基于像差补偿的编码孔径偏振光谱成像装置和方法

本技术涉及光谱成像，尤其涉及编码孔径偏振光谱成像。

背景技术：

1、随着遥感技术的发展，为使空间、光谱和偏振三维信息优势互补，增强探测复杂背景中目标的能力，在现有基础上出现了集三维信息获取技能于一体的新型前沿遥感探测技术——偏振光谱成像技术。偏振光谱成像技术可以描述目标的形貌特征。

2、光谱技术是描述物体与各种波长的光相互作用的物理过程，在成像领域能获得物体的空间-光谱数据立方体，每一个像素都能提供几十到几百个连续的、带间距很窄的光谱信息。融合了偏振的偏振光谱成像具有较高的光谱分辨能力，能够反映物体的散射和反射特征，蕴含着丰富的物体信息。偏振光谱成像技术是由偏振调制模块和光谱分光模块融合而成，后两者自身工作特点决定着前者的特性。对于编码孔径偏振光谱成像系统来说，编码掩模板位置决定了该系统的编码调制方式，空间维编码是先调制再分光，光谱维编码是先分光再调制，通过结合偏振片与1/4波片或在探测端使用偏振探测器接收成像。两种编码方式都可以通过前期编码、后期解码的方式重构出完整目标图像和偏振光谱。这些年来得到了广泛的应用，在军事侦察、地球资源普查、环境卫生监测、自然灾害预报、大气探测、天文观测、机器视觉仿生、生物医学诊断等诸多领域都将具有重要的应用价值和前景。

3、近些年来，基于空间光调制器的计算光谱技术作为一种优势较大的快照式光谱成像技术已成为国内外研究热点。它可以在快照的方式下对光谱立方体进行采集，无运动部件，可以对较好对动态目标探测。将偏振技术与快照式光谱技术相结合，可以一次或多次曝光获取目标的光谱、偏振多维特性，提高目标探测、识别及分类的效率和精准度。但由于该类系统存在空间和光谱分辨率固化、光谱解混复杂、解算速度慢等问题，目前该技术与实际应用还有一定的距离。如何灵活调制系统的空间、光谱分辨率并使二者得到最优匹配，有效提升光谱解算速度，是该类光谱成像系统得到突破性发展的关键所在。

4、而随着近年来微机电系统(micro-electro-mechanical system, mems)技术的快速发展，使得数字微镜阵列dmd 替代编码错误率高、光通量低的传统机械模板和液晶空间光调制器等作为编码器件应用在编码孔径光谱成像系统中，其可以充分发挥编码孔径光谱成像系统高光通量、高信噪比的特点。

5、但是dmd不同于平面反射镜只存在一个旋转轴，其表面各个微反射镜分别绕自身旋转轴旋转，造成入射到dmd表面不同高度的光线存在光程差，继而引发了一系列的像差。如果这类系统的像差过大且不予以补偿消除的话，将会引起系统的分辨率降低，光谱通道数减少等问题，最终影响整个系统的工作效能。目前国内外针对编码孔径成像偏振光谱技术的研究主要关注点在于编码孔径算法的验证，而对于编码孔径成像偏振光谱仪光学系统成像质量尚未有深入的研究及探讨。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有光谱成像技术中由于像差导致系统的分辨率降低，光谱通道数减少等问题，提供了基于像差补偿的编码孔径偏振光谱成像装置和方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种基于像差补偿的编码孔径偏振光谱成像装置，所述装置包括：面光源、物镜、数字微镜阵列dmd、准直透镜、带通滤光片、双阿米西棱镜、成像透镜、偏振探测器和计算机，所述装置还包括：平面反射镜、滑轨、电动旋转台和倾角探测器；

3、平面反射镜位于数字微镜阵列dmd与准直透镜间且位于二者光轴外侧，光线先经平面反射镜反射至dmd，在物镜后加入平面反射镜实现光轴偏移；

4、滑轨位于电动旋转台平面上，用于固定准直透镜、带通滤光片、双阿米西棱镜、成像透镜和偏振探测器，调整装调对准角度，并使多个光学元件光轴保持一致；

5、电动旋转台用于控制像面倾角，使用蜗轮蜗杆传动，标配带编码器的伺服电机，通过沙姆原理计算像面倾角输入至倾角探测器，由倾角探测器接收像面倾角并反馈至电动旋转台控制旋转角度以达到控制像面倾角进而补偿像差的目的；

6、倾角探测器位于电动旋转台上，被测方向与滑轨呈垂直关系放置，探测像面倾角并反馈探测像面倾角使电动旋转台旋转至最佳像面倾角。

7、进一步地，所述装置的工作流程包括：

8、面光源照射目标物体，目标物体的反射光通过物镜和平面反射镜后到达dmd上，实现光轴偏移，使成像透镜的像平面向后倾斜并且与dmd平面平行；

9、dmd由反射微镜阵列组成，通过编程为其加载相应的编码矩阵以控制各微镜的驱动电压，使各微镜沿各自的对角线进行翻转，从而实现每个微镜上入射光信号的选通或阻断，其响应时间为微秒级，且微镜的翻转状态可随时锁定，通过在dmd上加载设计好的编码模板，以满足对所探测波段的入射光的高速且连续的控制，完成空间维度的可编程调制编码操作；

10、经编码模板调制后的带有空间信息的可见光经过准直透镜准直后，再经过带通滤光片选择特定范围可见光波段通过后到达双阿米西棱镜进行色散，产生光谱分离移位后经成像透镜由偏振探测器接收；

11、dmd后端成像系统对准校正后固定于滑轨上，经伺服电机与圆感应同步器协同驱动电动旋转台旋转带动成像系统的旋转，电动旋转台旋转角度由倾角探测器进行测量标定，通过多次标定至像质最佳倾角。

12、进一步地，所述偏振探测器由焦平面旋光仪和传感器构成，传感器上的每个超像素由2*2微像素组成，具有四个不同的微偏振片。

13、进一步地，所述装置还包括倾角探测器装置，所述倾角探测器装置包括传感器模块、滤波电路、模数转换器adc模块、微控制单元mcu模块、数据输出模块和电源。

14、进一步地，当倾角探测器发生角度倾斜时，测量重力加速度在传感器模块的敏感轴上的分量大小，并将该加速度信号转换成模拟电压信号，该信号经模数转换器adc模块a/d采样后输送到微控制单元mcu模块中经滤波电路进行数字滤波，并换算成对应的倾角值，再经过数据输出模块输出，最后倾角探测器通过数据输出模块将倾角数据输送到倾角探测器的计算机上显示。

15、进一步地，所述平面反射镜表面与光路相垂直，平面反射镜角度的计算公式为：

16、其中，为空气折射率，为入射角度，为出射角度，入射角等于反射角。

17、第二方面，本发明提供一种基于像差补偿的编码孔径偏振光谱成像方法，所述方法包括：

18、步骤1：确定系统指标与器件，包括：根据系统成像初始结构，确定编码孔径偏振光谱系统空间分辨率、光谱分辨率、光谱通道数及偏振通道数；

19、步骤2：确定偏振探测器，包括：根据空间分辨率、光谱分辨率及光谱通道数，确定偏振探测器的分辨率及像元尺寸指标；

20、步骤3：分析混叠模型，包括：设计编码矩阵，建立系统各元器件的多维离散化能量传输模型，以及偏振探测器靶面获取的空间信息、光谱信息及偏振信息的二维混叠模型，解析系统中每个器件的多维离散化能量传输模型中光谱信息与偏振信息的混叠是否独立；编码后的空间、光谱和偏振二维混叠信息是否符合压缩感知的有限等距性质；

21、步骤4：确定解混重构方法，包括：根据偏振探测器靶面获取的空间信息、光谱信息和偏振信息二维混叠模型，确定并优化测量矩阵、稀疏矩阵、编码矩阵与重构算法；根据偏振阵列、编码矩阵与双阿米西棱镜的对应关系，经过twist经典算法还原出每个偏振方向的光谱图像，最后形成数据立方体；

22、步骤5：考虑dmd引起的轴外视场光程差与dmd表面上的像高相关，将像面倾斜一定角度来补偿轴外视场的光程差；计算像面倾斜角度并由倾角探测器接收测量角度值输入至电动旋转台，通过将接收像面系统放置于电动旋转台控制旋转角度进一步达到补偿像差的目的，所述接收像面系统包括准直透镜、带通滤光片、双阿米西棱镜、成像透镜和偏振探测器；

23、步骤6：调整平面反射镜的位置和角度至成像结果最清晰；

24、步骤7：倾角探测器检测标定，包括：将标定倾角探测器和待测倾角探测器平行固定于电动旋转台上，输入装置用于输入预设角度，根据步骤五计算得出的角度β作为最终输入角度即最终定标点，根据标定倾角探测器检测到的角度与设定角度之间的差值间增加定标点数量，将角度差值均分若干个定标点依次定标，控制伺服机构驱动旋转至所需转动的定标角度，若标定倾角探测器检测到的角度与待测倾角探测器检测到的角度之间的差值在预设范围内，则继续调整电动旋转台角度至成像最清晰角度；

25、步骤8：倾角探测器失真校正，包括：若标定倾角探测器检测到的角度与待测倾角探测器检测到的角度之间的差值未在预设范围内，则继续定标多次对比前后定标角度是否在预设范围内，若发现仍不符合则需要检查安装，再进一步重新进行校准，调整校准参数，进一步考虑环境因素，最后进行软件滤波和算法优化。

26、进一步地，步骤5中，所述角度为根据schleimphlug原理获取，获取公式为：

27、

28、其中，，w为栅格化图像的宽度，d为拼接处上下错位最大容许的误差限，分别为物面和像面与垂直光轴面的夹角，镜组偏离垂直情况的倾角，为镜组倾斜前物面点的物距，t为二主面间距，

29、

30、其中，、分别隔镜组倾斜后点的物距和像距物 、像主点距离、镜组焦距。

31、进一步地，步骤3中，所述分析混叠模型的建立方法为：

32、建立系统多维离散化能量传输模型，系统中物镜将目标数据立方体a1成像在其焦平面处，数字微镜阵列为一次像面并编码，编码调制后的数据立方体a2经准直透镜后经带通滤光片透射，又经双阿米西棱镜色散，色散后数据立方体为a3；然后经成像透镜将编码后光谱偏振图像成像到偏振成像装置上，所述偏振成像装置包括4个偏振分量的接收成像通道、图像融合单元、编码器、解码器和计算机，经探测器上偏振阵列完成透光轴为0°、45°、90°、135°的偏振通道选通编码，获取偏振探测器的二维数据；

33、建立目标不同偏振方向的光谱密度a1为，其中，x和y是两个空间维度，表示波长，表示线性斯托克斯分量，其中k=0，1，2；

34、建立经dmd编码调制后的数据立方体a2为，t(x,y)表示编码孔径的空间坐标对应的光谱密度影响；

35、经过光学设计对准，空间维度和dmd与探测器靶面的空间坐标相互对应，有

36、

37、其中，代表dmd的靶面，是编码平面上位置(i,j)处的二进制传输值，代表dmd微镜的大小；

38、在通过双阿米西棱镜移位之后，偏振探测器之前的四维数据立方体变为

39、

40、其中，描述准直透镜、双阿米西棱镜和成像透镜的平移不变光学脉冲响应，并且描述由双阿米西棱镜引起的色散位移；

41、建立偏振探测器靶面获取的空间信息、光谱信息及四组偏振信息的二维混叠模型，编码的四维数据立方体投影到偏振探测器的传感器上；传感器的每个像素测量在光谱区域上的特定偏振角处的光谱密度的积分强度。

42、进一步地，第（m，n）个像素i处的强度

43、

44、其中，为每个像素测量在光谱区域上的特定偏振角处的光谱密度的积分强度，表示三个线性斯托克斯通道求和，表示dmd微镜的大小，m和n表示像素坐标，表示对x与y方向上的二重积分，表示对光谱区域的积分，分别表示对x方向，y方向和光谱的微分。

45、本发明的有益效果：

46、本发明针对 dmd 在编码孔径成像偏振光谱仪光学系统中造成的像差影响提出了一种基于像差补偿的编码孔径偏振光谱成像装置，能在一定程度上提高系统的成像质量，提高系统的分辨率，充分发挥编码孔径偏振光谱成像系统高光通量、高信噪比的特点。

47、本发明的装置包括：照明系统装置、数字微镜阵列驱动装置、滤波光谱装置、偏振成像装置和像差校准装置（包含倾角探测器、电动旋转台和计算机）。由于数字微镜阵列引起的像差会影响光学成像系统的测量精度和成像效果，因此有必要对其进行像差补偿。所述方法通过利用倾角探测器将像面倾斜一定角度来补偿轴外视场的光程差，再通过在物镜后端放置一反射镜实现光轴偏移补偿离轴像差进而提高系统整体的分辨率，同时融合偏振成像与光谱成像技术，反映目标的组成、结构和材料特性，在航天遥感、医疗诊断和机器视觉等领域具有重要的应用价值。

48、与传统方法相比，本方法从硬件上分析对系统光谱偏振分辨率精度的影响，硬件上放置一反射镜改变光轴移位与利用schleimphlug 原理通过控制像面倾角补偿光程差从而校正dmd微镜引起的像差，提升整个系统的成像质量；引入平面反射镜对成像臂光轴进行弯曲，而且平面反射镜不会引入额外的像差，解决了dmd前端空间狭小，成像臂与中继臂之间的空间占用和冲突，实现两臂夹角及成像透镜位置和姿态的自由调节，并且两个臂不再并排放置。因此，可以减小成像透镜的像距和准直透镜的物距，这使得该系统的结构更加紧凑，从而提高了系统的灵活性和集成度，最终使整个系统的成像质量得到有效提升。

49、本发明适在航天遥感、医疗诊断和机器视觉等领域具有重要的应用价值。