一种成像光谱系统中多通道孔径编码方法技术方案

本发明专利技术公开了一种成像光谱系统中多通道孔径编码方法。该方法步骤如下：1.利用最大长度线性移位寄存器序列构造循环矩阵作为编码模板；2.主机根据成像光谱系统不同的实时性要求进行判断，选择一种缓存策略对FPGA进行配置，并向挂载的大容量数据存储器预存一定帧数的编码模板；3.大容量数据存储器和输入输出缓存根据选定的缓存策略构建高速数据传输通路。本发明专利技术的优点在于：编码模板具备高信噪比、多通道特点，且易于在DMD上实现；缓存策略适用于不同的实时性要求，确保前端数据写入不间断，后端DMD模板数据加载在帧内连续无停顿。

【技术实现步骤摘要】
一种成像光谱系统中多通道孔径编码方法
：本专利技术涉及多通道编码孔径技术，具体来说是一种成像光谱系统中多通道孔径编码方法，它主要用于为高信噪比成像光谱系统提供光谱维或者空间维的编码孔径。
技术介绍
：传统基于色散型的成像光谱仪按照成像方式来分一般分成两种：光机扫描方式和推扫方式。光机扫描式成像光谱仪的扫描镜由刈幅的一端快速扫描至另一端，完成穿轨方向空间维的成像，而机载或者星载平台的运动则完成沿轨方向空间维的成像。由于穿轨方向的扫描速度很快，导致探测器针对每个空间位置点的驻留时间很短，较短的积分时间降低了信噪比；推扫式成像光谱仪为了提高光谱分辨率和空间分辨率，往往减小置于物镜焦平面的狭缝宽度。如此一来，进入系统视场光阑的光通量也会减小，原本就因为光栅分光而分散在面阵探测器各行的单波长辐射能量相应地进一步减小，影响了整个成像光谱仪系统的信噪比性能。而数字微镜器件(DigitalMicro-mirrorDevice,DMD)的引入，为实现高信噪比成像光谱系统提供了可能。基于DMD的成像光谱仪一般将DMD置于物镜焦平面或者第一级光栅准直汇聚后的焦平面上，作为空间维或者光谱维的光调制器。而DMD上每个微镜单元独立可控性又提供了多通道编码的优势。整个微镜阵列是具有快速翻转、高速调制的能力的，但是如果前端控制器缺少高速数据传输通路以及相应的缓存策略的话，就会严重制约编码孔径系统的编码性能，进而影响到成像光谱系统的信噪比和实时性等。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种成像光谱系统中多通道孔径编码方法，实现多通道编码模板的生成和在数字微镜器件上的高速加载。为实现上述目的，本专利技术所采用的硬件平台主要包括主机、编码孔径控制器和DMD驱动器。各个硬件组成部分需要满足：所述的主机为具有USB接口的计算机。所述的编码孔径控制器包括一片USB控制器芯片，一片FPGA和一片大容量数据存储器。所述的USB控制器芯片具有一个连接主机的USB接口，和一个连接外部设备的从器件FIFO(SlaveFIFO)接口。所述的FPGA具有存储器控制器模块(MCB)。所述的大容量数据存储器容量应当足够大，能存储一定帧数的编码模板数据。所述的DMD驱动器包括一片DMD复位驱动芯片和一片DMD芯片。所述的DMD复位驱动芯片和所述的DMD芯片都具有LVDS接口。各个硬件组成部分的连接关系为：主机和编码孔径控制器之间通过USB传输线缆连接；编码孔径控制器和DMD驱动器之间通过并行接口连接；DMD复位驱动芯片和DMD芯片之间通过LVDS接口连接。本专利技术具体实现多通道孔径编码的流程如下：步骤1：根据成像光谱系统光谱通道数确定编码阶数s，根据成像光谱系统探测器积分时间确定编码驻留时间t；步骤2：根据编码阶数s对应得到长度为m的最大长度线性移位寄存器序列[a1,a2,...,am]，其中ai∈{0,1},i＝1,2,...,m，并且m＝s；步骤3：构造编码矩阵H，使得其中矩阵的第2行，第3行，……，第m行分别为序列[a1,a2,...,am]依次左移一位得到；步骤4：根据数字微镜器件DMD的阵列规模确定一帧编码模板的数据量D；步骤5：分别取出编码矩阵H的第1行，第2行，……，第m行，根据数字微镜器件DMD上的光谱标定结果对应得到第1帧，第2帧，……，第m帧编码模板，存储在主机中；步骤6：根据USB接口的实际传输速率S得到一帧编码模板数据的传输时间T，其中T＝D/S；步骤7：主机通过USB控制器芯片、FPGA中的输入FIFO缓存和存储器控制器向挂载在FPGA上的大容量数据存储器预存一定帧数的编码模板，其中输入FIFO缓存用于匹配读写速率和总线位数差异；其具体方法步骤如下：(7-1)判断t>T是否成立，如果成立，执行步骤(7-2)；如果不成立，执行步骤(7-3)；(7-2)主机通过USB控制器芯片、FPGA中的输入FIFO缓存和存储器控制器向大容量数据存储器中预存第1帧编码模板，执行步骤8；(7-3)根据编码驻留时间t和USB接口的实际传输速率S得到编码驻留时间内传输的最大编码模板数据量Dt，其中Dt＝S×t，执行步骤(7-4)；(7-4)主机通过USB控制器芯片、FPGA中的输入FIFO缓存和存储器控制器向大容量数据存储器中预存第1帧，第2帧，……，第n帧编码模板，其中n为满足的最小整数，执行步骤8；步骤8：主机继续不间断地通过USB接口发送编码模板，直至第m帧编码模板发送完毕；同时，大容量数据存储器通过FPGA中的存储器控制器和输出FIFO缓存向DMD数据加载模块传输一帧编码模板数据量D，对DMD进行一帧完整编码模板的加载，其中输出FIFO缓存用于匹配读写速率和总线位数差异；执行步骤9；步骤9：检测大容量数据存储器是否已被读空并且输入FIFO缓存是否已被读空，如果成立，执行步骤11；如果不成立，执行步骤10；步骤10：大容量数据存储器继续从输入FIFO中读取编码模板数据，同时DMD复位驱动模块驱动数字微镜单元根据已加载好的一帧编码模板进行翻转，实现多通道孔径编码；其具体方法步骤如下：(10-1)判断t>T是否成立，如果成立，执行步骤(10-2)；如果不成立，执行步骤(10-3)；(10-2)大容量数据存储器从输入FIFO中读取编码模板数据并进行计数，当读取数据容量达到一帧编码模板数据量D时，执行步骤8；同时DMD复位驱动模块驱动数字微镜单元根据已加载好的一帧编码模板进行翻转，实现多通道孔径编码；(10-3)根据FPGA中的DMD数据加载模块时序逻辑得到整个数字微镜器件阵列的加载时间tload，执行步骤(10-4)；(10-4)大容量数据存储器从输入FIFO中读取编码模板数据并进行计时，当读取数据时间达到(t-tload)时，执行步骤8；同时DMD复位驱动模块驱动数字微镜单元根据已加载好的一帧编码模板进行翻转，实现多通道孔径编码；步骤11：DMD复位驱动模块驱动数字微镜单元根据已加载好的第m帧编码模板进行翻转，完成最后一帧编码。本专利技术的显著特点在于以下几点：(1)利用最大长度线性移位寄存器序列构造的循环矩阵，具有与哈达玛矩阵高度近似的结构特点，具备多通道的优点，将其作为编码模板可以达到接近哈达玛矩阵的信噪比增益和编码性能；同时该模板中包含的0、1元素对应光通路中的关断、开启两种状态，只需一个探测器和一套光路系统即可实现，避免了采用传统哈达玛矩阵需要搭建两套光路系统的难度要求。(2)由主机完成编码模板的生成，根据成像光谱系统不同的实时性要求进行判断，选择数据传输通路中合适的缓存策略并对FPGA进行相应配置；FPGA则可以集中资源实现高速数据缓存、存储器控制、DMD数据加载和复位驱动等功能。(3)采取不同的缓存策略应对不同的实时性要求，确保前端USB接口不间断写入，后端DMD模板数据加载在帧内连续无停顿。附图说明图1是成像光谱系统中多通道孔径编码的系统框图。图2是成像光谱系统中多通道孔径编码方法的流程图。具体实施方式：下面根据附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明。图1是成像光谱系统中多通道孔径编码的系统框图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种成像光谱系统中多通道孔径编码方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：根据成像光谱系统光谱通道数确定编码阶数s，根据成像光谱系统探测器积分时间确定编码驻留时间t；步骤2：根据编码阶数s对应得到长度为m的最大长度线性移位寄存器序列[a1,a2,...,am]，其中ai∈{0,1},i＝1,2,...,m，并且m＝s；步骤3：构造编码矩阵H，使得H=a1,a2,...,ama2,a3,...,a1.................am,a1,...,am-1]]>其中矩阵的第2行，第3行，……，第m行分别为序列[a1,a2,...,am]依次左移一位得到；步骤4：根据数字微镜器件DMD的阵列规模确定一帧编码模板的数据量D；步骤5：分别取出编码矩阵H的第1行，第2行，……，第m行，根据数字微镜器件DMD上的光谱标定结果对应得到第1帧，第2帧，……，第m帧编码模板，存储在主机中；步骤6：根据USB接口的实际传输速率S得到一帧编码模板数据的传输时间T，其中T＝D/S；步骤7：主机通过USB控制器芯片、FPGA中的输入FIFO缓存和存储器控制器向挂载在FPGA上的大容量数据存储器预存一定帧数的编码模板，其中输入FIFO缓存用于匹配读写速率和总线位数差异；其具体方法步骤如下：(7‑1)判断t>T是否成立，如果成立，执行步骤(7‑2)；如果不成立，执行步骤(7‑3)；(7‑2)主机通过USB控制器芯片、FPGA中的输入FIFO缓存和存储器控制器向大容量数据存储器中预存第1帧编码模板，执行步骤8；(7‑3)根据编码驻留时间t和USB接口的实际传输速率S得到编码驻留时间内传输的最大编码模板数据量Dt，其中Dt＝S×t，执行步骤(7‑4)；(7‑4)主机通过USB控制器芯片、FPGA中的输入FIFO缓存和存储器控制器向大容量数据存储器中预存第1帧，第2帧，……，第n帧编码模板，其中n为满足的最小整数，执行步骤8；步骤8：主机继续不间断地通过USB接口发送编码模板，直至第m帧编码模板发送完毕；同时，大容量数据存储器通过FPGA中的存储器控制器和输出FIFO缓存向DMD数据加载模块传输一帧编码模板数据量D，对DMD进行一帧完整编码模板的加载，其中输出FIFO缓存用于匹配读写速率和总线位数差异；执行步骤9；步骤9：检测大容量数据存储器是否已被读空并且输入FIFO缓存是否已被读空，如果成立，执行步骤11；如果不成立，执行步骤10；步骤10：大容量数据存储器继续从输入FIFO中读取编码模板数据，同时DMD复位驱动模块驱动数字微镜单元根据已加载好的一帧编码模板进行翻转，实现多通道孔径编码；其具体方法步骤如下：(10‑1)判断t>T是否成立，如果成立，执行步骤(10‑2)；如果不成立，执行步骤(10‑3)；(10‑2)大容量数据存储器从输入FIFO中读取编码模板数据并进行计数，当读取数据容量达到一帧编码模板数据量D时，执行步骤8；同时DMD复位驱动模块驱动数字微镜单元根据已加载好的一帧编码模板进行翻转，实现多通道孔径编码；(10‑3)根据FPGA中的DMD数据加载模块时序逻辑得到整个数字微镜器件阵列的加载时间tload，执行步骤(10‑4)；(10‑4)大容量数据存储器从输入FIFO中读取编码模板数据并进行计时，当读取数据时间达到(t‑tload)时，执行步骤8；同时DMD复位驱动模块驱动数字微镜单元根据已加载好的一帧编码模板进行翻转，实现多通道孔径编码；步骤11：DMD复位驱动模块驱动数字微镜单元根据已加载好的第m帧编码模板进行翻转，完成最后一帧编码。...

【技术特征摘要】
1.一种成像光谱系统中多通道孔径编码方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：根据成像光谱系统光谱通道数确定编码阶数s，根据成像光谱系统探测器积分时间确定编码驻留时间t；步骤2：根据编码阶数s对应得到长度为m的最大长度线性移位寄存器序列[a1,a2,...,am]，其中ai∈{0,1},i＝1,2,...,m，并且m＝s；步骤3：构造编码矩阵H，使得其中矩阵的第2行，第3行，……，第m行分别为序列[a1,a2,...,am]依次左移一位得到；步骤4：根据数字微镜器件DMD的阵列规模确定一帧编码模板的数据量D；步骤5：分别取出编码矩阵H的第1行，第2行，……，第m行，根据数字微镜器件DMD上的光谱标定结果对应得到第1帧，第2帧，……，第m帧编码模板，存储在主机中；步骤6：根据USB接口的实际传输速率S得到一帧编码模板数据的传输时间T，其中T＝D/S；步骤7：主机通过USB控制器芯片、FPGA中的输入FIFO缓存和存储器控制器向挂载在FPGA上的大容量数据存储器预存一定帧数的编码模板，其中输入FIFO缓存用于匹配读写速率和总线位数差异；其具体方法步骤如下：(7-1)判断t>T是否成立，如果成立，执行步骤(7-2)；如果不成立，执行步骤(7-3)；(7-2)主机通过USB控制器芯片、FPGA中的输入FIFO缓存和FPGA中的存储器控制器向大容量数据存储器中预存第1帧编码模板，执行步骤8；(7-3)根据编码驻留时间t和USB接口的实际传输速率S得到编码驻留时间内传输的最大编码模板数据量Dt，其中Dt＝S×t，执行步骤(7-4)；(7-4)主机通过USB控制器芯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊，汤心溢，于洋，张宁，代具亭，杨龙，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31