设置时，成像数据压缩模块的数量可为1，当空间压缩单元和谱间压缩单元并行设置时，成像数据压缩模块的数量可为2，两个成像数据压缩模块分别接收两个探测器8输出的光谱压缩图像进行压缩。

在一种优选实施方式中，还包括设置于第一透镜2和空间编码元件3之间的第四透镜，第四透镜将第一透镜2发散形成的平面分布光线汇聚为平行光线入射至空间编码元件3。

在本实施方式中，优选的，第四透镜为柱面透镜。

在一种优选实施方式中，分光元件5为分光棱镜或分光光栅。

在一种优选实施方式中，第一透镜2、第二透镜4、第三透镜7均为柱面透镜。

在一种优选实施方式中，还包括控制单元，控制单元的第一控制端与空间编码元件3的控制信号输入端连接，控制单元的第二控制端与谱间压缩元件6的控制信号输入端连接。

在本实施方式中，控制单元的第一控制端与空间编码元件3的控制信号输入端连接，控制空间编码元件3的空间采样率，当空间编码元件3为数字微镜器件时，可以控制微镜翻转角度，调节空间压缩率；控制单元的第二控制端与谱间压缩元件6的控制信号输入端连接，控制谱间压缩元件6的谱间采样率，当谱间压缩元件6为数字微镜器件时，可以控制微镜翻转角度，调节谱间压缩率。控制单元优选但不限于为FPGA、ARM等处理芯片。控制单元控制数字微镜器件的采样矩阵，即微镜阵列中每个微镜的反转角度为现有技术，如公开号为CN105657308B或CN209148151U的中国专利所披露的技术方案，在此不再赘述。

在本实施方式中，优选的，控制单元的图像输入端与探测器8的输出端连接。便于将获取的图像数据发送出去。

在本实施方式中，优选的，当系统包括成像数据压缩模块时，成像数据压缩模块的输入端与探测器8的输出端连接，成像数据压缩模块的输出端与控制单元的图像输入端连接。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种推扫式压缩成像系统，其特征在于，包括一个或两个采集同一目标表面辐射光线的成像平台、至少一个空间压缩单元和至少一个谱间压缩单元；所述空间压缩单元和谱间压缩单元串行设置接收同一成像平台输出光线，或并行设置分别接收两个成像平台输出光线；

当所述空间压缩单元和谱间压缩单元串行设置时，还包括接收空间压缩单元或谱间压缩单元输出光线的一个探测器；

当所述空间压缩单元和谱间压缩单元并行设置时，还包括分别接收空间压缩单元和谱间压缩单元输出光线的两个探测器；

所述成像平台推扫式前进获取目标表面的多条辐射光线；

所述空间压缩单元包括第一透镜、空间编码元件和第二透镜；辐射光线通过第一透镜发散形成平面分布光线，所述平面分布光线由空间编码单元进行空间编码后被第二透镜汇聚成线性分布光线；

所述谱间压缩单元包括分光元件、谱间压缩元件和第三透镜，线性分布光线或辐射光线通过分光元件形成不同波段的单色光线入射至谱间压缩元件实现谱间压缩采样，第三透镜对谱间压缩元件输出的光线进行汇聚。

2.如权利要求1所述的推扫式压缩成像系统，其特征在，还包括成像数据压缩模块；所述成像数据压缩模块的输入端与探测器的输出端连接，对探测器接收的光谱压缩图像进行压缩。

3.如权利要求1所述的推扫式压缩成像系统，其特征在于，还包括设置于第一透镜和空间编码元件之间的第四透镜，所述第四透镜将第一透镜发散形成的平面分布光线汇聚为平行光线入射至空间编码元件。

4.如权利要求1所述的推扫式压缩成像系统，其特征在于，所述成像平台为望远物镜；

或者所述成像平台包括沿光路依次设置的狭缝元件和准直镜。

5.如权利要求1所述的推扫式压缩成像系统，其特征在于，所述空间编码元件和/或谱间压缩元件为数字微镜器件。

6.如权利要求1所述的推扫式压缩成像系统，其特征在于，所述探测器为CCD阵列或CMOS阵列。

7.如权利要求1所述的推扫式压缩成像系统，其特征在于，所述分光元件为分光棱镜或分光光栅。

8.如权利要求1所述的推扫式压缩成像系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜均为柱面透镜。

9.如权利要求1所述的推扫式压缩成像系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元的第一控制端与空间编码元件的控制信号输入端连接，所述控制单元的第二控制端与谱间压缩元件的控制信号输入端连接。

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