一種光學智能感知多維成像系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高光譜成像技術，特別是涉及一種新型的計算型高光譜成像技術。
【背景技術】
[0002]新型光學信息獲取技術的原理探索與研究一直是光學技術發展的一項重要內容。光譜成像技術是一種集光學、光譜學、精密機械、電子技術及計算機技術等于一體的新型探測技術，在獲取目標的光譜特性曲線的同時，還可以獲得目標的幾何形狀信息。另一方面，結合偏振、動態時間變化信息的光譜成像技術，還可以很好地獲得目標的形態特征、動態特征等。因此，基于時、空、譜、偏振等信息于一體的光學多維成像是一個新的研究熱點。
[0003]就光譜成像技術本身來說，常用的光譜成像技術主要有四類:
[0004]第一類光譜成像技術是采用濾光片技術以獲取不同波段的光譜數據；
[0005]第二類光譜成像技術是采用色散技術來獲取不同波段的光譜數據；
[0006]第三類光譜成像技術是采用傅里葉變換光譜技術通過獲取的干涉數據反演目標光譜數據；
[0007]第四類光譜成像技術是采用新型數學計算理論通過獲取的調制編碼數據重構目標光譜數據。
[0008]尤其是第四類計算型光譜成像技術由于其具有高通量、多通道、硬件限制小、數據采集率低等優點，越來越受到重視，已成為目前國際上研究的熱點技術。
[0009]對于傳統成像體制，往往存在系統工程實施難度大、硬件工藝難以實現、海量數據傳輸壓力大、數據冗余量大、數據利用率低等技術瓶頸。如，現行技術體制受限于大口徑長焦距光譜成像系統難于實現、高幀頻大面陣探測器難于制造、入射能量低的制約及多維成像工程實現難度大，不具有工程可實施性，而能量制約也造成信噪比偏低，同時，多維成像帶來的數據量過大的問題，也影響著數據的采集、傳輸和處理。
[0010]此外，現有技術還存在無智能化、信息獲取不全面等設計問題。如，無法做到根據目標特征差異進行智能感知，無法在信息獲取時實現智能識別，并根據感知結果反饋調節采集系統；而且，其獲得信息方式單一，并沒考慮到目標空間、光譜、時間、偏振等多維信息的一致獲取。
【發明內容】
[0011]為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種光學智能感知多維成像系統，能夠實現空間、光譜、偏振等多維信息的一體化低數據率低限制智能感知成像與高質量一致圖譜重構。
[0012]本發明的技術解決方案是:一種光學智能感知多維成像系統，其特征在于:成像系統包括依次設置在同一光軸上的前置鏡、空間編碼模板、色散棱鏡、偏振編碼陣列以及探測器；
[0013]所述前置鏡產生一次像面，空間編碼模塊設置在一次像面處；所述色散棱鏡垂直于光軸進行0°、90°、180°、270°旋轉；所述偏振編碼陣列是鍍在探測器表面一定距離的偏振編碼膜。
[0014]上述多維編碼是指對空間、光譜、偏振等光學信息進行編碼調制，分為空間編碼、偏振編碼、旋轉色散光譜調制；編碼單元是對光信息進行編碼調制的最小編碼膜塊，且空間編碼和偏振編碼的編碼單元尺寸相同。
[0015]上述空間編碼模板是光學掩膜板，編碼方案為0、1隨機編碼。
[0016]上述偏振編碼膜是一種多層介質膜，編碼陣列由4個偏振態編碼單元或無偏振態編碼單元組成。
[0017]本系統通過對光學多維信息進行編碼感知和高階張量建模重構，實現多維信息的低限制、低數據率、高質量、一體化、一致性探測。該方案的特點是硬件工藝和工程實施限制小，數據采集率低，一次采集即可獲得目標的空間、光譜、偏振等多維數據，具有一定的時間分辨率，比傳統色散系統能量利用率高。
[0018]本發明具有以下意義:
[0019]本發明基于空間編碼模板、偏振編碼陣列、色散棱鏡的旋轉以及高階張量建模，提出一種光學智能感知多維成像系統。其智能感知是指根據目標特性先驗信息進行光學信息編碼感知，分空間編碼、光譜調制、偏振編碼等，然后，基于高階張量的多維線性表示模型，從多維信息整體建模目標的各類先驗信息，并利用交替投影復原算法重構原始圖譜數據；多維成像是指，除了一般成像過程所采集到的空間幾何信息，還包括光譜信息、偏振信息等。
[0020]由于系統以空間編碼模板替代視場狹縫，增大了光通量，提高了信噪比；同時，采用編碼感知方案本身具有數據壓縮作用，較之傳統方式大大減少了數據量，降低了硬件要求和工程限制，更重要的是實現了多維信息的一致探測。其發明意義主要體現在:解決“大工程裝不上和高標準探測器造不出”問題；解決“分辨率不夠、光通量不足、獲取信息不全等引起的探測不清和探測不明”問題；解決“全采樣和多維成像引起的數據傳不下和算不了”問題。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的光學智能感知多維成像光學系統圖；
[0022]圖2為本發明的光學智能感知多維成像示意圖；
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示，光學系統由前置鏡1、空間編碼模板2、色散棱鏡3和偏振編碼陣列4等多個部分組成。其中，空間編碼模板2裝在一次像面位置處，為光學掩膜板，具體方案為0/1隨機編碼，編碼單元尺寸對應像元大小；色散棱鏡3為石英玻璃，采用垂直于光軸面0、90、180,270度旋轉色散方式；偏振編碼陣列4是鍍在探測器表面一定距離的偏振編碼陣列膜，是一種多層介質膜，具體編碼方案由4個偏振態編碼單元和無偏振態編碼單元隨機組成，編碼單兀尺寸對應像兀大小；最后由探測器5完成對目標多維調制彳目息的米集，米集得到的圖像經過基于高階張量建模的圖譜復原算法處理，就可得到完整的原始多維圖譜數據立方體。
[0024]如圖2所示，不同偏振態下的光譜數據立方體，經過空間編碼模板2，完成空間信息的編碼調制；然后經過色散棱鏡3完成色散圖譜混合，為了提高探測能力，在垂直于光軸面按0、90、180、270度旋轉色散棱鏡，以完成多次編碼調制；經過空間編碼和色散混合的每個色散旋轉角度下的光信息在偏振編碼陣列上完成二次編碼調制，即偏振編碼調制；然后，在探測器5上完成成像；最后，通過基于高階張量建模的圖譜復原算法完成空間、光譜、偏振等多維數據的重構。
[0025]對于定標方案，除了完成傳統的光譜定標和輻射定標外，編碼模板帶來的大規模面陣成像與重構過程的標定也很重要。由于本系統在傳統色散型成像光譜系統中加入了空間編碼模板和偏振編碼陣列，因此，成像光路會出現一些需要額外的標定過程，如色散線性度定標、編碼單元位置定標等。
[0026]對于重構模型和算法，基于光學成像原理，在充分考慮多維信息的數學特性的基礎上，用高階張量整體建模高維圖像的各類先驗信息，并利用交替投影復原算法完成多維信息的高質量一致重構。
[0027]具體來說，考慮到多維圖像在光譜維度上的相關性先驗、空間維度上的局部連續性先驗以及偏振維度上的相似性先驗，引入張量的Tucker分解對這多個個先驗進行建模；同時，多維圖像在這多個維度上通常具有一定的平滑性，為此，引入η階全變差正則項建模此類先驗；最后，綜合目標稀疏性先驗，構建高階張量重構模型。在給定較好的初值條件下，上述模型可以通過交替投影復原算法完成有效求解。
【主權項】
1.一種光學智能感知多維成像系統，其特征在于:成像系統包括依次設置在同一光軸上的前置鏡、空間編碼模板、色散棱鏡、偏振編碼陣列以及探測器； 所述前置鏡產生一次像面，空間編碼模塊設置在一次像面處；所述色散棱鏡垂直于光軸進行0°、90°、180°、270°旋轉；所述偏振編碼陣列是鍍在探測器表面一定距離的偏振編碼膜。2.根據權限要求1所述的光學智能感知多維成像系統，其特征在于:所述多維編碼是指對空間、光譜、偏振等光學信息進行編碼調制，分為空間編碼、偏振編碼、旋轉色散光譜調制；編碼單兀是對光?目息進行編碼調制的最小編碼膜塊，且空間編碼和偏振編碼的編碼單元尺寸相同。3.根據權限要求2所述的光學智能感知多維成像系統，其特征在于:所述空間編碼模板是光學掩膜板，編碼方案為0、1隨機編碼。4.根據權限要求3所述的光學智能感知多維成像系統，其特征在于:所述偏振編碼膜是一種多層介質膜，其編碼陣列由4個偏振態編碼單元或無偏振態編碼單元組成。
【專利摘要】本發明提供一種光學智能感知多維成像系統，包括依次設置在同一光軸上的前置鏡、空間編碼模板、色散棱鏡、偏振編碼陣列以及探測器；前置鏡產生一次像面，空間編碼模塊設置在一次像面處；色散棱鏡垂直于光軸進行0°、90°、180°、270°旋轉；偏振編碼陣列是鍍在探測器表面一定距離的偏振編碼膜。本發明的光學智能感知多維成像系統，能夠實現空間、光譜、偏振等多維信息的一體化低數據率低限制智能感知成像與高質量一致圖譜重構。
【IPC分類】G01J3/28
【公開號】CN105352602
【申請號】CN201510801074
【發明人】唐興佳, 李立波, 王 鋒, 胡炳樑, 徐宗本, 王堯
【申請人】中國科學院西安光學精密機械研究所
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月19日