基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，包括：脉冲激光单元、望远镜单元、成像透镜、第一扩束准直透镜、第一数字微反射镜、照相机、凹面准直反射镜、分光光栅、第一会聚透镜、第二数字微反射镜、第二会聚透镜、合光光栅、第三会聚透镜、点探测器、Hadamard逆变换模块、压缩计算关联模块以及飞行时间相关模块；其中，脉冲激光单元包括主动脉冲光源、第二扩束准直透镜和第二反射镜；望远镜单元包括凹面反射镜、凸面反射镜和第一反射镜，所述飞行时间相关模块包括同步控制单元和时幅转换器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及时间飞行成像光谱领域，特别涉及一种。
技术介绍
成像光谱技术将成像技术和光谱技术结合在一起，形成覆盖紫外到远红外范围的光谱带宽探测，主要用于获取被测目标的空间二维信息和光谱信息，是一种新型的多维信息获取技术。光谱成像技术与实时处理技术的结合可以快速地为地面提供探测目标的空间和光谱信息，提高响应速度，准确地实现目标定性研究，其在遥感、天文、目标搜索跟踪探测、地质灾害的预测、农作物病虫害的监测、水体检测、资源勘探、大气成分监测、太空碎片的分类等领域的应用发展迅猛，对成像光谱仪的研制和成像机理提出了更高更新的要求。而常规的色散成像光谱仪又分为棱镜和光栅两种形式，原理简单，但考虑到狭缝的光损耗和分光后单位波长的光通量较小，其光谱能量利用率极低，且通常需要通过推扫的方式来实现成像光谱，稳定性低、成像效果差、耗时长。为解决这一问题，基于Hadamard变换的色散型光谱成像仪应运而生，其核心思想就是探测多通道信号线性组合之后的叠加信号，而不是探测单一的通道信号。早在上世纪四十年代，M.J.E.Golay就已经最先提出“模板调制”调制思想，基于这种思想，Golay设计出多狭缝模板光谱仪，认识了模板调制的作用。随后，Mertz提出以旋转栅栏方法实现光场调制，利用傅里叶变换获得福射光谱；1968年,Ibbett、Decker和Harwit等人研究了 Golay光谱仪的基本特征,提出间歇步进模板取代连续旋转盘；Gottlieb研究了与正交二元数字码相关的循环码，提出循环码可折叠成二维阵列，Sloane等人在此基础上，提出Reed-Mullet码，该码适用于光谱测量，由于Reed-Mullet码与Hadamard矩阵密切相关，因此，这种新型的模板调制技术被称作Hadamard变换光谱技术。Hadamard编码模板其实是代替了传统的色散型光谱仪的狭缝的功能，实现多通道光谱高通量同时测量。其核心部件是空间光调制器，由于液晶空间光调制器的主要缺陷是不能做到理想的“全透射”和“全不透射”，而Hadamard变换中的编码矩阵要求绝对的0或I状态，因而会造成编码错误，2000年，R.A.Deverse和R.M.Hammaker利用美国德州仪器TI公司生产的数字微镜器件DMD作为空间光调制器，利用光反射到探测器方向和反射到其它方向来实现光的“开” “关”功能，且狭缝宽度与阶数(有限宽谱段内，阶数间接反映分辨率)实时可调，这种技术具有如下优点:1)光通量高，采用DMD而摒弃了传统的狭缝；2)光谱分辨率高；3)信噪比高，调制和解调方法有效抑制背景和干扰信号，相对提高有用的光谱信号；4)灵活性高，根据观测对象有目的选择特定对象的光谱信息，降低背景和其他对象的干扰。但仍然存在一定缺陷:1)Hadamard变换光谱学仅仅针对光谱探测与分析，在成像中仍然需要通过扫描方式；2)在成像中，通常需面阵探测器或者线阵探测器，探测维度相对点探测较高；3)成像速度慢；4)虽然光谱的信噪比提高了，但由于成像还是采用经典的面阵或线阵推扫探测，电学噪声较大；5)成像的采样冗余。飞行时间的四维光谱成像系统主要能获取空间二维、场景深度信息、光谱信息共计四个维度的信息。常见的四维激光雷达系统通过单像素探测设备的机械扫描来获取横截面的二维空间分布信息，其中的光谱测量主要通过更换不同波长的激光器或添置滤光片轮的方式来获取光谱多波长的信息，这种方式获取的光谱范围十分有限。在过去的十年中，由于激光雷达系统存在机械扫描时间长且牺牲了空间分辨率等缺陷，国际上发展出一种新型的具有空间分辨能力的阵列测距探测器来取代传统的扫描方式，这种装置同样能够实现隐遁在植被和障碍物后的物体图像的重建工作。一般称这样的探测设备为飞行时间(T0F，Time of flight)照相机，所谓飞行时间法四维成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。这种技术跟四维激光传感器原理基本类似，只不过四维激光传感器是逐点扫描，而TOF相机则是同时得到整幅图像的深度信息，但现有的TOF相机的制造工艺存在一定限制，最高的像素大小也仅为320X240，其读取速度也极大影响了整机的性能。如何利用点探测器代替面阵探测器实现飞行时间四维光谱成像成了现今的一大挑战。压缩感知是由D.L.Donoho、E.J.Candes和T.Tao等研究人员于2006年提出，早在上世纪法国数学家Prony提出稀疏信号恢复方法，这种方法是通过解特征值问题估计稀疏三角多项式的非零幅度和对应的频率Logan最早提出基于LI范数最小化的稀疏约束方法。随后发展出的压缩感知理论是将LI范数最小化稀疏约束与随机矩阵结合，获得稀疏信号重建性能的最佳结果，很好地利用了自然信号可以在某个稀疏基下表示的先验知识，通过低维空间、亚采样数据的非相关观测来实现高维信号的感知。其最瞩目的一项应用是单像素照相机技术，它仅仅依靠一个点探测器便完成了原本面阵探测器的工作，从而避免由面阵探测器带来的光学噪声和电学噪声，而且同样采用数字微镜器件DMD，能做到23kHz的高速采样，这是传统面阵探测器所无法企及的，外加之鲁棒的重建算法，必将引发更多潜在应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中难以利用点探测器代替面阵探测器实现飞行时间四维光谱成像的缺陷，从而提高一种。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，包括:脉冲激光单元、望远镜单元、成像透镜4、第一扩束准直透镜5-1、第一数字微反射镜6-1、照相机7、凹面准直反射镜8、分光光栅9、第一会聚透镜10-1、第二数字微反射镜6-2、第二会聚透镜10-2、合光光栅11、第三会聚透镜10-3、点探测器12、Hadamard逆变换模块13、压缩计算关联模块14以及飞行时间相关模块；其中，所述脉冲激光单元包括主动脉冲光源15、第二扩束准直透镜5-2和第二反射镜3-2 ;所述望远镜单元包括凹面反射镜1、凸面反射镜2和第一反射镜3-1，所述飞行时间相关模块包括同步控制单元16和时幅转换器17 ；所述同步控制单元16同时发出触发信号给主动脉冲光源15和点探测器12，所述点探测器12受触发后进入预备探测阶段，所述主动脉冲光源15受触发后将脉冲光打在探测目标上，所述探测目标表面的反射光通过成像透镜4成像后，由第一扩束准直透镜5-1将探测目标图像映射到所述第一数字微反射镜6-1上，所述第一数字微反射镜6-1首先将光全部反射到低分辨率的照相机7上，得到一个粗略的像，从而大体知道探测目标在图像中所处位置，然后将第一数字微反射镜6-1上探测目标在图像中所处位置以外的区域全部置O，仅在探测目标在图像中所处位置的区域设置随机散斑，通过该随机散斑对映射到第一数字微反射镜6-1上的光束进行调制，调制后的光束经过凹面准直反射镜8重新准直成平行光，该平行光覆盖所述分光光栅9的整个栅平面，所得到的分光光束在通过第一会聚透镜10-1后在第二数字微反射镜6-2上展成一条光谱线，所述第二数字微反射镜6-2对该光谱线实施Hadamard编码变换，编码后的光谱图像再通过第二会聚透镜10_2入射到所述合光光栅11的光滑面，还原成平行光，由后续本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，其特征在于，包括：脉冲激光单元、望远镜单元、成像透镜（4）、第一扩束准直透镜（5?1）、第一数字微反射镜（6?1）、照相机（7）、凹面准直反射镜（8）、分光光栅（9）、第一会聚透镜（10?1）、第二数字微反射镜（6?2）、第二会聚透镜（10?2）、合光光栅（11）、第三会聚透镜（10?3）、点探测器（12）、Hadamard逆变换模块（13）、压缩计算关联模块（14）以及飞行时间相关模块；其中，所述脉冲激光单元包括主动脉冲光源（15）、第二扩束准直透镜（5?2）和第二反射镜（3?2）；所述望远镜单元包括凹面反射镜（1）、凸面反射镜（2）和第一反射镜（3?1），所述飞行时间相关模块包括同步控制单元（16）和时幅转换器（17）；所述同步控制单元（16）同时发出触发信号给主动脉冲光源（15）和点探测器（12），所述点探测器（12）受触发后进入预备探测阶段，所述主动脉冲光源（15）受触发后将脉冲光打在探测目标上，所述探测目标表面的反射光通过成像透镜（4）成像后，由第一扩束准直透镜（5?1）将探测目标图像映射到所述第一数字微反射镜（6?1）上，所述第一数字微反射镜（6?1）首先将光全部反射到低分辨率的照相机（7）上，得到一个粗略的像，从而大体知道探测目标在图像中所处位置，然后将第一数字微反射镜（6?1）上探测目标在图像中所处位置以外的区域全部置0，仅在探测目标在图像中所处位置的区域设置随机散斑，通过该随机散斑对映射到第一数字微反射镜（6?1）上的光束进行调制，调制后的光束经过凹面准直反射镜（8）重新准直成平行光，该平行光覆盖所述分光光栅（9）的整个栅平面，所得到的分光光束在通过第一会聚透镜（10?1）后在第二数字微反射镜（6?2）上展成一条光谱线，所述第二数字微反射镜（6?2）对该光谱线实施Hadamard编码变换，编码后的光谱图像再通过第二会聚透镜（10?2）入射到所述合光光栅（11）的光滑面，还原成平行光，由后续的第三会聚透镜（10?3）会聚收集；所述点探测器（12）对第三会聚透镜（10?3）会聚收集的光束完成探测工作，所述时幅转换器（17）根据点探测器（12）的探测结果将光子到达时间记录下来，回传给所述同步控制单元（16）寄存，所述同步控制单元（16）根据光子到达时间聚集程度来判断所接收到的光子是否属于同一光子团，若聚集程度逐步降低到预先设定的阈值，则发给点探测器（12）一条指令，令其将所累计的光子数通过时幅转换器（17）传给所述同步控制单元（16）寄存，并使所述点探测器（12）中的计数清0并重新开始计数，若共计有r(r≥1)束聚集光子团，则重复测量r次，待一次脉冲光全部返回到所述点探测器（12）表面，则所述同步控制单元（16）再次发送触发信号给主动脉冲光源（15）和点探测器（12），重复 上述操作，其中，第一数字微反射镜（6?1）共翻转m次，每翻转一次期间，第二数字微反射镜（6?2）实施N次Hadamard编码变换，第二数字微反射镜（6?2）每次编码间隔大于脉冲光全部返回所需时间，主动脉冲光源（15）共发出m×N次脉冲光；当测量结束后，同步控制单元（16）统一将之前测量得到的测量数依次传给Hadamard逆变换模块（13）、压缩计算关联模块（14），最终恢复出时间飞行成像光谱。...

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，其特征在于，包括:脉冲激光单元、望远镜单元、成像透镜(4)、第一扩束准直透镜(5-1)、第一数字微反射镜(6-1)、照相机(7)、凹面准直反射镜(8)、分光光栅(9)、第一会聚透镜(10-1)、第二数字微反射镜(6-2)、第二会聚透镜(10-2)、合光光栅(11)、第三会聚透镜(10-3)、点探测器(12)、Hadamard逆变换模块(13)、压缩计算关联模块(14)以及飞行时间相关模块；其中，所述脉冲激光单元包括主动脉冲光源(15)、第二扩束准直透镜(5-2)和第二反射镜(3-2);所述望远镜单元包括凹面反射镜(I)、凸面反射镜(2)和第一反射镜(3-1)，所述飞行时间相关模块包括同步控制单元(16)和时幅转换器(17)； 所述同步控制单元(16)同时发出触发信号给主动脉冲光源(15)和点探测器(12)，所述点探测器(12)受触发后进入预备探测阶段，所述主动脉冲光源(15)受触发后将脉冲光打在探测目标上，所述探测目 标表面的反射光通过成像透镜(4 )成像后，由第一扩束准直透镜(5-1)将探测目标图像映射到所述第一数字微反射镜(6-1)上，所述第一数字微反射镜(6-1)首先将光全部反射到低分辨率的照相机(7)上，得到一个粗略的像，从而大体知道探测目标在图像中所处位置，然后将第一数字微反射镜(6-1)上探测目标在图像中所处位置以外的区域全部置0，仅在探测目标在图像中所处位置的区域设置随机散斑，通过该随机散斑对映射到第一数字微反射镜(6-1)上的光束进行调制，调制后的光束经过凹面准直反射镜(8)重新准直成平行光，该平行光覆盖所述分光光栅(9)的整个栅平面，所得到的分光光束在通过第一会聚透镜(10-1)后在第二数字微反射镜(6-2)上展成一条光谱线，所述第二数字微反射镜(6-2 )对该光谱线实施Hadamard编码变换，编码后的光谱图像再通过第二会聚透镜(10-2)入射到所述合光光栅(11)的光滑面，还原成平行光，由后续的第三会聚透镜(10-3)会聚收集；所述点探测器(12)对第三会聚透镜(10-3)会聚收集的光束完成探测工作，所述时幅转换器(17)根据点探测器(12)的探测结果将光子到达时间记录下来，回传给所述同步控制单元(16)寄存，所述同步控制单元(16)根据光子到达时间聚集程度来判断所接收到的光子是否属于同一光子团，若聚集程度逐步降低到预先设定的阈值，则发给点探测器(12) —条指令，令其将所累计的光子数通过时幅转换器(17)传给所述同步控制单元(16)寄存，并使所述点探测器(12)中的计数清0并重新开始计数，若共计有r(r > I)束聚集光子团，则重复测量r次，待一次脉冲光全部返回到所述点探测器(12)表面，则所述同步控制单元(16)再次发送触发信号给主动脉冲光源(15)和点探测器(12)，重复上述操作，其中，第一数字微反射镜(6-1)共翻转m次，每翻转一次期间，第二数字微反射镜(6-2)实施N次Hadamard编码变换，第二数字微反射镜(6-2)每次编码间隔大于脉冲光全部返回所需时间，主动脉冲光源(15)共发出mXN次脉冲光；当测量结束后，同步控制单元(16)统一将之前测量得到的测量数依次传给Hadamard逆变换模块(13)、压缩计算关联模块(14)，最终恢复出时间飞行成像光谱。2.根据权利要求1所述的基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，其特征在于，所述主动光源(15)采用紫外、可见、近红外和红外波段的连续谱光源或脉冲光源实现。3.根据权利要求1所述的基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，其特征在于，所述望远镜单元在结构上是反射式、折射式、折反式望远镜中任意一种；在类型是伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿望远镜、卡塞格林望远镜中的任意一种；所述望远镜单元所适用的光谱范围包括紫外、可见、近红外和红外波段。4.根据权利要求3所述的基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，其特征在于，所述望远镜单元为反射式望远镜，其包括凹面反射镜(I )、凸面反射镜(2)和第一反射镜(3-1)。5.根据权利要求1所述的基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，其特征在于，所述第二数字微反射镜(6-2)对分光后的光谱线实施Hadamard编码变换时，所述Hadamard编码采用N阶循环S矩阵逐次对分光光谱图像添加N幅编码模板，探测N个总光强值，阶数越高光谱角分辨率越高；其中，若S矩阵为二次余数结构，阶数N = 4i+3, i =O，1，2，...，若S矩阵为最大长度移位寄存器序列结构，阶数N = 2'-1, i = 1，2，3，...，若S矩阵为双素数结构，阶数N = z (z+2), z和z+2均为素数。6.根据权利要求1所述的基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，其特征在于，所述分光光栅(9)与合光光栅(11)米用包括反射光栅、透射光栅、闪耀光栅、全息光栅、棱镜分光在内的光谱分光器件中的任意一种实现。7.根据权利要求1所述的基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，其特征在于，所述照相机(7)采用紫外、可见、近红外和红外波段的面阵光电探测器、单像素照相机中的任意一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志斌，俞文凯，代斌，姚旭日，翟光杰，蒋远大，杨震，孟新，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：发明
国别省市：