基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，包括偏振光源發射單元、擴束透鏡、第四準直透鏡、隨機光學調制單元、稀疏孔徑單元、自由空間準直單元、光束反射單元、束斑合成單元、第一透鏡、偏振光分束器、全反射鏡、光擴束準直單元、光譜分光單元、會聚收光單元、陣列光探測器和壓縮計算關聯模塊；其中，所述稀疏孔徑單元包括至少三個子望遠鏡透鏡，所述自由空間準直單元包括至少三個準直透鏡，所述光束反射單元包括至少三個反射鏡組；一子望遠鏡透鏡、一準直透鏡、一反射鏡組形成一條光路。
【專利說明】基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及稀疏孔徑主動高光譜成像領域，特別涉及一種基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統及方法。
【背景技術】
[0002]20多年來，高光譜遙感已發展成一個頗具特色的前沿技術，并孕育形成了一門成像光譜學的新興學科門類。它的出現和發展將人們通過遙感技術觀測和認識事物的能力帶入了又一次飛躍，續寫和完善了光學遙感從全色經多光譜到高光譜的全部影像信息鏈。由于高光譜遙感影像提供了更為豐富的地球表面信息，因此受到國內外學者的很大關注，并有了快速發展。其應用領域已涵蓋地球科學的各個方面，在地質找礦和制圖、大氣和環境監測、農業和森林調查、海洋生物和物理研究等領域發揮著越來越重要的作用。
[0003]在航空高光譜技術取得成功的基礎上，2002年3月在我國載人航天計劃中發射的第三艘試驗飛船“神舟三號”中，搭載了一臺我國自行研制的中分辨率成像光譜儀。這是繼美國EOS計劃MODIS之后，幾乎與歐洲環境衛星(ENVISAT)上的MERIS同時進入地球軌道的同類儀器。它在可見光到熱紅外波長范圍(0.4-12.5 μ m)具有34個波段。2007年10月24日我國發射的“嫦娥-1”探月衛星上，成像光譜儀也作為一種主要載荷進入月球軌道。這是我國的第一臺基于傅里葉變換的航天干涉成像光譜儀，它具有光譜分辨率高的特點。高光譜遙感系統在我國的普遍應用，標志著我國的高光譜遙感已逐步走向成熟。
[0004]所謂高光譜成像技術是利用物體在不同波段響應不同的特點，對物體進行物質檢測、遙感監控、顯微成像的成像分析技術。光譜成像系統根據采集圖像的方式不同可分為:撣掃式、推掃式、凝采式3種。凝采式光譜成像系統多采用單色器或者電動可調濾波器實現光譜通道的切換，在切換過程中探測器采集相應光譜圖像。在提供照明光源的情況下，基于多個光學濾光片的光譜成像系統可以直接獲得每個光譜通道的響應信息，但使用確定波長的多個濾光片波長不能連續可調，使用液晶可調諧濾波器或聲光可調諧濾波器可實現波長連續可調，但價格昂貴。基于單色器的光譜成像系統輸出的單色光直接照射整個物體，使得分布在物體表面的光強很小，因此對光源的光強要求很高。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術中的主動高光譜成像系統對光源的光強要求高、價格昂貴等缺陷，從而提供成本低、靈敏度高的主動高光譜成像系統及方法。
[0006]為了實現上述目的，本發明提供了一種基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，包括偏振光源發射單元20、擴束透鏡19、第四準直透鏡18、隨機光學調制單元17、稀疏孔徑單元、自由空間準直單元、光束反射單元、束斑合成單元13、第一透鏡14、偏振光分束器15、全反射鏡16、光擴束準直單兀21、光譜分光單兀22、會聚收光單兀23、陣列光探測器24和壓縮計算關聯模塊25 ;其中，所述稀疏孔徑單元包括至少三個子望遠鏡透鏡，所述自由空間準直單元包括至少三個準直透鏡，所述光束反射單元包括至少三個反射鏡組；一子望遠鏡透鏡、一準直透鏡、一反射鏡組形成一條光路；
[0007]所述偏振光源發射單元20所發出的偏振光經擴束透鏡19擴束、第四準直透鏡18準直后照射到所述隨機光學調制單元17 ;所述隨機光學調制單元17加載隨時間變化的散斑以對偏振光進行隨機相位調制，調制后的偏振光經全反射鏡16反射到達所述偏振光分束器15，接著依次透過第一透鏡14、束斑合成單元13、光束反射單元、自由空間準直單元、稀疏孔徑單元傳播到待測物體上；待測物體反射所接收到的偏振光，反向傳播通過稀疏孔徑單元、自由空間準直單元、光束反射單元，到達所述束斑合成單元13，在所述束斑合成單元13上實現稀疏孔徑直接成像，然后通過第一透鏡14將稀疏孔徑直接成像映射到偏振光分束器15，所述偏振光分束器15將所接收到的光折射到所述光擴束準直單元21，經擴束準直后到達光譜分光單兀22 ;所述光譜分光單兀22將光譜分光后產生的不同波長的光場強度信號通過會聚收光透鏡單元23聚焦到線陣光探測器24，所述線陣光探測器24采集不同波長的光信號，獲取不同波長的測量數向量；所述隨機光學調制單元17和線陣光探測器24之間同步；計算出加載在所述隨機光學調制單元17上的隨時間變化的調制散斑光場傳播到物體表面上的光場分布，以得到最終測量矩陣，將所述最終測量矩陣與多個同步周期內測量得到的測量數向量傳輸到所述壓縮計算關聯模塊25，由該模塊通過壓縮感知計算關聯算法重構反射物體的高光譜圖像。
[0008]上述技術方案中，所述稀疏孔徑單元包括第一子望遠鏡透鏡1、第二子望遠鏡透鏡2和第三子望遠鏡透鏡3 ;所述自由空間準直單元包括第一準直透鏡4、第二準直透鏡5和第三準直透鏡6 ;所述光束反射單元包括由第一反射鏡7、第二反射鏡8組成的第一反射鏡組，由第三反射鏡9、第四反射鏡10組成的第二反射鏡組，由第五反射鏡11、第六反射鏡12組成的第三反射鏡組；
[0009]所述第一子望遠鏡透鏡1、第一準直透鏡4、第一反射鏡組形成第一光路，所述第二子望遠鏡透鏡2、第二準直透鏡5、第二反射鏡組形成第二光路，所述第三子望遠鏡透鏡
3、第三準直透鏡6、第三反射鏡組形成第三光路。
[0010]上述技術方案中，所述稀疏孔徑單元中的各個子望遠鏡透鏡的空間組合方式包括:小孔徑望遠鏡陣列或Golay-6或Golay-9或環形或環面或三壁。
[0011]上述技術方案中，所述空間準直單元中的各個準直透鏡的空間組合方式包括:準直透鏡陣列組或反射式準直鏡。
[0012]上述技術方案中，所述偏振光分束器15包括起偏器、檢偏器、四分之一玻片和偏振棱鏡，用于對單色光或連續譜光源實現單方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；實現紫外光、可見光、近紅外和紅外光波段的偏振光的分束功能。
[0013]上述技術方案中，所述隨機光學調制單元17用于實現相位調制，以模擬出負指數分布的散斑光場；所述隨機光學調制單元17采用包括毛玻璃、液晶光閥在內的空間光調制器實現。
[0014]上述技術方案中，所述偏振光源發射單元20采用紫外或可見光或近紅外或紅外光波段的偏振光源。
[0015]上述技術方案中，所述光譜分光單兀22用于實現對反射光的分光,其在空間上將不同波長圖像光信號分開；所述光譜分光單元22采用包括反射光柵、透射光柵、棱鏡分光在內的部件實現。[0016]上述技術方案中，所述線陣光探測器24具有多個通道，不同通道采集不同波長的入射光信號，從而實現對紫外、可見光、近紅外、紅外波段中不同波長光信號的探測。
[0017]上述技術方案中，所述線陣光探測器24采用紫外、可見光、近紅外、紅外線陣光電探測器或線陣單光子探測器實現；其中，線陣單光子探測器采用紫外、可見光、近紅外、紅外雪崩二極管或固態光電倍增管或超導單光子探測器實現；當配置線陣單光子探測器時需要在其后連接相應的多通道計數器，以計量線陣各通道光子脈沖個數。
[0018]上述技術方案中，所述壓縮計算關聯模塊25采用下列任意一種算法實現壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0ΜΡ、基跟蹤算法BP、LASSO、LARS,GPSR、貝葉斯估計算法、magi C、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST算法、Itl重建算法、I1重建算法、I2重建算法；其中的稀疏基采用離散余弦變換基、小波基、傅里葉變換基、梯度基、gabor變換基中的任意一種。
[0019]本發明還提供了基于所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統所實現的主動高光譜成像方法，包括:
[0020]步驟I)、稀疏孔徑壓縮計算關聯的相位調制的步驟；
[0021]所述偏振光源發射單元20發出的偏振光經過擴束準直后入射到所述隨機光學調制單兀17,然后依次通過全反射鏡16、偏振光分束器15、第一透鏡14、束斑合成單兀13、光束反射單元、自由空間準直單元、稀疏孔徑單元，將隨機 光學調制單元17上的散斑投影到待測物體上，發射到成像物體；其中，隨機光學調制單元17通過加載隨時間變化的散斑對偏振光源發射光進行相位調制；
[0022]步驟2)、壓縮采樣的步驟；
[0023]所述線陣光探測器24在所述隨機光學調制單元17每次翻轉的時間間隔內同時采樣不同波長會聚后的光信號，并將采集的數值作為對應不同波長的測量值向量yI? Y2,...J Yt (t〉I);
[0024]步驟3)、計算關聯成像中自由空間光場傳播的計算步驟；
[0025]通過惠更斯-菲涅爾衍射公式計算出所述隨機光學調制單元17上的調制散斑光場通過自由空間光場傳播到物體面上的光場分布，將計算結果作為最終的測量矩陣A ；
[0026]步驟4)、信號重建的步驟；
[0027]所述測量矩陣A與每個通道測量值向量yi (I < i < t) —起作為壓縮計算關聯模塊25的輸入，選取合適的稀疏基使得稀疏孔徑成像X能由最少量的系數表示，通過壓縮感知算法進行數據演算，重建出對應該通道波長的二維圖像，t個通道的值分別進行計算，將得到對應t個波長的二維圖像，將多波長各自的光強分布整合到一起，最終實現基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的高光譜成像。
[0028]上述技術方案中，還包括根據高光譜成像繪制出光強與波長的光譜曲線，研究被測對象的光譜強度分布情況。
[0029]上述技術方案中，所述壓縮計算關聯模塊25中所采用的壓縮計算關聯算法的核心為壓縮感知最優化算法，在目標函數上結合了關聯成像的成像約束條件，將壓縮感知最優化算法的關鍵目標函數修改為:
[0030]
【權利要求】
1.一種基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，包括偏振光源發射單元(20)、擴束透鏡(19)、第四準直透鏡(18)、隨機光學調制單元(17)、稀疏孔徑單元、自由空間準直單元、光束反射單元、束斑合成單元(13)、第一透鏡(14)、偏振光分束器(15)、全反射鏡(16)、光擴束準直單兀(21)、光譜分光單兀(22)、會聚收光單兀(23)、陣列光探測器(24)和壓縮計算關聯模塊(25);其中，所述稀疏孔徑單元包括至少三個子望遠鏡透鏡，所述自由空間準直單元包括至少三個準直透鏡，所述光束反射單元包括至少三個反射鏡組；一子望遠鏡透鏡、一準直透鏡、一反射鏡組形成一條光路； 所述偏振光源發射單元(20)所發出的偏振光經擴束透鏡(19)擴束、第四準直透鏡(18)準直后照射到所述隨機光學調制單元(17);所述隨機光學調制單元(17)加載隨時間變化的散斑以對偏振光進行隨機相位調制，調制后的偏振光經全反射鏡(16)反射到達所述偏振光分束器(15)，接著依次透過第一透鏡(14)、束斑合成單元(13)、光束反射單元、自由空間準直單元、稀疏孔徑單元傳播到待測物體上；待測物體反射所接收到的偏振光，反向傳播通過稀疏孔徑單元、自由空間準直單元、光束反射單元，到達所述束斑合成單元(13)，在所述束斑合成單元(13)上實現稀疏孔徑直接成像，然后通過第一透鏡(14)將稀疏孔徑直接成像映射到偏振光分束器(15)，所述偏振光分束器(15)將所接收到的光折射到所述光擴束準直單元(21)，經擴束準直后到達光譜分光單元(22 );所述光譜分光單元(22 )將光譜分光后產生的不同波長的光場強度信號通過會聚收光透鏡單元(23)聚焦到線陣光探測器(24)，所述線陣光探測器(24)采集不同波長的光信號，獲取不同波長的測量數向量；所述隨機光學調制單元(17)和線陣光探測器(24)之間同步；計算出加載在所述隨機光學調制單元(17)上的隨時間變化的調制散斑光場傳播到物體表面上的光場分布，以得到最終測量矩陣，將所述最終測量矩陣與多個同步周期內測量得到的測量數向量傳輸到所述壓縮計算關聯模塊(25)，由該模塊通過壓縮感知計算關聯算法重構反射物體的高光譜圖像。
2.根據權利要求1所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述稀疏孔徑單元包括第一子望遠鏡透鏡(I )、第二子望遠鏡透鏡(2)和第三子望遠鏡透鏡(3);所述自由空間準直單元包括第一準直透鏡(4)、第二準直透鏡(5)和第三準直透鏡(6);所述光束反射單 元包括由第一反射鏡(7)、第二反射鏡(8)組成的第一反射鏡組，由第三反射鏡(9)、第四反射鏡(10)組成的第二反射鏡組，由第五反射鏡(11)、第六反射鏡(12)組成的第三反射鏡組； 所述第一子望遠鏡透鏡(I)、第一準直透鏡(4)、第一反射鏡組形成第一光路，所述第二子望遠鏡透鏡(2)、第二準直透鏡(5)、第二反射鏡組形成第二光路，所述第三子望遠鏡透鏡(3)、第三準直透鏡(6)、第三反射鏡組形成第三光路。
3.根據權利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述稀疏孔徑單元中的各個子望遠鏡透鏡的空間組合方式包括:小孔徑望遠鏡陣列或Golay-6或Golay-9或環形或環面或三壁。
4.根據權利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述空間準直單元中的各個準直透鏡的空間組合方式包括:準直透鏡陣列組或反射式準直鏡。
5.根據權利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述偏振光分束器(15)包括起偏器、檢偏器、四分之一玻片和偏振棱鏡，用于對單色光或連續譜光源實現單方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；實現紫外光、可見光、近紅外和紅外光波段的偏振光的分束功能。
6.根據權利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述隨機光學調制單元(17)用于實現相位調制，以模擬出負指數分布的散斑光場；所述隨機光學調制單元(17)采用包括毛玻璃、液晶光閥在內的空間光調制器實現。
7.根據權利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述偏振光源發射單元(20)采用紫外或可見光或近紅外或紅外光波段的偏振光源。
8.根據權利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述光譜分光單元(22)用于實現對反射光的分光，其在空間上將不同波長圖像光信號分開；所述光譜分光單兀(22)米用包括反射光柵、透射光柵、棱鏡分光在內的部件實現。
9.根據權利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述線陣光探測器(24)具有多個通道，不同通道采集不同波長的入射光信號，從而實現對紫外、可見光、近紅外、紅外波段中不同波長光信號的探測。
10.根據權利要求9所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述線陣光探測器(24)采用紫外、可見光、近紅外、紅外線陣光電探測器或線陣單光子探測器實現；其中，線陣單光子探測器采用紫外、可見光、近紅外、紅外雪崩二極管或固態光電倍增管或超導單光子探測器實現；當配置線陣單光子探測器時需要在其后連接相應的多通道計數器，以計量線陣各通道光子脈沖個數。
11.根據權利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統，其特征在于，所述壓縮計算關聯模塊(25)采用下列任意一種算法實現壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹`配跟蹤算法OMP、基跟蹤算法BP、LASSO、LARS, GPSR、貝葉斯估計算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、11_1 s、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST 算法、10重建算法、I1重建算法、I2重建算法；其中的稀疏基采用離散余弦變換基、小波基、傅里葉變換基、梯度基、gabor變換基中的任意一種。
12.基于權利要求1-11之一所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統所實現的主動高光譜成像方法，包括: 步驟I)、稀疏孔徑壓縮計算關聯的相位調制的步驟； 所述偏振光源發射單元(20)發出的偏振光經過擴束準直后入射到所述隨機光學調制單元(17)，然后依次通過全反射鏡(16)、偏振光分束器(15)、第一透鏡(14)、束斑合成單元(13)、光束反射單元、自由空間準直單元、稀疏孔徑單元，將隨機光學調制單元(17)上的散斑投影到待測物體上，發射到成像物體；其中，隨機光學調制單元(17)通過加載隨時間變化的散斑對偏振光源發射光進行相位調制； 步驟2)、壓縮采樣的步驟； 所述線陣光探測器(24)在所述隨機光學調制單元(17)每次翻轉的時間間隔內同時采樣不同波長會聚后的光信號，并將采集的數值作為對應不同波長的測量值向量yI? Y2,...J Yt (t〉I); 步驟3)、計算關聯成像中自由空間光場傳播的計算步驟；通過惠更斯-菲涅爾衍射公式計算出所述隨機光學調制單元(17)上的調制散斑光場通過自由空間光場傳播到物體面上的光場分布，將計算結果作為最終的測量矩陣A ； 步驟4)、信號重建的步驟； 所述測量矩陣A與每個通道測量值向量yi(l <i<t) 一起作為壓縮計算關聯模塊(25)的輸入，選取合適的稀疏基使得稀疏孔徑成像X能由最少量的系數表示，通過壓縮感知算法進行數據演算，重建出對應該通道波長的二維圖像，t個通道的值分別進行計算，將得到對應t個波長的二維圖像，將多波長各自的光強分布整合到一起，最終實現基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的高光譜成像。
13.根據權利要求12所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統所實現的主動高光譜成像方法，其特征在于，還包括根據高光譜成像繪制出光強與波長的光譜曲線，研究被測對象的光譜強度分布情況。
14.根據權利要求12或13所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關聯的主動高光譜成像系統所實現的主動高光譜成像方法，其特征在于，所述壓縮計算關聯模塊(25)中所采用的壓縮計算關聯算法的核心為壓縮感知最優化算法，在目標函數上結合了關聯成像的成像約束條件，將壓縮感知最優化算法的關鍵目標函數修改為:
【文檔編號】G01J3/447GK103453993SQ201310418430
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】孫志斌, 俞文凱, 代斌, 劉雪峰, 翟光杰, 楊震, 孟新 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心