一种基于哈达玛变换成像光谱仪的光谱复原方法

摘要

本发明涉及一种基于哈达玛变换成像光谱仪的光谱复原方法，包括以下步骤：步骤1：组装光谱仪：连接第一激光器、成像仪、采集卡和计算机，装调好激光器使其能照射进成像仪镜筒；步骤2：给数字微镜器件DMD进行4n-1(n为自然数)阶哈达玛编码，得到相应的当前循环矩阵；步骤3：采集数据等步骤。本发明解决了现有的光谱仪利用率低的技术问题，本发明具有多路传输、辐射通量大等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于哈达玛变换成像光谱仪的光谱复原方法。

背景技术

目前常见的成像光谱仪有色散型、滤光片型、干涉型和计算层析型等。应用于哈达码变换原理的光谱仪主要是色散型，色散型又可以分为基于棱镜和光栅等形式，其中以采用光栅的色散型成像光谱仪最为突出。作为光栅色散型成像光谱仪具有原理简洁、性能稳定等优点，但其能量利用率低的致命弱点严重阻碍着他们的进一步发展，而基于哈达码变换色散型成像光谱仪正是解决这一难题的有效手段。

本发明所涉及的哈达玛光谱仪是瞄准天基目标捕获系统开展的研究工作。其应用到太空中，主要实现对人造天体的捕获和对不同人造天体目标的辨识；应用到科学研究，主要能够完成对太空碎片分类。多谱段自适应光谱仪原型样机是在方案论证的基础上进一步开展的研究工作。参考专利《一种哈达玛变换成像光谱仪》，专利号：200910022956.0，公开号：CN101571421A。本专利对多谱段自适应光谱仪原型样机的光机系统设计、成像电路设计及光谱数据处理进行了详细说明。

发明内容

为了解决现有的光谱仪利用率低的技术问题，本发明目的是提供一种基于哈达玛变换成像光谱仪的光谱复原方法。

本发明的技术解决方案：

一种基于哈达玛变换成像光谱仪的光谱复原方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

步骤1]：组装光谱仪：连接第一激光器、成像仪、采集卡和计算机，装调好激光器使其能照射进成像仪镜筒；

步骤2]：给数字微镜器件DMD进行4n-1(n为自然数)阶哈达玛编码，得到相应的当前循环矩阵；

步骤3]：采集数据：包括以下步骤：

数字微镜器件DMD依次加载4n-1阶当前循环矩阵的第一行至第4n-1行，采集保存得到4n-1幅图像；

步骤4]：取采集到的4n-1幅图像的第一幅图像，取第一图像可视区域内水平平分线的任意一点(i，j)(i，j为自然数)值y¹，然后依次取第二幅至4n-1幅图像的(i，j)点的值，依次排列形成一个4n-1行的列向量；即{[y¹ y²y³ ……y^(4n-1)]^T}

步骤5]：用当前循环矩阵的逆矩阵乘以步骤4]所得到的列向量，得到一个光谱值列向量，光谱值列向量的元素值即为对应波长相对光谱强度；

步骤6]：以波长为横坐标，以相对光谱强度为纵坐标绘制光谱曲线，并找出波峰所对应的波长位置；

步骤7]：判读步骤6]中至少有一个波峰所对应的波长位置是否与所用激光器的波长相近，即是否满足式1：

其中：y-所用激光器的波长，x-光谱曲线波峰所对应的波长位置，仪器最大最小波长是指所用成像仪所能覆盖的光谱波长上限与下限；

如果满足式1，则执行步骤8]；

如果不满足式1，则执行步骤9]；

步骤8]：观察光谱曲线是否有两个或多个相等的峰值，也就是波峰所对应的波长x值是否唯一，并判断|y-x|与的关系：

如果x值不唯一，或那么定义当前循环矩阵为备用矩阵，执行步骤10]；

如果x值唯一，并且有那么当前循环矩阵就是复原矩阵，则执行步骤11]；

步骤9]取循环矩阵第二行为首行，其它行依次排列，第一行换到最后一行，形成循环矩阵，以循环矩阵作为当前循环矩阵，重复步骤5]，步骤6]，步骤7]；

步骤10：换波长不同的第二激光器(波长需在仪器覆盖波长范围之内)，上述步骤中确定的备用矩阵为当前循环矩阵，重复步骤3]、4]、5]、6]、7]；

步骤11]：取水平平分线上的另外一点重复步骤4]、5]、6]、7]直至得到该水平平分线上所有像素点所对应的复原矩阵。

由哈达码编码的原理知道编码后采集到的图像的同一列像素所用的复原矩阵相同，所以知道了水平平分线像素点的复原矩阵相当于知道了整幅图像的复原矩阵。这些复原矩阵就是光谱仪在工程实践中探测所需要的目标时，用于复原目标点的光谱所使用的矩阵即：X＝S^-1gY；其中X表示目标物光谱相对强度，S表示复原矩阵，Y表示采集的编码图像。

n＝2。

所述步骤1】中装调好激光器使其能照射进成像仪镜筒之前，在成像仪镜筒前用晒图纸之类的东西稍稍挡一下激光。

本发明的技术效果：

1、多路传输：若光谱分辨单元总数为N，在常规光谱仪检测一个分辨单元，哈达玛变换光谱仪可检测N/2个分辨单元。由于探测器接收到的信息量增加，而噪音没有改变，根据统计学中的称量设计法则，哈达玛变换光谱仪的信噪比为常规光谱仪的倍。因此，在色散系统中，当模板的编码数N增加时，哈达玛变换光谱仪的信噪比有明显的改善。哈达玛变换光谱仪在弱照度情况下，信噪比近似于线性的增加，当光源的辐射强度超过70μW/m²，信噪比逐渐成为一个常数。

2、辐射通量大：哈达玛变换光谱仪因为是多路传输，所以辐射通量大。当入射和出射狭缝均为循环码编码模板时，辐射的利用率比常规光谱仪可提高百余倍。

3、空间成像：哈达玛变换光谱仪具有空间成像能力，这是其它多路传输光谱所不具备的。

4、经济简便：哈达玛变换光谱仪的编码、解码等信息处理方法简单，仪器加工制造比较容易，它是介于经典色散光谱与傅里叶变换光谱之间的技术，是一种空间的变换，而不是频率或时间域的变换，因此较经济简便。

5、本发明集中在于解决如何进行光谱复原，应用本文中所采用的光谱复原方法具有一定的普遍适用性，可以用于所有哈达玛变换光谱光谱仪的光谱复原，并且对其他一些光谱仪的实验室定标有一定的指导意义。

附图说明

图1是本发明系统的原理示意图；

图2是本发明原理的结构框图；

图3为本发明数据立方体形成；

图4为本发明实施例中的复原过程。

具体实施方式

哈达码变换成像光谱仪，包括前置成像系统、第一准直透镜、分光器件、第一会聚透镜、数字微镜器件、第二准直透镜、合光器件、第二会聚透镜、像面探测器；前置成像系统包括前置成像镜；前置成像镜用于将物体成像于一次像面位置；第一准直透镜、分光器件、第一会聚透镜和数字微镜器件构成分光调制系统，其中第一准直透镜和分光器件依次设置于前置成像系统的出射光路；第一会聚透镜和数字微镜器件依次设置于分光器件的出射光路；第二准直透镜、合光器件、第二会聚透镜和像面探测器构成合光成像系统，其中第二准直透镜和合光器件依次设置于分光调制系统的出射光路；第二会聚透镜和像面探测器依次设置于合光器件的出射光路；第一准直透镜和第一会聚透镜构成相同，第二准直透镜和第二会聚透镜构成相同；第一准直透镜用于将成像于一次像面位置的光准直成平行光；分光器件用于将第一准直透镜准直的平行光进行色散；第一会聚透镜用于将色散后的平行光进行聚焦；数字微镜器件用于实现光路通断/编码；第二准直透镜用于将编码后的光束准直；合光器件用于将第二准直透镜准直后的光束合成；第二会聚透镜用于将合成后的平行光在像面探测器上进行合光成像。

如图1、图2所示为本发明的系统的原理示意图，一种哈达玛变换成像光谱仪，它包括依次连接的激光器、成像仪、采集卡以及计算机，成像仪设置有数字微镜器件DMD。

本发明还包括基于这个哈达玛变换成像光谱仪的一种光谱复原方法，包括以下步骤：

步骤1]：组装光谱仪：连接第一激光器、成像仪、采集卡和计算机，装调好激光器使其能照射进成像仪镜筒；在成像仪镜筒前用晒图纸之类的东西稍稍挡一下激光。

步骤2]：给数字微镜器件DMD进行4n-1(n为自然数)阶哈达玛编码，得到相应的当前循环矩阵；哈达玛矩阵的首行是确定的，可以采用左移或右移得到相应的循环矩阵。我们采用左移的循环矩阵，主要因为左移矩阵是对称矩阵，逆变换相对简单一些。本发明举例n＝2，也就是说7阶哈达玛编码，所得到的哈达玛矩阵如下：

$\left(\begin{array}{ccccccc}1& 1& 1& 0& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 1& 0& 0& 1\\ 1& 0& 1& 0& 0& 1& 1\\ 0& 1& 0& 0& 1& 1& 1\\ 1& 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 0& 1\\ 0& 1& 1& 1& 0& 1& 0\end{array}\right)$

步骤3]：采集数据：包括以下步骤：

步骤301]：数字微镜器件DMD加载7阶当前循环矩阵的第一行，即1110100，采集保存图像；

步骤302]：数字微镜器件DMD加载7阶当前循环矩阵的第二行，即1010011，采集保存图像；

......

步骤307]：数字微镜器件DMD加载7阶当前循环矩阵的第七行，即0111010，采集保存图像；依次加载矩阵的每一行值，对数字微镜器件DMD每一个微镜进行编码，1表示开启，0表示关闭，并采集图像依次得到7幅经过编码后的采集图象；

步骤4]：取采集到的7幅图像的第一幅图像，取第一图像可视区域内水平平分线的任意一点(i，j)(i，j为自然数)值y¹，然后依次取第二幅至4n-1幅图像的(i，j)点的值，依次排列形成一个4n-1行的列向量；即{[y¹ y²y³……y⁷]^T}

步骤5]：用当前循环矩阵的逆矩阵去乘以步骤4]所得到的列向量，得到一个光谱值列向量{[x¹ x² x³……x⁷]^T}，光谱值列向量的元素值即为对应波长相对光谱强度；如图3所示，

${\left(\begin{array}{ccccccc}1& 1& 1& 0& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 1& 0& 0& 1\\ 1& 0& 1& 0& 0& 1& 1\\ 0& 1& 0& 0& 1& 1& 1\\ 1& 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 0& 1\\ 0& 1& 1& 1& 0& 1& 0\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}y1\\ y2\\ y3\\ y4\\ y5\\ y6\\ y7\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}x1\\ x2\\ x3\\ x4\\ x5\\ x6\\ x7\end{array}\right)$

步骤6]：以波长为横坐标，以相对光谱强度为纵坐标绘制光谱曲线，并找出波峰所对应的波长位置；也就是以所使用的成像仪的波长覆盖范围分成7段，使得(x1，x2，…，x7)每一个点都有对应的波长值。并且找出波峰对应波长位置。

步骤7]：判读步骤6]中至少有一个波峰所对应的波长位置是否与所用激光器的波长相近，即是否满足式(1)：

其中：y-所用激光器的波长，x-光谱曲线波峰所对应的波长位置，仪器最大最小波长是指所用成像仪所能覆盖的光谱波长上限与下限；

如果满足式1，则执行步骤8]；

如果不满足式1，则执行步骤9]；

步骤8]：观察光谱曲线是否有两个或多个相等的峰值，也就是波峰所对应的波长x值是否唯一，并判断|y-x|与的关系：

如果x值不唯一，或那么定义当前循环矩阵为备用矩阵，执行步骤10]；

如果x值唯一，并且有那么当前循环矩阵就是复原矩阵，则执行步骤11]；

步骤9】调整当前循环矩阵第二行为首行，其它行依次排列，第一行换到到最后一行，形成循环矩阵，以循环矩阵作为当前循环矩阵，重复步骤5]，步骤6]，步骤7]；7阶为例第一次调整后，当前循环矩阵应为：

$\left(\begin{array}{ccccccc}1& 1& 0& 1& 0& 0& 1\\ 1& 0& 1& 0& 0& 1& 1\\ 0& 1& 0& 0& 1& 1& 1\\ 1& 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 0& 1\\ 0& 1& 1& 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 1& 0& 1& 0& 0\end{array}\right)$

步骤10]；换波长不同的第二激光器(波长需在仪器覆盖波长范围之内)，上述步骤中确定的备用矩阵为当前循环矩阵，重复步骤3]、4]、5]、6]、7]；

步骤11]：取水平平分线上的另外一点重复步骤4]、5]、6]、7]直至得到该水平平分线上所有像素点所对应的复原矩阵。这样用复原矩阵逆矩阵就可以复原整幅图像数据，即X＝S^-1gY；其中X表示光谱相对强度，S表示复原矩阵，Y表示采集的编码图像。

本发明在实际中的应用：

光谱成像仪可以应用于实践中。从本发明中我们得到了水平平分线上所有像素点的复原矩阵，也就是得到了整幅图像可视区域的所有复原矩阵，由于相同的列像素即...，(i-1，j)，(i，j)，(i+1，j)，所对应的复原矩阵与(i，j)相同。此时对于该光谱成像仪采集任意要探测的目标，我们都可以将目标的光谱复原出来。