一种基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪及光谱重建方法技术

本发明专利技术提供一种基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪及光谱重建方法。本发明专利技术使用数字微镜器件实现阿达玛变换编码模板，从而代替常规扫描色散型光谱仪的入射狭缝，实现对目标空间的调制，调制后的信号经色散得到目标光谱像；使用阿达玛变换矩阵的逆矩阵作用于色散光谱数据矩阵，获得重建后的目标场景光谱数据矩阵。本发明专利技术提高了光谱仪工作效率，解决了传统狭缝光谱仪在光源能量较弱和光线较弱的情况下难以获得高分辨率、高信噪比的目标场景光谱数据的问题。

【技术实现步骤摘要】
—种基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪及光谱重建方法
本专利技术属于光谱测量和光谱成像的
，具体涉及一种基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪及光谱重建方法。
技术介绍
成像光谱仪用于探测目标的两维空间信息与一维光谱信息，然后形成三维的数据立方体，从而实现对目标特性的综合探测与识别。光探测器最多只能探测二维信号，想要获得三维的数据立方体，就必须采用扫描技术或者多通道探测技术。目前，成像光谱仪已广泛应用于生物化学、医学研究、环境及安全监测、生态研究、空间探测研究等领域。传统的常规扫描色散型光谱仪，一般由望远物镜、狭缝、准直物镜、光栅、成像物镜和CCD相机组成。由于采用单狭缝结构，使得它没有摆脱单纯的接收，获取光谱信息的状态，对有用的光谱信号、背景信号及干扰信号无法进行有效区分，因此分辨能力差，信噪比低。鉴于以上缺点，刘佳等在《光谱学与光谱分析[J]》.2012，32 (6)发表的“双色散二维阿达玛变换光谱仪” 一文中，对二维光谱进行阿达玛调制后聚焦，实现多通道探测，采用阿达玛模板对入射信进行调制，多次测量后通过阿达玛解码把测得的调制信号还原成入射信号。此方法在一定程度上降低了噪声影响，提高了信噪比。但此方法仍采用单狭缝入射，而光谱分辨率取决于入射狭缝的宽度，为保证光谱分辨率要采用细窄狭缝，极大限制了光能利用率，在弱光条件下应用有限；并且一次测量只能获得一条带的光谱，工作效率低。简言之，现有基于狭缝的成像光谱仪存在工作效率低，在弱光条件下信噪比差、光谱分辨率低等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪及光谱重建方法，提高了光谱仪工作效率，解决了传统狭缝光谱仪在光源能量较弱和光线较弱的情况下难以获得高分辨率、高信噪比的目标场景光谱数据的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪，包括望远物镜、反射镜、数字微镜器件、准直镜、光栅、成像物镜、CCD相机；反射镜的反射面与望远物镜的光轴成45°角，数字微镜器件的有效平面与反射镜的反射面成45°角，准直镜的光轴与从数字微镜器件反射的光的光轴平行，光栅和成像物镜都与准直镜平行放置。本专利技术还提出一种使用基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪进行光谱重建的方法，通过调整数字微镜器件上微镜的偏转实现η个阿达玛变换编码模板的变换，在CXD相机上获得η幅色散后的目标光谱像；根据目标光谱像按行对目标场景每一行像元依次进行光谱重建，获得目标场景完整的光谱；目标场景第j行像元的光谱重建方法包括以下步骤:步骤一、取每一幅目标光谱像数据矩阵中的第j行数据组成目标场景第j行像元通过数字微镜器件后的色散光谱矩阵Qj ；步骤二、将在数字微镜器件中生成阿达玛变换编码模板的S矩阵的逆矩阵S—1作用于色散光谱矩阵Qr获得目标场景第j行像元的光谱数据矩阵测量值巧'步骤三、根据目标场景每一行的光谱数据矩阵测量值重建目标光谱。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于:(1)本专利技术利用阿达玛变换编码模板对空间目标进行调制后色散成像，这种组合测量的方式不仅增加了光通量，而且能大大提高信噪比，在微弱光谱的分析中有显著的作用；(2)本专利技术同一时间间隔可检测多个单元的信号总强度，从而提高了工作效率。【附图说明】图1是本专利技术基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪的结构示意图。图2是本专利技术实验中使用本专利技术以及传统放入单狭缝成像光谱仪测得汞灯光谱曲线的对比图。【具体实施方式】一、基于DMD (数字微镜器件)的空间调制阿达玛变换光谱仪本专利技术基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪，如附图1所示，包括望远物镜1、反射镜2、数字微镜器件3、准直镜4、光栅5、成像物镜6、CXD相机7 ;反射镜2的反射面与望远物镜I的光轴成45°角，数字微镜器件3的有效平面与望远物镜I的光轴平行放置，数字微镜器件3的有效平面与反射镜2的反射面成45°角，准直镜4的光轴与从数字微镜器件3反射的光的光轴平行，光栅5和成像物镜6都与准直镜4平行放置，CXD相机7平面与望远物镜I光轴成20°角，与成像物镜6光轴成70°角放置。空间目标发出的光通过望远物镜I汇聚到达反射镜2，经过反射镜2反射后照射在数字微镜器件3上的有效区域，部分光通过数字微镜器件3上的微镜反射到准直镜4，经准直镜4准直后平行入射到光栅5上，经光栅5色散的光通过成像物镜6汇聚到CXD相机7上形成目标光谱像。在此过程中，通过调整数字微镜器件3上微镜的偏转实现η个阿达玛变换编码模板的变换，在CCD上获得η幅色散后的目标光谱像。阿达玛变换编码模板代替狭缝的原理数字微镜器件(DMD)是一种由若干极小反射镜(即微镜)空间组合而成的光电器件，微镜的偏转由数字集成电路控制，可产生±12°的偏转，实现编码I和O的功能。使用时，将生成的η幅阿达玛变换编码模板录入到数字微镜器件开发套件，数字集成电路根据η幅阿达玛变换编码模板对应位置处的灰度值依次控制数字微镜器件中各个微镜的偏转，灰度值为I处，微镜偏转到+12°，将空间目标光反射到后续检测光路中，相当于通过狭缝；灰度值为O处，微镜偏转到-12°，将空间目标光反射到后续检测光路外，相当于被狭缝阻挡。这样，根据η幅阿达玛变换编码模板，控制数字微镜器件上的微镜进行η次偏转，在CCD相机上可以采集到η幅目标光谱像。阿达玛变换原理:在称重设计中，组合式的称重方法可以提高测量精度。阿达玛变换光谱学将称重设计应用在光谱学中，利用组合测量的方式使得光探测器在同一时间探测多个光谱通道的光能量，从而使复原后的光谱图像信噪比提高。在工程应用中一般用S矩阵来实现阿达玛变换。S矩阵是具有循环性的方阵，它的每一行都可以直接通过前一行元素循环左移或右移一位获得。循环左移S矩阵的逆矩阵较循环右移S矩阵的逆矩阵更直观简洁，利于数据的反演，因此实际应用中一般采用循环左移S矩阵。闻鹏的中国科学院研究生院硕士学位论文《阿达玛变换光谱仪光谱复原技术研究》在第二章第五节中介绍了 S矩阵的构造方法(P10-12页)，根据其介绍的二次余数(Quadratic Residue Construction)结构构造S矩阵。构造k阶S矩阵的具体方法，如下例所示:矩阵阶数k = 4m-1 (m = I, 2，3…)，例如 3，7，11，19，23，31，43，47，59，67，71，79，83，103，127，131，139...序列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪，其特征在于，包括望远物镜(1)、反射镜(2)、数字微镜器件(3)、准直镜(4)、光栅(5)、成像物镜(6)、CCD相机(7)；反射镜(2)的反射面与望远物镜(1)的光轴成45°角，数字微镜器件(3)的有效平面与反射镜(2)的反射面成45°角，准直镜(4)的光轴与从数字微镜器件(3)反射的光的光轴平行，光栅(5)和成像物镜(6)都与准直镜(4)平行放置。

【技术特征摘要】
1.一种基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪，其特征在于，包括望远物镜(I)、反射镜(2)、数字微镜器件(3)、准直镜(4)、光栅(5)、成像物镜出)、CCD相机(7);反射镜(2)的反射面与望远物镜(I)的光轴成45°角，数字微镜器件(3)的有效平面与反射镜(2)的反射面成45°角，准直镜⑷的光轴与从数字微镜器件(3)反射的光的光轴平行，光栅(5)和成像物镜(6)都与准直镜(4)平行放置。2.如权利要求1所述的基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪，其特征在于，CXD相机(7)的平面与望远物镜(I)的光轴成20°角，与成像物镜(6)的光轴成70°角。3.一种使用如权利要求1所述基于DMD的空间调制阿达玛变换光谱仪进行光谱重建的方法，其特征在于，通过调整数字微镜器件(3)上微镜的偏转实现η个阿达玛变换编码模板的变换，在CCD相机(7)上获得η幅色散后的目标光谱像；根据目标光谱像按行对目标场景每一行像元依次进行光谱重建，获得目标场景完整的光谱；目标场景第j行像元的光谱重建方法包括以下步骤，j = 1，2，…m, m为目标场景的行数， 步骤一、取每一幅目标光谱像数据矩阵中的第j行数据组成目标场景第j行像元通过数字微镜器件(3)后的色散光谱矩阵Qj ； 步骤二、将在数字微镜器件(3)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏连发，张毅，韩静，岳江，吉莉，陈钱，顾国华，王勇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32