一种多编码压缩超快时间光谱成像方法及成像系统技术方案

本发明专利技术提供了一种多编码压缩超快时间光谱成像方法及成像系统，用于解决现有单编码压缩超快成像重建空间分辨率不高，以及现有多编码成像技术在使用不同的编码板提升重建空间分辨率时光路系统庞大和其他多编码成像技术无法适用于超快成像系统的技术问题

【技术实现步骤摘要】
一种多编码压缩超快时间光谱成像方法及成像系统


[0001]本专利技术涉及压缩超快时间光谱成像技术，尤其涉及一种多编码压缩超快时间光谱成像方法及成像系统
。

技术介绍

[0002]压缩超快时间光谱成像技术
(CUST)
通过“时频变换”思想来构造探测光
。
一束飞秒脉冲激光，将其在时域上展宽后得到啁啾脉冲激光，它的光波频率随时间线性展开，不同的光波频率会对应不同时刻
。
当它作用一个超快过程后，先经过空间编码和空间压缩记录图像，再通过压缩感知算法重建整个超快过程
。
但由于压缩记录模块只对待探测目标进行了一次编码压缩采样，结合压缩感知算法的固有特性，大数据压缩比可能超出图像的重建能力，导致图像的空间分辨率不高
。
多次编码压缩采样可以使信号随着多次迭代相关叠加，是一种非常有效的提升信噪比的方法
。
[0003]现有的多次编码压缩采样成像技术也称为多编码成像技术，其主要分为三类：一是使用
DMD(
数字微镜器件
)
作为编码板，利用它可以加载不同的二进制矩阵来多次曝光实现多路编码，以提升空间分辨率，但由于这种技术无法探测皮秒以上的超快过程，因此不适用于超快成像系统；二是使用微透镜阵列将待探测目标复制成多个副本，随后在像平面被大尺寸的编码板所编码，以提升空间分辨率，但由于微透镜阵列微元尺寸在
μ
m
级别，激光成像的相干噪声非常大，而去相干的技术又不适用在超快成像系统中；三是利用分光镜将待探测目标分到不同的光路中，在不同的光路中使用不同的编码板去编码提升空间分辨率，编码次数越多成像分辨率越高，虽然这种方法可以满足我们提升超快过程成像分辨率的需求，但其需要多个光路，光路系统非常庞大，不适合做成器件
。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有单编码压缩超快成像重建空间分辨率不高，以及现有多编码成像技术在使用不同的编码板提升重建空间分辨率时光路系统庞大和其他多编码成像技术无法适用于超快成像系统的技术问题，而提供一种多编码压缩超快时间光谱成像方法及成像系统
。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：
[0006]一种多编码压缩超快时间光谱成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0007]1】
在啁啾脉冲激光的出射光路上依次设置待探测目标
、
第一透镜
、
二维衍射光栅
、
第二透镜
、
编码板
、
第三透镜
、
光栅
、
第四透镜以及
CCD
探测器；所述第一透镜
、
二维衍射光栅以及第二透镜形成时间光谱信息复制单元，用于将待探测目标的时间光谱信息复制成
N
份，
N
为大于等于2的整数；所述第三透镜
、
光栅以及第四透镜形成色散单元，用于根据啁啾脉冲光的光谱成分对待探测目标的多个编码后时间光谱信息进行横向方向上的扩展拉伸；
[0008]2】
使啁啾脉冲激光经过待探测目标，将待探测目标的时间物理信息被转换为时间光谱信息，再经过时间光谱信息复制单元将待探测目标的时间光谱信息复制成
N
个副本；
N
个待探测目标的时间光谱信息投射在编码板的不同区域上，编码板对透射在不同区域的时间光谱信息分别进行编码，获得相应的
N
个编码后时间光谱信息；色散单元根据啁啾脉冲光的光谱成分对
N
个编码后的时间光谱信息分别进行横向方向的扩展拉伸，获得
N
个拉伸后的时间光谱信息，
CCD
探测器采集
N
个拉伸后的光谱信息并进行强度叠加，获得观测图像；
[0009]3】
通过压缩感知算法对步骤
2】
获得的观测图像进行时间物理信息重建，完成待探测目标的光谱成像
。
[0010]进一步地，所述二维衍射光栅为采用聚合物制作的相位型激光分束器
。
[0011]进一步地，所述编码板为透射型随机二值化模板
。
[0012]进一步地，步骤
1】
中，所述光栅为一维闪耀光栅
。
[0013]进一步地，所述一维闪耀光栅设置为每毫米
300
线
。
[0014]进一步地，所述第一透镜和第二透镜均为凸透镜，或者，所述第一透镜和第二透镜均为消色差透镜；所述第三透镜和第四透镜均为凸透镜，或者，所述第三透镜和第四透镜均为消色差透镜
。
[0015]进一步地，步骤
3】
具体为：
[0016]采集啁啾脉冲激光中每个波长对应的编码分布将
CCD
探测器采集到的叠加后的观测图像
E
和每个波长对应的编码图像带入到重建算法中进行迭代优化，直至完成待探测目标的光谱成像
。
[0017]进一步地，所述待探测目标为具有实体的待探测目标，或者为外部强激光激发材料时外部强激光与材料相互作用的超快过程
。
[0018]为了实现上述一种多编码压缩超快时间光谱成像方法，本专利技术还提供了一种多编码压缩超快时间光谱成像系统，包括啁啾脉冲激光以及依次位于啁啾脉冲激光出射光路上的第一透镜
、
二维衍射光栅
、
第二透镜
、
编码板
、
第三透镜
、
光栅
、
第四透镜以及
CCD
探测器；
[0019]待探测目标设置于啁啾脉冲激光和第一透镜之间，且位于啁啾脉冲激光的出射光路上，用于通过啁啾脉冲激光将待探测目标的时间物理信息被转换为时间光谱信息；
[0020]所述二维衍射光栅为采用聚合物制作的相位型激光分束器；
[0021]所述第一透镜
、
二维衍射光栅以及第二透镜形成时间光谱信息复制单元，用于将待探测目标的时间光谱信息复制成
N
份，
N
为大于等于2的整数；
[0022]所述编码板为透射型随机二值化模板，用于对透射在不同区域的
N
份时间光谱信息分别进行编码；
[0023]所述第三透镜
、
光栅以及第四透镜形成色散单元，用于根据啁啾脉冲光的光谱成分对待探测目标多个编码后的时间光谱信息进行横向方向上的扩展拉伸
。
[0024]进一步地，所述光栅为一维闪耀光栅；
[0025]所述第一透镜和第二透镜均为凸透镜，或者，所述第一透镜和第二透镜均为消色差透镜；所述第三透镜和第四透镜均为凸透镜，或者，所述第三透镜和第四透镜均为消色差透镜
。
[0026]本专利技术相比于现有技术的有益效果如下：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多编码压缩超快时间光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1】
在啁啾脉冲激光
(1)
的出射光路上依次设置待探测目标
(2)、
第一透镜
(3)、
二维衍射光栅
(4)、
第二透镜
(5)、
编码板
(6)、
第三透镜
(7)、
光栅
(8)、
第四透镜
(9)
以及
CCD
探测器
(10)
；所述第一透镜
(3)、
二维衍射光栅
(4)
以及第二透镜
(5)
形成时间光谱信息复制单元，用于将待探测目标
(2)
的时间光谱信息复制成
N
份，
N
为大于等于2的整数；所述第三透镜
(7)、
光栅
(8)
以及第四透镜
(9)
形成色散单元，用于根据啁啾脉冲光的光谱成分对待探测目标
(2)
的多个编码后时间光谱信息进行横向方向上的扩展拉伸；
2】
使啁啾脉冲激光
(1)
经过待探测目标
(2)
，将待探测目标
(2)
的时间物理信息被转换为时间光谱信息，再经过时间光谱信息复制单元将待探测目标
(2)
的时间光谱信息复制成
N
个副本；
N
个待探测目标
(2)
的时间光谱信息投射在编码板
(6)
的不同区域上，编码板
(6)
对透射在不同区域的时间光谱信息分别进行编码，获得相应的
N
个编码后时间光谱信息；色散单元根据啁啾脉冲光的光谱成分对
N
个编码后的时间光谱信息分别进行横向方向的扩展拉伸，获得
N
个拉伸后的时间光谱信息，
CCD
探测器
(10)
采集
N
个拉伸后的光谱信息并进行强度叠加，获得观测图像；
3】
通过压缩感知算法对步骤
2】
获得的观测图像进行时间物理信息重建，完成待探测目标
(2)
的光谱成像
。2.
根据权利要求1所述的一种多编码压缩超快时间光谱成像方法，其特征在于：所述二维衍射光栅
(4)
为采用聚合物制作的相位型激光分束器
。3.
根据权利要求1或2所述的一种多编码压缩超快时间光谱成像方法，其特征在于：所述编码板
(6)
为透射型随机二值化模板
。4.
根据权利要求3所述的一种多编码压缩超快时间光谱成像方法，其特征在于：步骤
1】
中，所述光栅
(8)
为一维闪耀光栅
。5.
根据权利要求4所述的一种多编码压缩超快时间光谱成像方法，其特征在于：所述一维闪耀光栅设置为每毫米
300
线
。6.
根据权利要求5所述的一种多编码压缩超快时间光谱成像方法，其特征在于：所述第一透镜
(3)
和第二透镜
(5)
均为凸透镜，或者，所述第一透镜
(3)
和第二透镜
(5)
均为消色差透镜；所述第三透镜

【专利技术属性】
技术研发人员：陈烽，孟毅钊，陆宇，刘毅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：