專利名稱：光柵與棱鏡組合式超光譜圖像測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用光柵與棱鏡組合測量物體超光譜圖像的方法。
超光譜圖像系指由“連續(xù)”的一維波長和二維空間所描繪的三維圖像，例如物體經(jīng)過光學(xué)成像系統(tǒng)后所形成的像。
國際上自八十年代初開始發(fā)展測量物體超光譜圖像的方法與技術(shù)。近二十年來，工程上所用技術(shù)方法主要是將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合的成像光譜技術(shù)方法。在成像光譜技術(shù)中，前光學(xué)系統(tǒng)將物體成像在光譜儀的入射狹縫上；光譜儀將通過狹縫進(jìn)入的光輻射按波長進(jìn)行分離；通過線陣探測器擺掃或面陣探測器推掃來測量物體的超光譜圖像。為了減輕成像光譜儀器的質(zhì)量，八十年代末，國際上開始研究用干涉術(shù)替代分光術(shù)的成像光譜技術(shù)。由于必須借助狹縫來實(shí)現(xiàn)空間分辨，成像光譜技術(shù)存在著兩個(gè)局限性(1)光子有效利用率很低，探測弱輻射十分困難；(2)只適合測量靜態(tài)物體的超光譜圖像。
要實(shí)現(xiàn)對弱輻射和動(dòng)態(tài)物體的超光譜測量，就必須采用全視場光學(xué)系統(tǒng)。九十年代初，國際上提出了一種將分光技術(shù)和層析成像思想相結(jié)合的全視場超光譜測量方法——光譜層析方法。光譜層析方法，首先使用一種分光元件(棱鏡或光柵)來產(chǎn)生超光譜圖像的一組斷層投影；然后由該斷層投影序列，通過數(shù)據(jù)反演，重構(gòu)出物體的超光譜圖像。按照形成斷層投影序列方式的不同，光譜層析術(shù)分為兩種。第一種，采用棱鏡作為分光元件，通過繞光軸旋轉(zhuǎn)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(Opt.Eng.32，(1993)3133～3138)或更換棱鏡(Proc.SPIE.Vol.1843，(1991)315～322)產(chǎn)生多幅斷層投影，被用來測量弱輻射定態(tài)物體，主要缺點(diǎn)是“轉(zhuǎn)系統(tǒng)法”對旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性要求很高；“換棱鏡法”對棱鏡組的性能要求很高，并且使用復(fù)雜。第二種，采用二維透射光柵作為分光元件，借助二維透射光柵的雙向衍射效應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)斷層投影(Opt.Lett.16(16)，1277～1279(1991)，Appl.Opt.36(16)，3694～3698(1997))，主要用于探測窄波帶、分辨率要求不高的動(dòng)態(tài)物體。光譜層析術(shù)，由于斷層投影序列與原始超光譜圖像之間數(shù)理關(guān)系復(fù)雜，所以需通過多次代數(shù)迭代或復(fù)雜變換才能重構(gòu)出物體的超光譜圖像，而重構(gòu)超光譜圖像呈現(xiàn)出很強(qiáng)的“平滑”效應(yīng)，因此，不適合測量有較細(xì)致的空間和光譜結(jié)構(gòu)的物體。
為了克服僅采用光柵或棱鏡的現(xiàn)有成像光譜方法和光譜層析方法所存在的問題，本發(fā)明的目的是同時(shí)采用光柵與棱鏡的組合，提供一種能以高光譜和空間分辨率測量定態(tài)物體、動(dòng)態(tài)物體和弱輻射物體的超光譜圖像的方法。
本發(fā)明測量超光譜圖像的方法和步驟如下(1)首先，使用一維光柵，對由物鏡所獲取的物體的像進(jìn)行空間編碼，一維光柵的光柵常數(shù)由所需的空間分辨率決定；(2)其次，使用棱鏡對空間編碼圖像進(jìn)行光譜編碼，為了簡化空間和光譜編碼圖像與對應(yīng)物體像之間的數(shù)理關(guān)系，調(diào)節(jié)棱鏡，使棱鏡的色散方向與光柵的刻線方向相平行；(3)在與光柵互為物像共軛的平面上，使用探測器完成對空間和光譜編碼圖像的數(shù)據(jù)采集，并將所采集的圖像數(shù)據(jù)通過導(dǎo)線送入到計(jì)算機(jī)內(nèi)；(4)計(jì)算機(jī)根據(jù)物體像與其編碼圖像間的數(shù)理關(guān)系(見圖2)，由空間和光譜編碼圖像出發(fā)，通過數(shù)字相減運(yùn)算，復(fù)原出物體的超光譜圖像。
本發(fā)明提供的光柵與棱鏡組合式超光譜圖像測量方法的優(yōu)點(diǎn)和積極效果如下(1)本發(fā)明提供了一種同時(shí)使用光柵和棱鏡對超光譜圖像進(jìn)行編碼的方法。它對超光譜圖像編碼的結(jié)果如圖2所示。在圖2中，區(qū)間1中沿x方向探測器每一像元所采集到的光信號(hào)，是同一物元不同光譜的疊加，因此，經(jīng)由代數(shù)減法運(yùn)算，便可求得對應(yīng)物元的光譜圖；區(qū)間2雖然與區(qū)間1有部分重合，但由于區(qū)間1的光譜數(shù)據(jù)已知，所以，仍可由代數(shù)減法運(yùn)算求出相應(yīng)物元的光譜圖；以下類推。由上述過程可見，本發(fā)明方法使得由一幅編碼圖像，經(jīng)過代數(shù)減法運(yùn)算，就可精確復(fù)原出物體的超光譜圖像，從而超光譜圖像的光譜和空間復(fù)原精度高。
圖3是光譜層析術(shù)中用來重構(gòu)超光譜圖像的一個(gè)斷層投影。由圖3顯而易見，探測器像元所采集到的光信號(hào)，是相鄰物元的不同光譜輻射的疊加，這使得斷層投影序列與其相應(yīng)的超光譜圖像間數(shù)理關(guān)系復(fù)雜，需由若干幅斷層投影經(jīng)過多次代數(shù)迭代或復(fù)雜變換才能重構(gòu)出物體的超光譜圖像。所以，光譜層析術(shù)重構(gòu)過程復(fù)雜、費(fèi)時(shí)，精度不高。
因此，本發(fā)明克服了光譜層析法光譜和空間分辨率不高的問題。
(2)由于本發(fā)明采用光柵與棱鏡的組合式，使得超光譜圖像測量系統(tǒng)是全視場的，所以光子有效利用率高，能以高光譜和空間分辨率測量弱輻射物體，從而克服了成像光譜方法和光譜層析方法不能以高光譜和空間分辨率測量弱輻射物體的問題。
(3)由于本發(fā)明能同時(shí)獲得用于復(fù)原物體超光譜圖像所需的全部空間和光譜信息，所以能測量動(dòng)態(tài)物體的超光譜圖像，從而克服了成像光譜方法不能測量動(dòng)態(tài)物體超光譜圖像的問題。
(4)本發(fā)明方法既可測量弱輻射物體的超光譜圖像，又可測量動(dòng)態(tài)物體的超光譜圖像，克服了光譜層析法一種結(jié)構(gòu)只能測量一類物體超光譜圖像的問題。
(5)與成像光譜系統(tǒng)和光譜層析系統(tǒng)相比，由本發(fā)明所制造的超光譜圖像測量儀具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、使用簡便等特性。


圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施例原理示意圖。圖2是本發(fā)明技術(shù)對超光譜圖像進(jìn)行編碼的示意圖。圖3是光譜層析技術(shù)對超光譜圖像進(jìn)行編碼的示意圖。
本發(fā)明的一種實(shí)施例利用本發(fā)明方法制造的一種超光譜圖像測量裝置如圖1所示。該裝置由物鏡1、一維光柵2、透鏡3、棱鏡4、透鏡5、探測器6和計(jì)算機(jī)7等部分構(gòu)成。其中，一維光柵2采用振幅型光柵；透鏡3采用準(zhǔn)直鏡頭；棱鏡4采用色散棱鏡，也可用一維光柵替代色散棱鏡；透鏡5采用會(huì)聚鏡頭；探測器6采用面陣探測器。一維光柵2位于物鏡1的像面上；透鏡3的前焦面與一維光柵2相重合；在透鏡3與透鏡5之間放置棱鏡4，棱鏡的色散方向與光柵的刻線方向平行；探測器6的探測面與透鏡5的后焦面重合；探測器6經(jīng)導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)7相連。一維光柵2的光柵常數(shù)由所需的空間分辨率根據(jù)采樣定理決定。
物鏡1將物體成像在一維光柵2上，形成一幅由連續(xù)的一維波長和二維空間描繪的超光譜圖像。一維光柵2對此超光譜圖像進(jìn)行空間編碼。透鏡3將經(jīng)一維光柵2空間編碼的超光譜圖像準(zhǔn)直為平行光。棱鏡4依據(jù)其折射率隨光波波長而變的性質(zhì)，對各平行光進(jìn)行光譜編碼。透鏡5將平行光會(huì)聚于探測器6的探測面上，形成物體超光譜圖像的一幅空間和光譜編碼圖像。探測器6對空間和光譜編碼圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過導(dǎo)線傳給計(jì)算機(jī)7。計(jì)算機(jī)7根據(jù)編碼圖像的光譜和空間編碼規(guī)則，進(jìn)行數(shù)字反演，復(fù)原出物體的超光譜圖像。
權(quán)利要求
1.一種光柵與棱鏡組合式測量物體超光譜圖像的方法，其內(nèi)容和測量步驟如下(1)首先，使用一維光柵，對由物鏡所獲取的物體的像進(jìn)行空間編碼；(2)其次，使用棱鏡對空間編碼圖像進(jìn)行光譜編碼，調(diào)節(jié)棱鏡，使棱鏡的色散方向與光柵的刻線方向相平行；(3)在與光柵互為物像共軛的平面上，使用探測器完成對空間和光譜編碼圖像的數(shù)據(jù)采集，并將所采集的圖像數(shù)據(jù)通過導(dǎo)線送入到計(jì)算機(jī)內(nèi)；(4)計(jì)算機(jī)根據(jù)物體像與其編碼圖像間的數(shù)理關(guān)系，由空間和光譜編碼圖像出發(fā)，通過數(shù)字減法運(yùn)算后，復(fù)原出物體的超光譜圖像。
全文摘要
本發(fā)明屬于光譜測量技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種測量物體超光譜圖像的方法。本發(fā)明同時(shí)使用一維光柵和棱鏡對物體的像進(jìn)行空間和光譜編碼,采用探測器對編碼圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過數(shù)字減法運(yùn)算復(fù)原出物體的超光譜圖像。本發(fā)明能以高光譜和空間分辨率測量定態(tài)、動(dòng)態(tài)和弱輻射物體,相應(yīng)的儀器有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、使用簡便等特色,可用于科學(xué)研究、資源普查、環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01J3/28GK1271850SQ99104238
公開日2000年11月1日 申請日期1999年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月28日
發(fā)明者向陽 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所