一種光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)，包括望遠(yuǎn)系統(tǒng)、掩膜、光譜成像系統(tǒng)、線陣探測器組件、信號處理模塊。掩膜位于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的成像面上，對入射的光束進(jìn)行調(diào)制。光譜成像系統(tǒng)位于掩膜后面，將通過掩膜的光束進(jìn)行光譜細(xì)分，并成像在線陣探測器組件上。線陣探測器組件將入射光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。信號處理模塊對獲得的信號進(jìn)行處理從而獲得目標(biāo)的光譜信息，本發(fā)明將壓縮感知成像技術(shù)與超光譜成像技術(shù)結(jié)合，將豐富的場景光譜信息壓縮采樣到少量的探測器數(shù)據(jù)中，對獲得的圖譜進(jìn)行重構(gòu)，利用目標(biāo)的低維投影重建目標(biāo)的高維數(shù)字模型，實現(xiàn)線陣探測器的超光譜成像。本發(fā)明降低了探測器規(guī)模及成像系統(tǒng)的復(fù)雜度和超光譜成像對面陣探測器的技術(shù)依賴。
【專利說明】一種光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種光譜壓縮的超光譜成像系 統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 超光譜成像儀目前在國內(nèi)外均采用面陣探測器，在沿軌方向獲取目標(biāo)的光譜信 息，在穿軌方向獲取目標(biāo)的空間信息。由于面陣探測器與線陣探測器相比，數(shù)據(jù)量驟增，受 探測器讀出速率、轉(zhuǎn)移效率和工藝尺寸等因素影響，面陣探測器的規(guī)模和幀頻很難做高，極 大程度地限制了我國超光譜成像技術(shù)的空間應(yīng)用。因此，提供一種高性能的探測器成為本 領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光譜壓縮的超光譜 成像系統(tǒng)，將原來的光譜維信息稀疏采樣后壓縮成一列，再通過特征解耦方法對壓縮數(shù)據(jù) 進(jìn)行高精度重構(gòu)，采用線陣探測器替代面陣探測器獲取目標(biāo)的空間和光譜數(shù)據(jù)立方體，以 降低探測器規(guī)模及成像系統(tǒng)的復(fù)雜度，解決傳統(tǒng)超光譜成像儀中的高性能面陣探測器獲取 困難、幅寬難以增大的問題。
[0004] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的解決方案包括：
[0005] -種光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)，包括依次布置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)、掩膜、光譜成像系 統(tǒng)、線陣探測器組件、以及信號處理模塊，其中，光譜成像系統(tǒng)為色散型分光系統(tǒng)，包括會聚 系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、楔形棱鏡以及成像系統(tǒng)，并且楔形棱鏡與色散系統(tǒng)放置的色散方向互相垂 直，其中，望遠(yuǎn)系統(tǒng)位于整個超光譜成像系統(tǒng)的最前端，將來自地面物體的光束會聚在其后 焦平面上；掩膜位于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的后焦平面上，對來自望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束進(jìn)行調(diào)制，對通過望遠(yuǎn) 系統(tǒng)的地面物體信息進(jìn)行0和1的混疊編碼，使部分光束通過，部分光束遮擋，實現(xiàn)對地面 物體的稀疏采樣；光譜成像系統(tǒng)的前焦平面與望遠(yuǎn)系統(tǒng)的后焦平面重合，對通過所述掩膜 的光束進(jìn)行光譜細(xì)分和光譜交錯混疊，并成像在線陣探測器組件上；通過掩膜的光束經(jīng)過 光譜成像系統(tǒng)的會聚系統(tǒng)會聚后，成為平行光束，入射到色散系統(tǒng)上，經(jīng)色散分光獲取地面 物體的光譜信息后進(jìn)入楔形棱鏡，實現(xiàn)光譜交錯、混疊，然后進(jìn)入成像系統(tǒng)，獲取地面物體 混疊后的光譜信息，并成像到線陣探測器組件上，使得單個地面像元目標(biāo)的光譜信息經(jīng)光 譜成像系統(tǒng)被壓縮到線陣探測器的單個像元中，實現(xiàn)景物光譜維的多個像素點與一個探測 器像元的對應(yīng)；線陣探測器組件位于光譜成像系統(tǒng)的焦面上，接收來自光譜成像系統(tǒng)的入 射光信號并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；信號處理模塊對從線陣探測器組件獲得的數(shù)字信號進(jìn)行 處理，通過特征解耦的方法將被遮擋的光束的空間信息和光譜信息恢復(fù)出來，以獲得全部 地面物體的光譜信息和空間信息。
[0006] 優(yōu)選地，對于長焦距小視場，望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用折射式結(jié)構(gòu)，對于長焦距中等視場，望 遠(yuǎn)系統(tǒng)采用折反射式結(jié)構(gòu)，對于中等焦距或短焦距，中等視場或大視場，望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用反射 式結(jié)構(gòu)。
[0007] 優(yōu)選地，會聚系統(tǒng)和成像系統(tǒng)均可采用折射式、反射式或折反射式結(jié)構(gòu)，所述色散 系統(tǒng)可米用棱鏡或光柵。
[0008] 優(yōu)選地，掩膜的數(shù)字微鏡陣列的編碼形式可采用均勻冗余陣列或修正的均勻冗余 陣列。
[0009] 優(yōu)選地，線陣探測器組件包括線陣探測器及相關(guān)控制電路。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0011] (1)本發(fā)明對一種光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，成像系統(tǒng)由望遠(yuǎn) 系統(tǒng)、掩膜、光譜成像系統(tǒng)、線陣探測器組件以及信號處理模塊組成。通過將壓縮感知成像 技術(shù)與超光譜成像技術(shù)結(jié)合，將豐富的場景光譜信息壓縮采樣到少量的探測器數(shù)據(jù)中，再 對獲得的圖譜進(jìn)行重構(gòu)的方法，利用目標(biāo)的低維投影，重建目標(biāo)的高維數(shù)字模型，從而實現(xiàn) 線陣探測器的超光譜成像。本發(fā)明采用線陣探測器替代面陣探測器獲取目標(biāo)的空間和光譜 數(shù)據(jù)立方體，降低了探測器規(guī)模及成像系統(tǒng)的復(fù)雜度和超光譜成像對面陣探測器的技術(shù)依 賴。
[0012] (2)本發(fā)明成像系統(tǒng)通過在光路中加入掩膜板，對原始的超光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行混疊編 碼，將光譜維的數(shù)據(jù)壓縮采樣，使得單個地面像元目標(biāo)的光譜信息被壓縮到線陣探測器的 單個像元中，實現(xiàn)景物光譜維的多個像素點與一個探測器像元的對應(yīng)，再應(yīng)用壓縮感知理 論對壓縮采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)高精度重建。
[0013] (3)本發(fā)明采用線陣探測器來實現(xiàn)超光譜成像，回避了面陣探測器由于受幀頻、規(guī) 模等指標(biāo)限制，超光譜成像難以實現(xiàn)大幅寬的難題，本發(fā)明使用長線列線陣探測器能夠?qū)?現(xiàn)超大幅寬超光譜成像，推動超光譜成像技術(shù)的空間應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)的組成原理示意圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明采用的超光譜成像光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明的空間、光譜混疊編碼原理圖；
[0017] 圖4為本發(fā)明采用的均勻冗余陣列（URA)掩膜；
[0018] 圖5為本發(fā)明采用的修正均勻冗余陣列（MURA)掩膜；
[0019] 圖6為本發(fā)明采用的中心化后修正均勻冗余陣列（MURA)掩膜；
[0020] 圖7為本發(fā)明實施例中采用的光學(xué)系統(tǒng)圖。

【具體實施方式】
[0021] 下面將結(jié)合附圖和具體實施例對根據(jù)本發(fā)明的超光譜成像系統(tǒng)做進(jìn)一步詳細(xì)的 說明。
[0022] 如圖1和圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)系統(tǒng)1、掩 膜2、光譜成像系統(tǒng)3、線陣探測器組件4以及信號處理模塊5五部分。來自地面景物的光 束通過望遠(yuǎn)系統(tǒng)1，會聚在望遠(yuǎn)系統(tǒng)的后焦平面上，此處即為掩膜2的放置位置，且望遠(yuǎn)系 統(tǒng)的后焦平面與后面的光譜成像系統(tǒng)3的前焦平面重合。光譜成像系統(tǒng)3為色散型分光系 統(tǒng)，即采用色散元件（棱鏡、光柵等）實現(xiàn)光譜分光，包括會聚系統(tǒng)3-1、色散系統(tǒng)3-2、楔形 棱鏡3-3以及成像系統(tǒng)3-4四部分。
[0023] 光束經(jīng)過會聚系統(tǒng)3-1后，成為平行光束，入射到色散系統(tǒng)3-2上，利用掩膜2對 地面景物信息進(jìn)行〇和1進(jìn)行編碼，使部分光束通過，部分光束遮擋，實現(xiàn)壓縮采樣，通過楔 形棱鏡3-3實現(xiàn)光譜交錯、混疊，然后進(jìn)入成像系統(tǒng)3-4,進(jìn)行光譜細(xì)分，獲取目標(biāo)的光譜信 息，并成像在線陣探測器組件4上。線陣探測器組件4位于光譜成像系統(tǒng)的焦面上，對入射 光信號進(jìn)行接收并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。信號處理模塊5對線陣探測器組件4獲得的數(shù)字 信號進(jìn)行處理，將被遮擋的光束的空間信息和光譜信息恢復(fù)出來，獲得全部入射光的光譜 信息和空間信息。其中，線陣探測器組件4包括線陣探測器及相關(guān)控制電路。
[0024] 圖3為本發(fā)明的空間、光譜混疊編碼原理圖。Rowi-Rowk為相機(jī)推掃時不同時刻獲 得的超光譜數(shù)據(jù)，λ為光譜維信息，X為空間維信息。傳統(tǒng)的超光譜成像技術(shù)采用面陣探測 器接收超光譜數(shù)據(jù)，本項目通過在光路中加入掩膜板，對原始的超光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行混疊編碼， 將光譜維的數(shù)據(jù)壓縮在單個像元陣列中，使不同時刻獲得的超光譜數(shù)據(jù)Rowi-Rowk分別用 線陣探測器接收，然后通過特征解耦的方法對壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度重建。
[0025] 望遠(yuǎn)系統(tǒng)1根據(jù)超光譜成像系統(tǒng)的焦距和視場要求不同，可以采用折射式、反射 式或折反射式結(jié)構(gòu)，對于長焦距小視場，望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用折射式，對于長焦距中等視場，望遠(yuǎn) 系統(tǒng)采用折反射式，對于中等焦距或短焦距，中等視場或大視場，望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用反射式的結(jié) 構(gòu)型式實現(xiàn)。
[0026] 會聚系統(tǒng)3-1和成像系統(tǒng)3-4可以采用折射式、反射式或折反射式結(jié)構(gòu)，色散系統(tǒng) 3-2可以采用棱鏡或光柵等色散元件。掩膜2的數(shù)字微鏡陣列上的編碼的形式，可以采用均 勻冗余陣列（URA)、修正的均勻冗余陣列（MURA)等幾種形式。
[0027] 均勻冗余陣列（URA)是指陣列排列模式中對于每個確定的間隔出現(xiàn)一對小孔的 次數(shù)是相同的都具有無相關(guān)噪聲和光通量大的特性。通常情況下URA陣列專指二次剩余陣 列。
[0028] 二維URA陣列可以用矩陣（Aij)ixs表示，r和s分別為矩陣的行數(shù)和列數(shù)，r和s 是互質(zhì)數(shù)，且r-s = 2, Aij滿足下式：

【權(quán)利要求】
1. 一種光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，包括依次布置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)（I)、掩膜 (2) 、光譜成像系統(tǒng)（3)、線陣探測器組件（4)、以及信號處理模塊（5)，其中，光譜成像系統(tǒng) (3) 為色散型分光系統(tǒng)，包括會聚系統(tǒng)（3-1)、色散系統(tǒng)（3-2)、楔形棱鏡（3-3)以及成像系 統(tǒng)（3-4)，并且楔形棱鏡（3-3)與色散系統(tǒng)（3-2)放置的色散方向互相垂直； 望遠(yuǎn)系統(tǒng)（1)位于整個超光譜成像系統(tǒng)的最前端，將來自地面物體的光束會聚在其后 焦平面上； 掩膜⑵位于望遠(yuǎn)系統(tǒng)⑴的后焦平面上，對來自望遠(yuǎn)系統(tǒng)⑴的光束進(jìn)行調(diào)制，對通 過望遠(yuǎn)系統(tǒng)（1)的地面物體信息進(jìn)行O和1的混疊編碼，使部分光束通過，部分光束遮擋， 實現(xiàn)對地面物體的稀疏采樣； 光譜成像系統(tǒng)（3)的前焦平面與望遠(yuǎn)系統(tǒng)（1)的后焦平面重合，對通過所述掩膜（2) 的光束進(jìn)行光譜細(xì)分和光譜交錯混疊，并成像在線陣探測器組件（4)上；通過掩膜（2)的光 束經(jīng)過光譜成像系統(tǒng)的會聚系統(tǒng)（3-1)會聚后，成為平行光束，入射到色散系統(tǒng)（3-2)上， 經(jīng)色散分光獲取地面物體的光譜信息后進(jìn)入楔形棱鏡（3-3)，實現(xiàn)光譜交錯、混疊，然后進(jìn) 入成像系統(tǒng)（3-4)，獲取地面物體混疊后的光譜信息，并成像到線陣探測器組件（4)上，使 得單個地面像元目標(biāo)的光譜信息經(jīng)光譜成像系統(tǒng)被壓縮到線陣探測器的單個像元中，實現(xiàn) 景物光譜維的多個像素點與一個探測器像元的對應(yīng)； 線陣探測器組件（4)位于光譜成像系統(tǒng)的焦面上，接收來自光譜成像系統(tǒng)（3)的入射 光信號并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號； 信號處理模塊（5)對從線陣探測器組件（4)獲得的數(shù)字信號進(jìn)行處理，通過特征解耦 的方法將被遮擋的光束的空間信息和光譜信息恢復(fù)出來，以獲得全部地面物體的光譜信息 和空間信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，對于長焦距小視 場，望遠(yuǎn)系統(tǒng)（1)采用折射式結(jié)構(gòu)，對于長焦距中等視場，望遠(yuǎn)系統(tǒng)（1)采用折反射式結(jié)構(gòu)， 對于中等焦距或短焦距，中等視場或大視場，望遠(yuǎn)系統(tǒng)（1)采用反射式結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述會聚系統(tǒng) (3-1)和成像系統(tǒng)（3-4)均可采用折射式、反射式或折反射式結(jié)構(gòu)，所述色散系統(tǒng)（3-2)可 米用棱鏡或光柵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述掩膜（2)的數(shù) 字微鏡陣列的編碼形式可采用均勻冗余陣列或修正的均勻冗余陣列。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜壓縮的超光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述線陣探測器 組件（4)包括線陣探測器及相關(guān)控制電路。
【文檔編號】G01J3/28GK104316179SQ201410431363
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】李歡, 賀金平, 周峰 申請人:北京空間機(jī)電研究所