一種用于水下的非線性光譜成像系統與方法與流程

本發明屬于光學技術領域，涉及一種光譜成像系統與方法，具體涉及一種用于水下的非線性光譜成像系統與方法。

背景技術：

由于水介質對光的衰減、光在水中傳播時前后向散射、水中雜質的散射作用等，光譜成像系統在水中具有圖像對比度差、不清晰和信噪比低的問題，因此很難進行遠距離成像。光譜成像系統能夠獲得兩維空間信息和一維光譜信息，由于成像光譜儀的能量被劃分到多個譜段，因此每個譜段信噪比更差，系統工作距離更近。

一般認為噪聲是有害的，然而基于調制不穩定性的非線性系統可以有效利用噪聲，使噪聲能量在空間域向信號方向轉移，在某個時刻系統信號、噪聲達到協同，此時輸出信噪比達到峰值，這種技術被稱為隨機共振技術。將隨機共振技術應用到水下光譜成像儀中，提高系統信噪比，從而在一定程度上提高系統的水下探測距離。因此如何將隨機共振技術應用到水下光譜成像儀中是一個研究重點。

技術實現要素：

為了解決光學成像系統在水中不清晰和信噪比低，導致探測距離近的問題，本發明提供了一種用于水下的非線性光譜成像系統及方法，用于探測海洋水下目標的二維空間信息和光譜信息，可以獲得較高信噪比，提高系統工作距離。

本發明的技術解決方案是提供一種用于水下的非線性光譜成像系統，包括沿光路依次設置的前置光學系統1、準直鏡2、第一分光元件、dmd或空間光調制器4、第二分光元件及成像鏡6；

其特殊之處在于：

還包括隨機共振系統和微光探測器7；

上述微光探測器7位于成像鏡6的焦平面處，用于探測圖像信息并將圖像信息反饋至隨機共振系統；

上述隨機共振系統包括非線性晶體單元8與反饋電壓調整系統；上述非線性晶體單元8位于前置光學系統1的一次像面處，用于對光信號進行非線性調制；上述反饋電壓調整系統與微光探測器7及非線性晶體連接，微光探測器7將圖像信息反饋至反饋電壓調整系統，反饋電壓調整系統用于根據微光探測器7反饋的圖像信息調整非線性晶體單元8的電壓。

優選地，為了解決不同工藝材料生長的非線性晶體僅在某一窄帶范圍內(100nm)具有隨機共振的能力的問題，上述非線性晶體單元8包括四種不同的非線性晶體，排列為田字形放置于前置光學系統1的一次像面處，上述非線性晶體單元能夠沿非線性晶體單元的中心軸轉動。

優選地，四種不同的非線性晶體分別在不同的窄帶范圍內具有隨機共振能力，四種不同的非線性晶體組合能夠實現在可見光范圍內隨機共振。

優選地，上述第一分光元件與第二分光元件均為光柵。

優選地，上述微光探測器7為emccd、scmos、ccd或iccd。

本發明還提供一種基于上述的成像系統的水下的非線性光譜成像方法，包括以下步驟：

步驟一：光源發射的激光經景物反射后進入前置光學系統1，前置光學系統1將入射光信號成像在非線性晶體單元8上，非線性晶體單元8對入射光進行非線性調制后，經過準直鏡2準直到達第一分光元件，第一分光元器件對經過非線性調制和準直的光信號進行位移及色散分光，色散分光后的光信號經過dmd或空間光調制器4的編碼調制，然后再經過第二分光元件的反向位移和色散匯聚作用，得到編碼后的圖像數據，編碼后的圖像數據經過成像鏡6成像于微光探測器7，微光探測器7獲得景物的圖像信息；

步驟二：微光探測器7將圖像信息發送至反饋電壓調整系統；

步驟三：反饋電壓調整系統根據圖像信息調節非線性晶體單元8的電壓，判斷微光探測器7輸出圖像的變化，直至獲得清晰的圖像。

優選地，步驟三包括逐步調節四個非線性晶體電壓的步驟。

優選地，當系統包括四個非線性晶體時，具體通過：

1)光源發射的激光經景物反射后進入前置光學系統1；

2)以用于水下的非線性光譜成像系統中心為軸線，以90度為間隔，旋轉成像系統，使得光線依次通過四個非線性晶體，再分別依次通過準直鏡2、第一分光元件、dmd或空間光調制器4、第二分光元件及成像鏡6，成像于微光探測器7；

3)微光探測器7獲得四次測量結果的圖像信息，拼接后形成全視場圖像信息；

4)微光探測器7將全視場圖像信息反饋至反饋電壓調整系統；

5)觀察微光探測器7輸出圖像的變化，反饋電壓調整系統根據圖像信息分別調整四個非線性晶體的電壓，直至獲得清晰的圖像。

優選地，上述光源為超連續譜白光激光器。

本發明的有益效果是：

1、將非線性晶體放置在前置光學系統的一次像面位置，利用隨機共振系統將水下激光光源回波信號中的噪聲充分利用，通過不斷調整非線性晶體電壓，改變噪聲能量在非線性晶體空間域分布，使其向信號傳播方向轉移，在某一時刻系統，信號、噪聲達到協同，輸出信噪比達到峰值。解決了水下光譜成像信噪低，探測距離短的問題；

2、包括四種不同的非線性晶體，在可見光范圍(450-850nm)內實現隨機共振；

3、四種不同的非線性晶體以田字形排列，測量過程簡單可控。

附圖說明

圖1為本發明成像系統示意圖；

圖2為非線性晶體單元8示意圖；

圖3為成像過程中非線性晶體單元8旋轉過程示意圖；

圖中附圖標記為：1-前置光學系統，2-準直鏡，3-第一光柵，4-dmd或空間光調制器，5-第二光柵，6-成像鏡，7-微光探測器，8-非線性晶體單元。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明做進一步的描述。

從圖1可以看出，本發明系統主體是一個編碼孔徑光譜成像儀，包括沿光路方向依次設置的前置光學系統1、準直鏡2、第一光柵3、dmd或空間光調制器4、第二光柵5、成像鏡6，在編碼孔徑光譜成像儀中加入隨機共振系統及微光探測器7，將微光探測器7設置在成像鏡6的焦平面處，微光探測器7可以是emccd、scmos、ccd、iccd等，隨機共振系統包括非線性晶體單元8及反饋電壓調整系統，非線性晶體單元8位于前置光學系統1的一次像面處，反饋電壓調整系統與非線性晶體單元8及微光探測器7連接。

為了解決不同工藝材料生長的非線性晶體僅在某一窄帶范圍內(100nm)具有隨機共振能力的問題。本發明在可見光范圍內采用四種非線性晶體(450-850nm)，排列成田字形，放置在前置光學系統的一次像面處，在可見光范圍內實現隨機共振。

使用超連續譜白光激光器作為光源，發射的白色激光經過景物反射后被編碼孔徑光譜成像系統接收；光源發射的激光經景物反射后進入前置光學系統1，前置光學系統1將入射光信號成像在非線性晶體單元8上，非線性晶體單元8對入射光進行非線性調制后，經過準直鏡2準直到達第一光柵3，第一光柵3對經過非線性調制和準直的光信號進行位移及色散分光，色散分光后的光信號經過dmd或空間光調制器4的編碼調制，然后再經過第二分光元件第二光柵5的反向位移和色散匯聚作用，得到編碼后的圖像數據，編碼后的圖像數據經過成像鏡6成像于微光探測器7，微光探測器7獲得景物的圖像信息；

當非線性晶體單元包括四個不同的非線性晶體時，非線性晶體單元能夠以非線性光譜成像系統中心為軸線旋轉，以90度為間隔，旋轉四次，可參見圖3，微光探測器7獲得四次測量結果。每一次測量均可以計算一個光譜片段，四個光譜片段進行拼接，形成全視場450nm-850nm的光譜曲線，即獲得全視場圖像信息；微光探測器7將全視場圖像信息反饋至反饋電壓調整系統；反饋電壓調整系統逐步調節每一個非線性晶體的電壓，判斷微光探測器7輸出圖像的變化，直至獲得最清晰的圖像。

編碼孔徑光譜成像儀能夠獲取同時獲取目標的二維空間信息和一維光譜信息。隨機共振系統通過調整非線性晶體的電壓，使得非線性系統噪聲、系統、信號達到協同、在該狀態該成像系統信噪比最高。