阅读说明：本技术 一种框幅式单光栅双路色散高光谱成像系统及方法 (Framed single-grating two-way dispersion hyperspectral imaging system and method ) 是由 杨忠明 董亚魁 刘兆军 李永富 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明属于光谱成像技术领域,特别是涉及高光谱成像系统及方法。一种框幅式单光栅双路色散高光谱成像系统,包括第一色散单元、第二色散单元、狭缝和面阵相机；所述狭缝位于第一色散单元与第二色散单元的中间位置。所述第一色散单元和第二色散单元共用一个色散元件。本发明基于“色散相减”的框幅式色散高光谱成像机理模型,采用“色散相减”技术实现框幅式色散高光谱成像探测,无需图像缝合拼接,能够获取探测深海场景高空间分辨率和高光谱分辨率的光谱图像。实现对深海目标场景的直接成像,消除图像形变,提高图像信息质量,并保留了高光谱的分辨率。(The invention belongs to the technical field of spectral imaging, and particularly relates to a hyperspectral imaging system and method. A frame type single grating two-way dispersion hyperspectral imaging system comprises a first dispersion unit, a second dispersion unit, a slit and an area-array camera; the slit is located at the middle position of the first dispersion unit and the second dispersion unit. The first dispersion unit and the second dispersion unit share one dispersion element. The frame-type dispersion hyperspectral imaging mechanism model based on the dispersion subtraction realizes the frame-type dispersion hyperspectral imaging detection by adopting the dispersion subtraction technology, does not need stitching and splicing images, and can acquire the spectrum image for detecting the high spatial resolution and the high spectral resolution of the deep sea scene. The method has the advantages of realizing direct imaging of a deep sea target scene, eliminating image deformation, improving image information quality and keeping high spectral resolution.)

一种框幅式单光栅双路色散高光谱成像系统及方法

技术领域

本发明属于光谱成像技术领域，特别是涉及高光谱成像系统及方法。

背景技术

高光谱成像技术是成像技术与光谱技术的结合，可在获取目标二维图像信息的基础上，同时获取目标的一维光谱信息，能够反映出被观测对象的外形影像以及理化特征，从而达到对目标的探测与识别。通过图形图像信息和光谱“指纹”效应，可以进行物质识别和成分分析，逐渐成为航空航天遥感、地矿探测、天文观测等领域的热门“工具”。

随着水下高光谱成像技术的出现与发展，对高光谱成像系统的光谱分辨率、图像质量、性价比和操作便利性提出了新的要求。现有色散高光谱成像技术由于采用前置狭缝，空间分割探测的手段，无法对水下目标场景进行实时光谱成像，需要额外的辅助对准和对焦设备，且缝合拼接的光谱图像易产生图像变形和条带噪声，导致图像信息不够精细，空间分辨率不足。采用调制滤光原理的高光谱成像技术虽然能够对水下目标进行直接成像，实时观测，但是光谱分辨率越高，调制系统越复杂，且光能利用率不高。干涉高光谱成像技术由于海水的光谱吸收特性，不适用于深海环境；且系统成本高，对工作环境要求高，光谱重构算法复杂。

发明内容

本发明基于“色散相减”的框幅式色散高光谱成像技术，实现对深海目标场景的实时观测以及图像信息的直接获取，在保留色散高光谱成像仪光谱分辨率高、成本低、稳定性好的优势条件下，提高光谱图像的质量和空间分辨率，为深海目标探测高光谱成像提供一种新的技术方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种框幅式单光栅双路色散高光谱成像系统，包括第一色散单元、第二色散单元、狭缝和面阵相机；所述狭缝位于第一色散单元与第二色散单元的中间位置。

作为本发明的一种优选方式，所述的第一色散单元包括第一反射物镜、第一成像物镜，所述第二色散单元包括第二反射物镜、第二成像物镜；所述第一色散单元和第二色散单元共用一个色散元件。

作为本发明的一种优选方式，目标场景位于第一反射物镜的前焦面；狭缝位于第一成像物镜的后焦面，也是第二反射物镜的前焦面；面阵相机位于第一反射物镜的后焦面。

进一步优选地，所述的色散元件为凸面光栅。

进一步优选地，所述的第一反射物镜和第二反射物镜为参数相同的准直透镜。

进一步优选地，所述的第一成像物镜和第二成像物镜为参数相同的平面反射镜。

本发明还提供一种框幅式单光栅双路色散高光谱成像方法，包括：目标场景经过第一色散单元的调制后，在狭缝位置形成一个空间-光谱混叠分布的图像，狭缝对空间-光谱混叠图像进行光谱滤波后，经过第二色散单元解调后，最终在面阵相机上获取经过空间光谱滤波的目标场景图像。

进一步优选地，目标场景入射系统后，经过第一反射物镜、色散元件、第二反射物镜和第一成像物镜作用后，成像在狭缝所在平面，经过中间狭缝的光谱滤波作用后，再经第二成像物镜、第二反射物镜、色散元件、第一反射物镜，最后在面阵相机上获得空间滤波的图像。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：1.基于“色散相减”的框幅式色散高光谱成像机理模型，采用“色散相减”技术实现框幅式色散高光谱成像探测，无需图像缝合拼接，能够获取探测深海场景高空间分辨率和高光谱分辨率的光谱图像。实现对深海目标场景的直接成像，消除图像形变，提高图像信息质量，并保留了高光谱的分辨率。2.采用基于Offner结构的单光栅双路结构，实现系统的轻小型化。通过研究新的原理和方法，为深海目标高光谱成像探测提供一种新的思路。3.对深海目标探测框幅式色散高光谱成像系统中光谱图像数据进行了立方体精确重构方法，提高深海目标场景各物点光谱信息的提取精度。

附图说明

图1为本发明实施例的框幅式单光栅双路色散高光谱成像系统模型图；

图2为目标场景依次经过第一色散单元调制和第二色散单元解调后在面阵相机上的成像效果，其中：（a）为目标场景，（b）为面阵相机上的成像；

图3为本发明的色散高光谱成像系统单帧获取目标场景对比图，其中：（a） 为前置狭缝单帧获取的图像为光谱图像数据的其中一列，（b）为本发明中间狭缝单帧获取的图像为光谱图像数据立方体的一个斜切面。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

本发明提供的其中一个实施例是：一种框幅式单光栅双路色散高光谱成像系统，如图1所示，包括第一准直透镜1、第二准直透镜2、凸面光栅3、第一反射平面镜4、第二反射平面镜5和狭缝8。其中，第一准直透镜1、凸面光栅3、第一反射平面镜4组成第一色散单元；第二准直透镜2、凸面光栅3和第二平面反射镜5组成第二色散单元。狭缝8位于第一色散单元和第二色散单元的中间位置。第一色散单元和第二色散单元共用一个凸面光栅，形成了本实施例中的单光栅双光路结构的框幅式色散高光谱成像系统。

本实施例中，第一色散单元和第二色散单元的光学参数一致。目标场景（或经过前置成像系统所成的实像）6位于第一色散单元中第一准直透镜1的前焦面；狭缝8位于第一色散单元中的第一反射平面镜4的后焦面，也是第二色散单元中第二准直透镜2的前焦面；面阵相机7位于第一色散单元中第一准直透镜1的后焦面。

本发明提供的框幅式单光栅双路色散高光谱成像方法是：目标场景（或经过前置成像系统所成的实像）6入射系统后，经过第一准直透镜1、凸面光栅3、第二准直透镜2、第一反射平面镜4的作用后，成像在狭缝8所在平面，经过狭缝的光谱滤波作用后，经第二反射平面镜5作用后，再经第二准直透镜2、凸面光栅3、第一准直透镜1原路反向返回，最后在面阵相机7上获得空间滤波的图像。

目标场景图2（a）所示，经过第一个色散单元的调制后，在中间狭缝位置形成一个空间-光谱混叠分布的图像；中间狭缝用于对空间-光谱混叠图像进行光谱滤波，经过第二个色散单元解调后，最终在面阵相机上获取经过空间光谱滤波的目标场景图像，如图2（b）所示。

本发明采用了基于Offner结构的单光栅双路结构实现框幅式色散高光谱成像系统的轻小型化，拟采用的系统初始方案如图2所示，在原有单光栅单光路Offner结构基础上，引入对称结构的双光路。光线两次经过凸面光栅，起到“色散相减”效果，构成结构简单的轻小型框幅式色散高光谱成像系统。

本发明的框幅式单光栅双路色散高光谱成像系统，单帧能够获取目标场景的图像，可对目标场景实时成像，与前置狭缝型色散高光谱成像系统单帧获取的色散图像有着本质的区别。通过系统整体推扫或者垂直光轴方向移动中间狭缝，可以获取空间光谱滤波的图像序列，从中可以重构出完整的光谱图像数据立方体。

传统前置狭缝型色散高光谱成像仪中入射狭缝用于对深海目标场景进行空间分割，单帧能够获取目标场景中一列场景的光谱信息，如图3（a）所示，通过空间维度推扫以获取完整的光谱图像数据立方体。本发明的框幅式单光栅双路色散高光谱成像系统中无前置入射狭缝，而是通过中间狭缝进行光谱滤波，单帧获取的图像为光谱图像数据立方体的一个斜切面，如图3（b）所示，包括完整的二维图像信息。

通过系统推扫后，获取一系列空间光谱滤波的图像，同一个物点对应的像点分布在不同的位置，因此重构光谱图像数据立方体的关键在于精确的提取同一个物点的光谱信息，前提是能够实现空间滤波图像的亚像素空间二维配准。目前，图像空间二维配准主要包括几何特征匹配、频域匹配两种方法。为克服空间滤波效应对图像匹配的影响，本发明采用频域亚像素匹配方法实现空间滤波图像的亚像素精确匹配。重点解决光谱滤波对图像匹配精度的影响以及频域匹配数据处理量。