一种基于时空调制的非重复光谱高速测量系统和方法技术方案

本发明专利技术提供的一种基于时空调制的非重复光谱高速测量系统和方法，所述系统包括：光学单元和电学单元；待测目标的光束由准直部件准直成平行光，通过光谱分光部件形成光谱带，光谱会聚部件将光谱带成像到空间光调制器，由空间光调制器对该光谱带进行高速时空调制，最终成像在探测器上，探测器进行低速探测，在曝光时间内对高速时空调制结果进行累加测量，并将测量结果输出至存储计算模块，存储计算模块根据探测器测量结果及高速时空测量矩阵，利用重建算法获得待测目标的高速光谱变化信息。本发明专利技术的优势在于：适用于真实复杂场景下的高速光谱测量方向；提升了光谱测量系统的时间分辨率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时空调制的非重复光谱高速测量系统和方法


[0001]本专利技术属于光学领域，具体涉及一种基于时空调制的非重复光谱高速测量系统和方法。

技术介绍

[0002]光谱是分析物质特性的重要依据，对于观测目标在瞬时发生的变化，可以通过捕获目标光谱在短时间内的变化来进行分析，因此高速光谱测量在如生物、医学以及航天遥感等领域都有着广泛的应用。然而，受限于探测器的时间分辨率，对于一些超高速信号的探测，如导弹识别、荧光寿命检测等，系统通常无法对信号进行高时间精度的测量，导致光谱信息微小时间内的变化无法被测量到。
[0003]近年来，基于时域的压缩感知测量技术展示出巨大的应用价值。压缩感知理论是由Tao,Donoho和Cand
è
s等提出的一种基于下采样的采样定理，其出现打破了奈奎斯特采样定理。时间压缩感知测量技术的优势在于高速变化的目标经过高速调制后，仅需使用一个低速的探测器进行接收；通过后处理算法对低速探测器在长曝光时间下获取的测量结果进行反演，可以重建出具有高时间分辨率的信号。目前，国内外研究团队在时间压缩感知测量技术的应用上进行了大量的研究，最初有研究人员提出基于单点信号的时间压缩感知技术，之后又针对单点信号提出了一种基于空间并行调制的压缩感知技术，随后还有研究人员提出了一种利用静态掩膜的对周期信号进行高时间分辨率压缩感知测量的方法。然而这些方案大都是针对单点信号或者周期信号的高速测量，由于自然界中真实的待测信号大都不是单点信号，且通常为非周期信号，因此这些方法并不适用于针对真实复杂场景下的高速光谱测量方向。
[0004]综上所述，目前如何将时间压缩感知技术与高速光谱测量相结合，突破现有探测器的极限探测速率，提升光谱测量系统的时间分辨率是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有的光谱测量设备在探测频率不足，获取高速光谱信号时间分辨率低的缺陷。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，所述系统包括光学单元(I)和电学单元(II)；
[0007]所述光学单元(I)包括：
[0008]准直部件(1)，用于收集待测目标的光信号，进行约束并输出为平行光；
[0009]光谱分光部件(2)，用于接收准直部件(1)的光信号，将不同波长的平行光向不同方向出射；
[0010]光谱会聚部件(3)，用于接收光谱分光部件(2)的光信号，将不同波长的光形成光谱带；
[0011]空间光调制器(4)，用于接收光谱会聚部件(3)形成的光谱带，对光谱带进行高速
时空调制；和
[0012]成像镜头(5)，用于接收空间光调制器(4)调制后的光谱带，成像至探测器(6)；
[0013]所述电学单元(II)包括：
[0014]探测器(6)，用于收集并累加成像镜头(5)成像后的光谱带，将测量结果转化为电信号发送至存储计算模块(8)；
[0015]控制模块(7)用于产生随机调制矩阵，发送给空间光调制器(4)，使所述空间光调制器(4)按照预定方式对光信号进行调制；还用于将调制矩阵传输至存储计算模块(8)；和
[0016]存储计算模块(8)，用于根据测量结果和调制矩阵，利用重建算法进行高速光谱信号重建。
[0017]作为上述系统的一种改进，所述准直部件(1)包括：
[0018]收集透镜(1_1)，用于收集待测目标的光信号；
[0019]光阑(1_2)，用于接收收集透镜(1_1)的光信号，对光信号进行约束；和
[0020]准直透镜(1_3)，用于接收光阑(1_2)的光信号，输出平行光。
[0021]作为上述系统的一种改进，所述收集透镜(1_1)和所述准直透镜(1_3)通过透镜或凹面镜实现；所述光阑(1_2)通过狭缝或小孔实现。
[0022]作为上述系统的一种改进，所述光谱分光部件(2)包括用于将不同波长的光分开的色散分光部件，所述色散分光部件采用具有分光能力的部件实现，包括光栅或棱镜。
[0023]作为上述系统的一种改进，所述光谱会聚部件(3)由透镜或凹面镜实现；所述光谱会聚部件(3)将不同波长的光按波长从小到大依次照射到所述空间光调制器(4)的不同列的微镜上。
[0024]作为上述系统的一种改进，所述空间光调制器(4)采用具有空间光调制能力的部件实现，包括液晶空间光调制器或微反射镜阵列。
[0025]作为上述系统的一种改进，所述成像镜头(5)为望远镜头、显微镜头、单个透镜或透镜组。
[0026]作为上述系统的一种改进，所述探测器(6)为具有空间分辨能力的二维光学探测器件，具体包括：电荷耦合器件、增强型电荷耦合器件、光电二极管阵列或CMOS阵列。
[0027]作为上述系统的一种改进，所述存储计算模块(8)采用的重建算法为线性方程求解算法；
[0028]所述线性方程求解算法包括：匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l0重建算法、l1重建算法、l2重建算法、最小二乘法、最大似然法、逻辑回归算法、岭回归算法、Lasso算法或梯度下降算法。
[0029]本专利技术还提供一种基于时空调制的非重复光谱高速测量方法，基于上述的系统实现，所述方法包括：
[0030]步骤1，控制模块(7)产生t个像素尺寸为m
×
n的随机调制矩阵a
i
，将t个随机调制矩阵a
i
按固定频率发送至空间光调制器(4)与存储计算模块(8)；
[0031]步骤2，待测目标的光信号经过准直部件(1)形成平行光；
[0032]步骤3，平行光经过光谱会聚部件(3)将波长范围为λ1‑
λ
n
的光谱带，按波长从小到大依次照射到空间光调制器(4)的不同列的微镜上；
[0033]空间光调制器(4)的像素尺寸为m
×
n；
[0034]空间光调制器(4)的任一列b
k
,k≤n上的m个像素对应的光谱信号的波长λ
k
,k≤n相同；
[0035]空间光调制器(4)根据t个随机调制矩阵a
i
按固定频率对高速光谱信号进行高速调制，第i次调制结果在探测器(6)上的成像结果为y
i
；
[0036]探测器(6)收集曝光时间内t次高速调制结果y
i
的累加Y，即二维矩阵
[0037]探测器(6)的像素尺寸为p
×
q；
[0038]探测器(6)与空间光调制器(4)的各像素对应关系通过矩阵表示，矩阵的像素尺寸为(p
×
q)
×
(m
×
n)；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，其特征在于，所述系统包括光学单元(I)和电学单元(II)；所述光学单元(I)包括：准直部件(1)，用于收集待测目标的光信号，进行约束并输出为平行光；光谱分光部件(2)，用于接收准直部件(1)的光信号，将不同波长的平行光向不同方向出射；光谱会聚部件(3)，用于接收光谱分光部件(2)的光信号，将不同波长的光形成光谱带；空间光调制器(4)，用于接收光谱会聚部件(3)形成的光谱带，对光谱带进行高速时空调制；和成像镜头(5)，用于接收空间光调制器(4)调制后的光谱带，成像至探测器(6)；所述电学单元(II)包括：探测器(6)，用于收集并累加成像镜头(5)成像后的光谱带，将测量结果转化为电信号发送至存储计算模块(8)；控制模块(7)用于产生随机调制矩阵，发送给空间光调制器(4)，使所述空间光调制器(4)按照预定方式对光信号进行调制；还用于将调制矩阵传输至存储计算模块(8)；和存储计算模块(8)，用于根据测量结果和调制矩阵，利用重建算法进行高速光谱信号重建。2.根据权利要求1所述的基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，其特征在于，所述准直部件(1)包括：收集透镜(1_1)，用于收集待测目标的光信号；光阑(1_2)，用于接收收集透镜(1_1)的光信号，对光信号进行约束；和准直透镜(1_3)，用于接收光阑(1_2)的光信号，输出平行光。3.根据权利要求2所述的基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，其特征在于，所述收集透镜(1_1)和所述准直透镜(1_3)通过透镜或凹面镜实现；所述光阑(1_2)通过狭缝或小孔实现。4.根据权利要求1所述的基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，其特征在于，所述光谱分光部件(2)包括用于将不同波长的光分开的色散分光部件，所述色散分光部件采用具有分光能力的部件实现，包括光栅或棱镜。5.根据权利要求1所述的基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，其特征在于，所述光谱会聚部件(3)由透镜或凹面镜实现；所述光谱会聚部件(3)将不同波长的光按波长从小到大依次照射到所述空间光调制器(4)的不同列的微镜上。6.根据权利要求1所述的基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，其特征在于，所述空间光调制器(4)采用具有空间光调制能力的部件实现，包括液晶空间光调制器或微反射镜阵列。7.根据权利要求1所述的基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，其特征在于，所述成像镜头(5)为望远镜头、显微镜头、单个透镜或透镜组。8.根据权利要求1所述的基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，其特征在于，所述探测器(6)为具有空间分辨能力的二维光学探测器件，具体包括：电荷耦合器件、增强型电荷耦合器件、光电二极管阵列或CMOS阵列。
9.根据权利要求1所述的基于时空调制的非重复光谱高速测量系统，其特征在于，所述存储计算模块(8)采用的重建算法为线性方程求解算法；所述线性方程求解算法包括：匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l0重建算法、l1重建算法、l2重建算法、最小二乘法、最大似然法、逻辑回归算法、岭回归算法、Lasso算法或梯度下降算法。10.一种基于时空调制的非重复光谱高速测量方法，基于权利要求1
‑
9之一所述的系统实现，所述方法包括：步骤1，控制模块(7)产生t个像素尺寸为m
×
n的随机调制矩阵a
i
，将t个随机调制矩阵a
i
按固定频率发送至空间光调制器(4)与存储计算模块(8)；步骤2，待测目标的光信号经过准直部件(1)形成平行光；步骤3，平行光经过光谱会聚部件(3)将波长范围为λ1‑
λ
n
的光谱带，按波长从小到大依次照射到空间光调制器(4)的不同列的微镜上；空间光调制器(4)的像素尺寸为m
×
n；空间光调制器(4)的任一列b
k
,k≤n上的m个像素对应的光谱信号的波长λ
k
,k≤n相同；空间光调制器(4)根据t个随机调制矩阵a
i
按固定频率对高速光谱信号进行高速调...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘璠，刘雪峰，翟光杰，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：