[发明专利]基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及稀疏孔径主动高光谱成像领域，特别涉及一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统及方法。

背景技术

20多年来，高光谱遥感已发展成一个颇具特色的前沿技术，并孕育形成了一门成像光谱学的新兴学科门类。它的出现和发展将人们通过遥感技术观测和认识事物的能力带入了又一次飞跃，续写和完善了光学遥感从全色经多光谱到高光谱的全部影像信息链。由于高光谱遥感影像提供了更为丰富的地球表面信息，因此受到国内外学者的很大关注，并有了快速发展。其应用领域已涵盖地球科学的各个方面，在地质找矿和制图、大气和环境监测、农业和森林调查、海洋生物和物理研究等领域发挥着越来越重要的作用。

在航空高光谱技术取得成功的基础上，2002年3月在我国载人航天计划中发射的第三艘试验飞船“神舟三号”中，搭载了一台我国自行研制的中分辨率成像光谱仪。这是继美国EOS计划MODIS之后，几乎与欧洲环境卫星（ENVISAT）上的MERIS同时进入地球轨道的同类仪器。它在可见光到热红外波长范围（0.4-12.5μm）具有34个波段。2007年10月24日我国发射的“嫦娥-1”探月卫星上，成像光谱仪也作为一种主要载荷进入月球轨道。这是我国的第一台基于傅里叶变换的航天干涉成像光谱仪，它具有光谱分辨率高的特点。高光谱遥感系统在我国的普遍应用，标志着我国的高光谱遥感已逐步走向成熟。

所谓高光谱成像技术是利用物体在不同波段响应不同的特点，对物体进行物质检测、遥感监控、显微成像的成像分析技术。光谱成像系统根据采集图像的方式不同可分为：掸扫式、推扫式、凝采式3种。凝采式光谱成像系统多采用单色器或者电动可调滤波器实现光谱通道的切换，在切换过程中探测器采集相应光谱图像。在提供照明光源的情况下，基于多个光学滤光片的光谱成像系统可以直接获得每个光谱通道的响应信息，但使用确定波长的多个滤光片波长不能连续可调，使用液晶可调谐滤波器或声光可调谐滤波器可实现波长连续可调，但价格昂贵。基于单色器的光谱成像系统输出的单色光直接照射整个物体，使得分布在物体表面的光强很小，因此对光源的光强要求很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的主动高光谱成像系统对光源的光强要求高、价格昂贵等缺陷，从而提供成本低、灵敏度高的主动高光谱成像系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统，包括偏振光源发射单元20、扩束透镜19、第四准直透镜18、随机光学调制单元17、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元13、第一透镜14、偏振光分束器15、全反射镜16、光扩束准直单元21、光谱分光单元22、会聚收光单元23、阵列光探测器24和压缩计算关联模块25；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路；

所述偏振光源发射单元20所发出的偏振光经扩束透镜19扩束、第四准直透镜18准直后照射到所述随机光学调制单元17；所述随机光学调制单元17加载随时间变化的散斑以对偏振光进行随机相位调制，调制后的偏振光经全反射镜16反射到达所述偏振光分束器15，接着依次透过第一透镜14、束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元、稀疏孔径单元传播到待测物体上；待测物体反射所接收到的偏振光，反向传播通过稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元，到达所述束斑合成单元13，在所述束斑合成单元13上实现稀疏孔径直接成像，然后通过第一透镜14将稀疏孔径直接成像映射到偏振光分束器15，所述偏振光分束器15将所接收到的光折射到所述光扩束准直单元21，经扩束准直后到达光谱分光单元22；所述光谱分光单元22将光谱分光后产生的不同波长的光场强度信号通过会聚收光透镜单元23聚焦到线阵光探测器24，所述线阵光探测器24采集不同波长的光信号，获取不同波长的测量数向量；所述随机光学调制单元17和线阵光探测器24之间同步；计算出加载在所述随机光学调制单元17上的随时间变化的调制散斑光场传播到物体表面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，将所述最终测量矩阵与多个同步周期内测量得到的测量数向量传输到所述压缩计算关联模块25，由该模块通过压缩感知计算关联算法重构反射物体的高光谱图像。