[发明专利]一种光谱压缩的超光谱成像系统

说明书

技术领域

本发明属于航天光学遥感技术领域，具体地，涉及一种光谱压缩的超光谱成像系统。

背景技术

超光谱成像仪目前在国内外均采用面阵探测器，在沿轨方向获取目标的光谱信息，在穿轨方向获取目标的空间信息。由于面阵探测器与线阵探测器相比，数据量骤增，受探测器读出速率、转移效率和工艺尺寸等因素影响，面阵探测器的规模和帧频很难做高，极大程度地限制了我国超光谱成像技术的空间应用。因此，提供一种高性能的探测器成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种光谱压缩的超光谱成像系统，将原来的光谱维信息稀疏采样后压缩成一列，再通过特征解耦方法对压缩数据进行高精度重构，采用线阵探测器替代面阵探测器获取目标的空间和光谱数据立方体，以降低探测器规模及成像系统的复杂度，解决传统超光谱成像仪中的高性能面阵探测器获取困难、幅宽难以增大的问题。

本发明解决上述技术问题的解决方案包括：

一种光谱压缩的超光谱成像系统，包括依次布置的望远系统、掩膜、光谱成像系统、线阵探测器组件、以及信号处理模块，其中，光谱成像系统为色散型分光系统，包括会聚系统、色散系统、楔形棱镜以及成像系统，并且楔形棱镜与色散系统放置的色散方向互相垂直，其中，望远系统位于整个超光谱成像系统的最前端，将来自地面物体的光束会聚在其后焦平面上；掩膜位于望远系统的后焦平面上，对来自望远系统的光束进行调制，对通过望远系统的地面物体信息进行0和1的混叠编码，使部分光束通过，部分光束遮挡，实现对地面物体的稀疏采样；光谱成像系统的前焦平面与望远系统的后焦平面重合，对通过所述掩膜的光束进行光谱细分和光谱交错混叠，并成像在线阵探测器组件上；通过掩膜的光束经过光谱成像系统的会聚系统会聚后，成为平行光束，入射到色散系统上，经色散分光获取地面物体的光谱信息后进入楔形棱镜，实现光谱交错、混叠，然后进入成像系统，获取地面物体混叠后的光谱信息，并成像到线阵探测器组件上，使得单个地面像元目标的光谱信息经光谱成像系统被压缩到线阵探测器的单个像元中，实现景物光谱维的多个像素点与一个探测器像元的对应；线阵探测器组件位于光谱成像系统的焦面上，接收来自光谱成像系统的入射光信号并将其转化为数字信号；信号处理模块对从线阵探测器组件获得的数字信号进行处理，通过特征解耦的方法将被遮挡的光束的空间信息和光谱信息恢复出来，以获得全部地面物体的光谱信息和空间信息。

优选地，对于长焦距小视场，望远系统采用折射式结构，对于长焦距中等视场，望远系统采用折反射式结构，对于中等焦距或短焦距，中等视场或大视场，望远系统采用反射式结构。

优选地，会聚系统和成像系统均可采用折射式、反射式或折反射式结构，所述色散系统可采用棱镜或光栅。

优选地，掩膜的数字微镜阵列的编码形式可采用均匀冗余阵列或修正的均匀冗余阵列。

优选地，线阵探测器组件包括线阵探测器及相关控制电路。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明对一种光谱压缩的超光谱成像系统进行了创新设计，成像系统由望远系统、掩膜、光谱成像系统、线阵探测器组件以及信号处理模块组成。通过将压缩感知成像技术与超光谱成像技术结合，将丰富的场景光谱信息压缩采样到少量的探测器数据中，再对获得的图谱进行重构的方法，利用目标的低维投影，重建目标的高维数字模型，从而实现线阵探测器的超光谱成像。本发明采用线阵探测器替代面阵探测器获取目标的空间和光谱数据立方体，降低了探测器规模及成像系统的复杂度和超光谱成像对面阵探测器的技术依赖。

(2)本发明成像系统通过在光路中加入掩膜板，对原始的超光谱数据进行混叠编码，将光谱维的数据压缩采样，使得单个地面像元目标的光谱信息被压缩到线阵探测器的单个像元中，实现景物光谱维的多个像素点与一个探测器像元的对应，再应用压缩感知理论对压缩采样数据进行处理，实现高精度重建。

(3)本发明采用线阵探测器来实现超光谱成像，回避了面阵探测器由于受帧频、规模等指标限制，超光谱成像难以实现大幅宽的难题，本发明使用长线列线阵探测器能够实现超大幅宽超光谱成像，推动超光谱成像技术的空间应用。

附图说明

图1为根据本发明的光谱压缩的超光谱成像系统的组成原理示意图；

图2为本发明采用的超光谱成像光学系统图；

图3为本发明的空间、光谱混叠编码原理图；

图4为本发明采用的均匀冗余阵列(URA)掩膜；