專利名稱:窄帶高光譜的快速干涉成像方法及裝置的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種光學探測目標方法及裝置,特別是一種能夠快速同時獲得目標空間二維圖像信息和目標各點光譜信息的新的窄帶高光譜的快速干涉成像方法及裝置。
背景技術:
干涉成像光譜技術是上世紀80年代發展起來的新型探測技術,利用干涉信息與光譜信息之間的傅里葉變換關系來復原目標的光譜信息,并且獲取目標的二維空間信息。在軍事偵察、農產品檢驗、污染物監測等領域需要探測目標窄帶(探測譜段的最大波數與最小波數之差遠小于中心波數)譜段內的高光譜成像信息。利用干涉成像光譜儀對目標進行窄帶高光譜成像探測具有高光通量、高光譜分辨率、高目標分辨率等優點。在數據處理過程中要對干涉信息進行采樣,目前普遍使用的采樣方法是按照Nyquist定理對干涉信息進行采樣,該方法可以復原從零頻到最大探測波數的光譜。但當探測譜段為窄帶光譜時,低于最小探測波數的復原光譜都是無用信息,這導致后期傅里葉變換的數據量的增加,進而影響光譜的復原效率。此外,對于像面干涉成像光譜儀,冗余數據不但會增加探測時間和數據量,而且增加對存儲設備、傳輸設備等硬件的要求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種窄帶高光譜的快速干涉成像方法及裝置,對干涉成像光譜儀獲取的干涉信息進行壓縮采樣,實現窄帶干涉高光譜的快速探測,以解決干涉高光 譜成像方法在探測窄帶波段光譜時存在的計算數據冗余的問題。技術方案為了達到上述發明目的,本發明采用以下方法及裝置予以實現。窄帶高光譜的快速干涉成像方法及裝置。第一步,根據探測波段σ廠。R和選用的帶通濾光片計算出干涉成像光譜儀干涉信息的壓縮采樣頻率σ。3。第二步,利用壓縮采樣頻率σ cs對干涉信息進行壓縮采樣。第三步,對壓縮采樣后的干涉信息進行傅里葉變換,獲取目標在探測波段內的光譜信息。該裝置利用該方法對窄帶波段目標進行成像光譜探測,包括共軸設置的濾光組件
(I)、干涉成像光譜儀(2)、面陣探測器(3),面陣探測器(3)與信號獲取與處理系統(4)相連接。發明效果本發明的窄帶高光譜的快速干涉成像方法及裝置與現有其他方法相比,優勢在于I、具備干涉成像光譜技術的優點(I)、面陣探測器之前器件為全光器件,無聲光、電光調制、方法簡單實用。
( 2 )、采用該發明方法的探測裝置內無任何運動部件。(3)、具有高目標分辨率、高通量、多通道的優點。2、能夠對窄帶波段的光譜信號進行快速探測,提高干涉成像光譜探測的效率。
圖I為實現本發明方法的裝置結構示意2為利用本發明方法及裝置對窄帶波段光譜探測的結果,探測波段為兩個不重合窄帶波段。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。 窄帶高光譜的快速干涉成像方法主要包括以下幾個過程I、根據探測波段σ廠。R和選用的帶通濾光片計算出干涉成像光譜儀干涉信息的壓縮采樣頻率σ cs。設目標共有N (1,2,3,…)個非重疊的窄帶光譜Δ σ i、Δ σ 2··· Δ σ N,且滿足O L1〈 σ R1 ^ 0 L2〈 0 E2***^ 0 LN〈 0 RN上式中,σ Ln為第η個譜段Δ σ η的低波數點;σ Κη為第η個譜段Δ σ η的高波數點(η=1,2,…N);對干涉信息進行對偶化延拓處理后,復原光譜信息的一個周期內存在2Ν個光譜譜段。各個探測譜段邊沿光譜值從左往右依次命名如下O 1L — - O RN, o 1R — -oLN;o 2L — - σ K(^1), o1R — - σ L(N1);...ο 2NL — - σ LN, σ 2NR — - σ ;上式中,σ Λ為2N個光譜譜段中從左往右數第x個譜段Δ σ η的低波數點;σ χΚ為第X個譜段Λ ση的高波數點(χ=1,2,…2Ν)。為準確復原N個窄帶光譜信息,要保證2Ν個譜段經過平移后兩兩不重疊,即由于2Ν個譜段為中心對稱分布,只需要滿足Ν+(Ν_1)+···+1+N(N-I)/2個不等式其中前Ν+(Ν-1)+···+1個不等式保證中心對稱線兩側譜段不出現重疊,后面的Ν(Ν-1)/2個不等式保證中心線同一側的譜段不出現重疊。共有N2個不等式,簡化表達式如下
「 ,σ PL ,σΦ σ pR,,、
0035 -— ^ ^( 1 )
V+1η,ρ其中,
CftJ — CriJy0<ηα< —-L
Vsm J
N二 ΥΑσρρ=1, 2, ···, N
q=p+l, p+2,…,2N_p+l其中σ sm為探測光譜波段帶寬之和,由上式中N2個約束不等式可得到壓縮采樣頻率0。3的取值范圍,選取其中的波數為采樣頻率,配以符合要求的多帶通窄帶濾光片,可對多個非重疊窄帶光譜的干涉信息進行壓縮采樣。給定探測光譜的范圍,由公式(I)可得到干涉信息的壓縮采樣頻率σ。3。2、利用壓縮采樣頻率σ cs對干涉信息進行壓縮采樣。
利用壓縮采樣頻率σ cs對干涉信息進行壓縮采樣,相當于對按照Nyquist采樣定理采樣的離散干涉信息進行等間隔采樣,其它位置的數據置O。為避免產生新的相位誤差,壓縮采樣后的干涉信息要包含干涉光強幅度最大的點。采樣后的干涉信息為Icd = Id ( Δ ) · Σ δ ( Δ -m δ Δ )(2)上式中Ied為壓縮采樣后的干涉信息;Id(A)為按照Nyquist定理采樣得到的干涉信息;δ ( Δ )為克隆尼克(Kronecher)函數;Δ為光程差;m為壓縮采樣倍數,m= o J o cs,其中σ s為Nyquist采樣頻率。3、對壓縮采樣后的干涉信息進行傅里葉變換,獲取目標在探測波段內的光譜信息Bd ( σ )。干涉信息和光譜信息之間存在傅里葉變換對的關系,即I ( Δ ) = Fn [B ( σ ) ](3)Β(σ) = FT[I (Δ)]上式中,FT、FT—1分別表示傅里葉變換及傅里葉逆變換,B(O)為目標物物點的光譜信息,I (Δ)為采集的干涉信息,σ為波數(σ = l/λ )。壓縮采樣后復原的光譜信息滿足BD( σ ) =DFT[IJ(4)上式中,DFT表示離散傅里葉變換。結合圖1,本發明方法的實現裝置,包括共軸設置的濾光片組件I、干涉成像光譜儀2、面陣探測器3和信號處理系統4。干涉成像光譜儀2位于濾光片組件I和面陣探測器3之間,面陣探測器3與信號處理系統4相連。探測目標發出的光束依次通過濾光片組件I、干涉成像光譜儀2、面陣探測器3,面陣探測器3將收集到的光信號轉變為電信號后進入信息處理系統4,信息處理系統4完成對電信號的處理。濾光片組件I中的帶通濾光片需要滿足在探測波段σ廠σ κ內光譜透過率值大于等于tmo干涉成像光譜儀2可以選用時間調制型、空間調制型或者時空調制型干涉成像光譜儀。信號處理系統4利用由(4)式確定的采樣頻率σ。3對干涉信息進行壓縮采樣,復原探測窄帶波段內的光譜信息。本發明方法實現裝置的探測步驟為探測目標發射或者反射的光通過濾光片組件
I消除雜散光后進入干涉成像光譜儀2,引入干涉信息。隨后從干涉成像光譜儀2出來的光被面陣探測器3接收,得到帶有光譜信息和目標二維空間圖像信息的干涉信息。接收到的干涉信息在經過信號處理系統4,按照由(4)式計算得到的采樣頻率對干涉信息進行壓縮采樣,對壓縮采樣后的干涉信息進行傅里葉變換處理,復原探測波段的光譜信息。
結合圖2所示的應用實例,對本發明作進一步說明。所測兩個窄帶光譜探測譜段分別為11501250^-^24503550^-1,利用公式(I)計算得到的壓縮采樣頻率為50(T514. 2mm、以512mm 1波數對目標干涉信息進行采樣,復原的光譜如圖2所示。圖中曲線表示壓縮采樣后復原的光譜,加粗曲線表示目標光譜。在探測譜段內復原光譜與模擬光譜的相似度R=O. 999,表明利用本文提出的方法對兩個非重疊窄帶光譜的 干涉信息進行采樣,復原光譜具有較高的精確度。
權利要求
1.一種窄帶高光譜的快速干涉成像方法分為以下幾步,其特征在于 1)根據探測波段σ: O κ和選用的帶通濾光片計算出干涉成像光譜儀干涉信息的壓縮采樣頻率σ cs ; 設目標共有N個非重疊的窄帶光譜Δ σ i、Δ σ 2··· Δ σ Ν,且滿足σ LI〈 0 El ^ σ L2〈 0 E 2 …《0 LN ^ 0 RN 上式中,σ Ln為第η個譜段△ σ η的低波數點;σ Εη為第η個譜段Δ σ η的高波數點,其中η=1,2,…N ;對干涉信息進行對偶化延拓處理后,復原光譜信息的一個周期內存在2Ν個光譜譜段;各個探測譜段邊沿光譜值從左往右依次命名如下
2.根據權利要求I所述的一種窄帶高光譜的快速干涉成像方法,其特征在于按照采樣頻率ο cs對干涉成像光譜儀獲取的干涉信息進行等間隔采樣,其它位置的數據置O。
3.根據權利要求I所述的一種窄帶高光譜的快速干涉成像方法,其特征在于為避免產生新的相位誤差,按照采樣頻率σ。3對干涉信息進行壓縮采樣后干涉信息中包含干涉光強幅度最大值點。
4.一種窄帶高光譜的快速干涉成像裝置,該裝置包括濾光片組件(I)、干涉成像光譜儀(2)、面陣探測器(3)和信號處理系統(4),其特征在于干涉成像光譜儀(2)位于濾光片組件(I)和面陣探測器(3)之間,面陣探測器(3)與信號處理系統(4)相連;探測目標發射或者反射的光通過濾光片組件(I)消除雜散光后進入干涉成像光譜儀(2),引入干涉信息;隨后從干涉成像光譜儀2出來的光被面陣探測器(3)接收,得到帶有光譜信息和目標二維空間圖像信息的干涉信息;接收到的干涉信息在經過信號處理系統(4),按照由公式4計算得到的采樣頻率對干涉信息進行壓縮采樣,對壓縮采樣后的干涉信息進行傅里葉變換處理,復原探測波段的光譜信息。
5.根據權利4所述的一種窄帶高光譜的快速干涉成像裝置,其特征在于濾光片組件(O中的帶通濾光片需要滿足在探測波段σ廠0 κ內光譜透過率值大于等于tm。
6.根據權利4所述的一種窄帶高光譜的快速干涉成像裝置,其特征在于根據探測環境的不同干涉成像光譜儀(2)可以選用時間調制型、空間調制型或者時空調制型干涉成像光譜儀。
7.根據權利4所述的窄帶高光譜的快速干涉成像裝置,其特征在于信號處理系統(4)利用采樣頻率σ。3對干涉信息進行壓縮采樣,復原探測窄帶波段內的光譜信息。
8.根據權利4所述的窄帶高光譜的快速干涉成像裝置,其特征在于濾光片組件(I)、干涉成像光譜儀(2 )、面陣探測器(3 )共軸設置。
全文摘要
一種窄帶高光譜的快速干涉成像方法及裝置,本方法第一步,根據探測波段和選用的帶通濾光片計算出干涉成像光譜儀干涉信息的壓縮采樣頻率;第二步,利用計算得到的采樣頻率對干涉信息進行壓縮采樣;第三步,對壓縮采樣后的干涉信息進行傅里葉變換,獲取目標探測波段內的光譜信息。本裝置利用該方法對窄帶波段目標進行成像光譜探測,包括共軸設置的濾光片組件,干涉成像光譜儀、面陣探測器和與之連接的信號處理系統。本發明解決了現有干涉高光譜成像裝置在探測窄帶波段時存在的計算冗余的問題,可以實現窄帶波段的快速干涉成像光譜探測。
文檔編號G01J3/45GK102879098SQ201210360920
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月19日 優先權日2012年9月19日
發明者李建欣, 朱日宏, 孟鑫, 沈華, 郭仁慧, 馬駿, 陳磊, 何勇, 孫大旺, 姚良濤, 周偉, 朱榮剛, 王小鋒 申請人:南京理工大學