一種推掃式編碼孔徑光譜成像方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種推掃式編碼孔徑光譜成像方法及裝置，其中，推掃式編碼孔徑光譜成像方法包括：成像平臺帶動成像系統相對景物進行水平移動，成像系統包括依次設置的前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器，成像系統與成像平臺固定，成像系統的光軸垂直于景物；景物的光譜數據立方體由前置鏡進入景物編碼模板，沿景物編碼模板逐行遍歷，經準直鏡后進入分光棱鏡，經分光棱鏡色散后再經成像鏡在探測器上得到混疊數據。光譜成像平臺內部無運動部件，形成推掃式光譜成像系統，不僅保留編碼孔徑光譜成像高通量、高信噪比的特性，更提高光譜成像儀的穩定性與可靠性，為航空航天遙感領域帶來高效、高質量的成像方式。
【專利說明】一種推掃式編碼孔徑光譜成像方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及成像光譜儀【技術領域】，尤其涉及一種推掃式編碼孔徑光譜成像方法及
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【背景技術】
[0002]編碼孔徑光譜成像技術是近年來光譜成像【技術領域】的研究熱點，該技術采用兩維編碼模板代替傳統光譜成像儀的狹縫，使得系統具有高的光通量和信噪比，因此，在諸多領域(特別是微弱信號探測領域)具有很高的應用價值和潛力.
[0003]現有編碼孔徑光譜成像儀的工作過程如下:編碼孔徑光譜成像儀與目標間相對位置保持不變(凝視成像)，目標光經前置鏡后，匯聚到一次像面，其一次像面位置與編碼模板平面重合，目標一次像經編碼模板進行編碼調制后，到達準直鏡，經準直鏡準直后變為準直光，到達色散原件，經色散原件(棱鏡等)色散后，變為一系列單色準直光，并到達成像鏡，經成像鏡后在探測器成像，得到經編碼模板調制后的混疊圖譜數據。通過變換不同的編碼模板，可以實現對目標的不同調制，并對得到的不同編碼模板調制后的混疊圖譜數據進行數學重構，可以得到目標的圖譜信息。
[0004]編碼孔徑光譜成像技術具有高通量、高信噪比等原理性優點，但是其在應用過程中，存在如下的核心問題，極大限制了該技術的應用領域:
[0005]凝視成像方式不適用于遙感應用。現有編碼孔徑光譜成像儀在成像過程中，要求其與被測目標間的位置不發生變化，通過改變編碼孔徑光譜成像儀內部的編碼模板，實現不同編碼調制下的光譜成像探測，而對于遙感應用來說，多數情況下，遙感平臺(如衛星、飛機)與被測目標間存在相對運動，很難實現凝視成像。
[0006]編碼孔徑光譜成像儀中存在編碼模板活動部件，降低了穩定性和可靠性。現有編碼孔徑光譜成像儀在遙感應用過程中，會受很多外界環境的影響(如振動、沖擊等)，活動部件極大降低了儀器的穩定性和可靠性。
[0007]因此，現有編碼孔徑光譜成像技術目前的應用領域主要以地面和實驗室應用為主，在航空航天遙感領域的應用幾乎是空白。
【發明內容】
[0008]本發明實施例的目的是提供一種推掃式編碼孔徑光譜成像方法及裝置，提高光譜成像系統的穩定性和普適性。
[0009]本發明實施例的目的是通過以下技術方案實現的:
[0010]一種推掃式編碼孔徑光譜成像方法，包括:
[0011]成像平臺帶動成像系統相對景物進行水平移動，所述成像系統包括依次設置的前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器，所述成像系統與所述成像平臺固定，所述成像系統的光軸垂直于所述景物；
[0012]所述景物的光譜數據立方體由所述前置鏡進入景物編碼模板，沿景物編碼模板逐行遍歷，經所述準直鏡后進入所述分光棱鏡，經所述分光棱鏡色散后再經所述成像鏡在所述探測器上得到混疊數據。
[0013]一種推掃式編碼孔徑光譜成像裝置，包括成像平臺以及與所述成像平臺固定的成像系統，所述成像系統包括依次設置的前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器，所述成像系統與所述成像平臺固定，成像平臺用于帶動成像系統相對景物進行水平移動，所述成像系統的光軸垂直與于所述景物。
[0014]由上述本發明實施例提供的技術方案可以看出，前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器共同組成成像系統，固定于光譜成像平臺，平臺內部無運動部件，形成推掃式光譜成像系統，不僅保留編碼孔徑光譜成像高通量、高信噪比的特性，更提高光譜成像儀的穩定性與可靠性，為航空航天遙感領域帶來高效、高質量的成像方式。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0016]圖1為本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像方法流程示意圖。
[0017]圖2為本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置構成示意圖。
[0018]圖3為本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置探測過程示意圖。
[0019]圖4為本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置編碼成像過程示意圖。
[0020]圖5為本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置與現有編碼孔徑光譜成像儀中平臺移動方向與色散方向關系示意圖，圖5(a)為現有編碼孔徑光譜成像儀中平臺移動方向與色散方向關系示意圖，圖5(b)為推掃式編碼孔徑光譜成像裝置中平臺移動方向與色散方向關系示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0022]如圖1所示，本發明實施例一種推掃式編碼孔徑光譜成像方法，包括:
[0023]11、光譜成像平臺帶動成像系統相對景物進行水平移動，所述成像系統包括依次設置的前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器，所述成像系統與所述光譜成像平臺固定，所述成像系統的光軸垂直于所述景物；
[0024]12、所述景物的光譜數據立方體由所述前置鏡進入景物編碼模板，沿景物編碼模板逐行遍歷，經所述準直鏡后進入所述分光棱鏡，經所述分光棱鏡色散后再經所述成像鏡在所述探測器上得到混疊數據。
[0025]本領域技術人員可以理解，成像系統的光軸可以為系統的對稱軸。
[0026]本領域技術人員可以參考現有技術理解成像系統及其包括的前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器，如可以參考現有編碼孔徑光譜成像儀理解，示例性的，目標光經前置鏡后，匯聚到一次像面，其一次像面位置與編碼模板平面重合，目標一次像經編碼模板進行編碼調制后，到達準直鏡，經準直鏡準直后變為準直光，到達色散原件，經色散原件(棱鏡等)色散后，變為一系列單色準直光，并到達成像鏡，經成像鏡后在探測器成像，得到經編碼模板調制后的混疊圖譜數據。
[0027]光譜成像平臺可以為平板式或者框架式，等等，本領域技術人員可以理解，光譜成像平臺用于安轉固定成像系統，光譜成像平臺帶動成像系統相對景物進行推掃，光譜成像平臺的結構不受限制，光譜成像平臺與成像系統的安裝方式也不受限制，光譜成像平臺用于安轉固定成像系統，成像系統可以直接安裝、通過框架安裝在光譜成像平臺上。
[0028]由上述本發明實施例提供的技術方案可以看出，前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器共同組成成像系統，固定于光譜成像平臺，平臺內部無運動部件，形成推掃式光譜成像系統，不僅保留編碼孔徑光譜成像高通量、高信噪比的特性，更提高光譜成像儀的穩定性與可靠性，為航空航天遙感領域帶來高效、高質量的成像方式。
[0029]可選的，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向一致，或者，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的列方向一致。
[0030]本領域技術人員可以理解，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向或者列方向一致，但僅僅只能選擇一個方向保持一致，以便保證只有一個方向有色散混疊。
[0031 ] 可選的,成像系統的移動方向與分光棱鏡的色散方向垂直。
[0032]本領域技術人員可以理解，可以通過沿光軸旋轉分光元件(如分光棱鏡)改變色散方向，在此不作贅述。
[0033]色散方向改變的目的是保證色散方向與成像系統整體移動方向垂直，此時，編碼模板隨系統同步移動，可以保證編碼模板每一行與目標間的相對移動，都不會對其他行產生色散混疊影響。
[0034]具體的，如圖4所示，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向一致時，景物的光譜數據立方體沿編碼模板逐行遍歷，經分光棱鏡色散后在探測器上得到混疊數據，可以包括:
[0035]光譜數據立方體沿垂直于分光棱鏡的色散方向移動I行，光譜數據立方體的第N-1行數據相應的被編碼模板的第N行調制，在探測器的第N行形成編碼混疊信號，N大于等于2。
[0036]本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像方法，解決了現有編碼孔徑光譜成像儀穩定性和可靠性低，不適用于遙感應用的缺陷，本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像方法對系統運動形式和成像方式進行設計和完善，使得編碼模板、分光棱鏡、探測器及相關光學元件(前置鏡、準直鏡、成像鏡等)共同組成成像系統，安裝于成像平臺，實現平臺整體推掃成像，提升系統穩定性與可靠性。
[0037]如圖2所示，對應上述實施例推掃式編碼孔徑光譜成像方法，本發明實施例一種推掃式編碼孔徑光譜成像裝置，包括光譜成像平臺21以及與其固定的成像系統22，成像系統22包括依次設置的前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器，成像系統22與光譜成像平臺21固定，光譜成像平臺21用于帶動成像系統22相對景物進行水平移動，成像系統22的光軸垂直于景物23。
[0038]本領域技術人員可以理解，成像系統的光軸可以為系統的對稱軸。
[0039]本領域技術人員可以參考現有技術理解成像系統及其包括的前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器，如可以參考現有編碼孔徑光譜成像儀理解，示例性的，目標光經前置鏡后，匯聚到一次像面，其一次像面位置與編碼模板平面重合，目標一次像經編碼模板進行編碼調制后，到達準直鏡，經準直鏡準直后變為準直光，到達色散原件，經色散原件(棱鏡等)色散后，變為一系列單色準直光，并到達成像鏡，經成像鏡后在探測器成像，得到經編碼模板調制后的混疊圖譜數據。
[0040]光譜成像平臺可以為平板式或者框架式，等等，本領域技術人員可以理解，光譜成像平臺用于安轉固定成像系統，光譜成像平臺帶動成像系統相對景物進行推掃，光譜成像平臺的結構不受限制，光譜成像平臺與成像系統的安裝方式也不受限制，光譜成像平臺用于安轉固定成像系統，成像系統可以直接安裝、通過框架安裝在光譜成像平臺上。
[0041]由上述本發明實施例提供的技術方案可以看出，前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器共同組成成像系統，固定于光譜成像平臺，平臺內部無運動部件，形成推掃式光譜成像系統，不僅保留編碼孔徑光譜成像高通量、高信噪比的特性，更提高光譜成像儀的穩定性與可靠性，為航空航天遙感領域帶來高效、高質量的成像方式。
[0042]可選的，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向一致，或者，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的列方向一致。
[0043]本領域技術人員可以理解，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向或者列方向一致，但僅僅只能選擇一個方向保持一致，以便保證只有一個方向有色散混疊。
[0044]可選的,成像系統的移動方向與分光棱鏡的色散方向垂直。
[0045]本領域技術人員可以理解，可以通過沿光軸旋轉分光元件(如分光棱鏡)改變色散方向，在此不作贅述。
[0046]色散方向改變的目的是保證色散方向與成像系統整體移動方向垂直，此時，編碼模板隨系統同步移動，可以保證編碼模板每一行與目標間的相對移動，都不會對其他行產生色散混疊影響。
[0047]具體的，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向一致時，景物的光譜數據立方體沿編碼模板逐行遍歷，經分光棱鏡色散后在探測器上得到混疊數據，可以包括:
[0048]光譜數據立方體沿垂直于分光棱鏡的色散方向移動I行，光譜數據立方體的第N-1行數據相應的被編碼模板的第N行調制，在探測器的第N行形成編碼混疊信號，N大于等于2。
[0049]本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置，解決了現有編碼孔徑光譜成像儀穩定性和可靠性低，不適用于遙感應用的缺陷，本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置對系統運動形式和成像方式進行設計和完善，使得編碼模板、分光棱鏡、探測器及相關光學元件(前置鏡、準直鏡、成像鏡等)共同組成成像系統，安裝于成像平臺，實現平臺整體推掃成像，提升系統穩定性與可靠性。
[0050]如圖3所示，本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置探測過程:
[0051]編碼模板31、探測器32及相關光學元件(前置鏡、準直鏡、成像鏡等)共同組成成像系統，固定于光譜成像平臺33，光譜成像平臺33帶動編碼模板31沿垂直于景物數據立方體34的方向向右(圖3箭頭所示)移動。
[0052]可見，推掃式編碼孔徑光譜成像系統通過推掃平臺整體來實現不同編碼方式的變換，而編碼模板固定于系統中，成像系統內部各部件無需運動，因此整個成像系統的穩定性高，適合機載、星載平臺。
[0053]如圖4所示，本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置的編碼成像過程:
[0054]假設推掃式編碼孔徑光譜成像裝置的編碼模板41為N行，其探測目標為圖4左側所示景物數據立方體42，光譜成像平臺帶動編碼模板41沿垂直于景物數據立方體42的方向向上移動，即景物數據立方體4相對于光譜成像平臺沿垂直向下(圖4箭頭指向)的方向移動。由于編碼模板41固定于光譜成像平臺中，推掃式編碼孔徑光譜成像裝置內部無活動部件，通過光譜成像平臺整體運動使得景物沿編碼模板逐行遍歷移動，因而實現推掃式的編碼孔徑光譜成像。
[0055]以景物數據立方體42的第I行421為例，相同顏色數據塊代表視場內景物同一譜段的像素點，不同顏色塊分別代表不同譜段的光譜信息。假設色散方向與編碼模板行411方向一致(亦可與列方向412—致，這里以行方向411為例)，那么每個像素點所包含的光譜信息只在行方向產生色散，數據經過編碼模板和棱鏡色散之后，不同譜段的信息分布于不同的位置，在探測器上得到數據的混疊信息，如混疊數據43。
[0056]在進行第2幀觀測時，景物數據立方體的光譜數據立方體沿垂直于色散方向(色散方向與編碼模板行411方向一致)移動I行，景物數據立方體的第I行數據相應的被編碼模板的第2行調制，在探測器的第2行形成編碼混疊信號。以此類推，當景物數據立方體遍歷編碼模板后，景物數據立方體42依次通過編碼模板的N行，進行N次編碼混疊成像，得到N次采樣數據。
[0057]如圖5a所示，對于現有編碼孔徑光譜成像儀，采用凝視成像方式，分光元件的色散方向501與運動部件(編碼模板)的移動方向502平行。
[0058]為了便于理解，圖5a所示編碼模板503，限位孔徑504，探測器505，編碼模板樣式506，入射光線507。
[0059]如圖5b所示，本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置，需要將色散方向進行調整，即通過光軸旋轉分光元件改變色散方向，令分光元件的色散方向511與光譜成像平臺整體移動方向512垂直。
[0060]為了便于理解，圖5b所示編碼模板513，限位孔徑514，探測器515，編碼模板樣式516，入射光線517。
[0061]對于本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置，探測器上得到的數據為逐行推掃所得信號的依次疊加，形成混疊的二維數據，最后再對混疊數據進行解算和重構，恢復得到三維光譜數據立方體。如圖4所示，就N維編碼模板而言，每一幀觀測結果對應一個N元一次方程，通過推掃成像系統來改變編碼方式，從而進行多次編碼調制，觀測得到多組N元一次方程。當編碼模板對應的系數矩陣為正交矩陣時，可以完全重構圖譜數據；當系數矩陣不完全正交時，也可以由一些算法(如約束最小二乘法)通過增加限制條件求最優解，進而重構出高質量的圖譜。因此，本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像裝置的編碼方式具有靈活的選擇性。
[0062]通過上述描述可見，本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像方法及裝置在保留高通量、高信噪比等優點的同時，主要解決當前編碼孔徑光譜成像儀需要凝視成像、難以應用于航空航天遙感領域的問題，通過調整成像方式、完善系統內部結構，進而提高光譜成像系統的穩定性和普適性。
[0063]與現有編碼孔徑光譜成像系統相比，本發明實施例推掃式編碼孔徑光譜成像方法及裝置具有以下特點:
[0064](I)系統無運動部件
[0065]通過推掃平臺整體來實現不同編碼方式的變換，而成像系統固定于光譜成像平臺，成像系統內部各部件無需運動,穩定性高,適合機載、星載平臺。
[0066](2)色散方向改變
[0067]通過沿光軸旋轉分光元件改變色散方向，其目的是保證色散方向與成像系統整體移動方向垂直，此時，編碼模板隨系統同步移動，可以保證編碼模板每一行與目標間的相對移動，都不會對其他行產生色散混疊影響。
[0068](3)編碼成像形式改變
[0069]探測器上得到的數據為逐行推掃所得信號的依次疊加，形成混疊的二維數據，最后再對混疊數據進行解算和重構，恢復得到三維光譜數據立方體。就N維編碼模板而言，每一幀觀測結果對應一個N元一次方程，通過推掃成像系統來改變編碼方式，從而進行多次編碼調制，觀測得到多組N元一次方程。當編碼模板對應的系數矩陣為正交矩陣時，可以完全重構圖譜數據；當系數矩陣不完全正交時，也可以由一些算法通過增加限制條件求最優解，進而重構出高質量的圖譜，具有靈活的選擇性。
[0070]以上，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種推掃式編碼孔徑光譜成像方法，其特征在于，包括: 光譜成像平臺帶動成像系統相對景物進行水平移動，成像系統包括依次設置的前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器，成像系統與光譜成像平臺固定，成像系統的光軸垂直于景物； 景物的光譜數據立方體由前置鏡進入景物編碼模板，沿景物編碼模板逐行遍歷，經準直鏡后進入分光棱鏡，經分光棱鏡色散后再經成像鏡在探測器上得到混疊數據。
2.如權利要求1的推掃式編碼孔徑光譜成像方法，其特征在于，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向一致，或者，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的列方向一致。
3.如權利要求1或2的推掃式編碼孔徑光譜成像方法，其特征在于，成像系統的移動方向與分光棱鏡的色散方向垂直。
4.如權利要求1或2的推掃式編碼孔徑光譜成像方法,其特征在于，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向一致時，景物的光譜數據立方體沿編碼模板逐行遍歷，經分光棱鏡色散后在探測器上得到混疊數據，包括: 光譜數據立方體沿垂直于分光棱鏡的色散方向移動I行，光譜數據立方體的第N-1行數據相應的被編碼模板的第N行調制，在探測器的第N行形成編碼混疊信號，N大于等于2。
5.一種推掃式編碼孔徑光譜成像裝置，其特征在于，包括光譜成像平臺以及與光譜成像平臺固定的成像系統，成像系統包括依次設置的前置鏡、編碼模板、準直鏡、分光棱鏡、成像鏡及探測器，成像系統與光譜成像平臺固定，光譜成像平臺用于帶動成像系統相對景物進行水平移動，成像系統的光軸垂直于景物。
6.如權利要求5的推掃式編碼孔徑光譜成像裝置，其特征在于，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向一致，或者，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的列方向一致。
7.如權利要求5或6的推掃式編碼孔徑光譜成像裝置，其特征在于，成像系統的移動方向與分光棱鏡的色散方向垂直。
8.如權利要求5或6的推掃式編碼孔徑光譜成像裝置，其特征在于，分光棱鏡的色散方向與編碼模板的行方向一致時，光譜數據立方體沿垂直于分光棱鏡的色散方向移動I行，光譜數據立方體的第N-1行數據相應的被編碼模板的第N行調制，在探測器的第N行形成編碼混疊信號，N大于等于2。
【文檔編號】G01J3/28GK104390705SQ201410682424
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】相里斌, 呂群波, 劉揚陽, 周錦松, 裴琳琳, 李偉艷, 王建威, 孫建穎, 張丹丹, 陳鑫雯 申請人:中國科學院光電研究院