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衍射光谱成像系统的主要部件是衍射透镜,其作用类似于成像透镜,不仅能对入射光聚焦成像,还能依据衍射原理产生轴向色差。衍射透镜产生色差的有效焦距与波长成反比[6]:
$$f(\lambda ) = \frac{{{\lambda _0}{f_0}}}{\lambda }$$ (1) 式中:
${f_0}$ 是设计波长${\lambda _0}$ 的焦距,为设计焦距。传统的狭缝式色散成像光谱仪的光栅色散是垂直光轴方向的,而衍射光谱仪不同,如图1所示,衍射透镜沿轴向色散,衍射透镜在衍射光谱仪中同时提供空间成像和光谱色散功能。采用常规探测器与衍射透镜平行,沿着光轴进行扫描探测。每个扫描位置对应目标特定的光谱波长,记录每个图像和相应的扫描位置。探测器采集的图像是一个光谱波长的准焦图像和其余相邻光谱波长在这个位置离焦图像的叠加,离焦分量的存在导致探测器采集的图像是模糊的图像。沿着光轴移动扫描,可获得不同波长焦平面位置的模糊叠加图像。采用光谱的谱段解耦算法处理,去除多余的模糊成分,从而改善成像仪的空间和光谱分辨率,得到目标场景的光谱图像数据立方体,如图2所示。
光场成像是计算光学成像领域的一个重要分支,近几年的研究越来越多[7-8]。如图3所示,传统相机由镜头和探测器组成,对目标直接成像,也就是“所见即所得”。而光场相机成像方式有所不同,在传统相机的探测器前面增加了微透镜阵列,微透镜阵列位于主镜系统焦面前后,实现光线记录,后期处理只需要对光线进行重新追迹即可数字重聚焦[9]。光场成像基于空间复用,同时记录光线的空间(x,y)和角度信息(u,v),不同焦深的图像做不同情况下的二维积分,捕获的四维光场数据可生成多视角图像,可以对其进行进一步处理以生成深度图。因此,光场相机相对于传统相机拥有更大景深,同时,在单次快照中,可以实现数字图像重新聚焦和三维重建。
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为了验证提出的新型高光谱衍射计算成像探测技术原理可行性,文中对全波段高精度衍射光谱解耦技术和光场数字重构技术开展仿真及验证。首先建立系统光谱图像函数的量化模型。
衍射成像光谱仪中的三维物体空间是二维空间和一维光谱,衍射透镜将物体的光谱信息转换为图像中的第三空间维,表示为
$z(\lambda )$ ,从而生成相似的三维空间立方体图像$x,y,z(\lambda )$ 。用三维矩阵代表目标、图像、点扩散函数的成像模型量化方程如下:$$\begin{split} & i({x_i},{y_i},{z_i}) = \int\nolimits_{ - \infty }^\infty {\int\nolimits_{ - \infty }^\infty {\int\nolimits_{ - \infty }^\infty {o(x,y,z)} } } \\ & h({x_i} - x,{y_i} - y,{z_i} - z){\rm{d}}x{\rm{d}}y{\rm{d}}z \end{split} $$ (2) 由于探测器采集的图像是一个波长的聚焦图像与其他波长的离焦图像的叠加。对于三个目标(object)成像,探测器采集的图像是Image1、Image2和Image3,每个图像是三个光谱图像的总和,每个图像都建模为目标与其点扩展函数
$ps{f_{\Delta z, \lambda}} $ 卷积。psf的第一个下标是以z为单位测量的散焦量(0为准焦,1为距准焦点为$\Delta z$ ,2为距准焦点为2$\Delta z$ ),第二个下标为波长[10]。目标成像方程可扩展为:$$\begin{split} Imag{e_1} =\;& ps{f_{0\lambda 1}} * * objec{t_{\lambda 1}} + ps{f_{1\lambda 2}} * * objec{t_{\lambda 2}} +\\ & ps{f_{2\lambda 3}} * * objec{t_{\lambda 3}} \\ Imag{e_2} =\;& ps{f_{1\lambda 1}} * * objec{t_{\lambda 1}} + ps{f_{0\lambda 2}} * * objec{t_{\lambda 2}} +\\ & ps{f_{1\lambda 3}} * * objec{t_{\lambda 3}} \\ Imag{e_3} =\;& ps{f_{2\lambda 1}} * * objec{t_{\lambda 1}} + ps{f_{1\lambda 2}} * * objec{t_{\lambda 2}} +\\ & ps{f_{0\lambda 3}} * * objec{t_{\lambda 3}} \end{split} $$ (3) 针对文中提出的高光谱衍射计算成像系统,目标光线经过衍射成像系统后,在不同的光轴位置形成各个谱段的光谱图像,形成成像空间,光场仿真通过已知的单谱段图像以及各谱段的成像位置计算获取探测器采集的光场图像,进而获取成像空间的光场分布。将多个波段图像分别进行光场构建并叠加,即获得了全谱段图像的光场信息。
光场重聚焦仿真以光场采样仿真数据为输入,输出获得解耦计算之前的光谱图像,图像的光谱以及空间分辨率特性直观反映前端衍射成像以及光场探测系统的结构参数对光谱探测效果的影响。文中选取八个波段,光谱范围为410~550 nm,在一定谱段间隔光程下进行复原仿真,其中微透镜阵列的方向采样数为5,微透镜个数为34×34,原始参考图及得到的光场采样图像如图6(a)、(b)所示,参考光谱图、光场重聚焦得到的模糊切片以及经过光谱解耦算法得到的光谱复原图如图7所示。
图 6 (a)原始参考图,(b)光场采样仿真图
Figure 6. (a) Original reference image , (b) Light field sampling simulation diagram
高光谱图像的重建结果质量评价可以从空间维和光谱维两个方面进行。对于空间维,光谱解耦复原图相较于光场重聚焦的混叠切片图,清晰度有明显的提升,与参考图相比复原内容基本一致。在空间维,计算PSNR,410 ~550 nm这八个波段经过平移后的复原结果的PSNR值分别为:39.995 1、46.867 2、39.820 3、47.634 5、47.349 9、45.107 7、46.178 3、44.577 1。平均PSNR值均值超过44.69 dB,空间分辨率得到明显提升。
对于光谱维,绘制光谱曲线,观察利用参考图像与重构图像绘制的光谱曲线的变化趋势和拟合程度。如图8所示选取A、B、C、D,4个点,分别表示屋顶、飞机、柏油路、草地。绘制的4个目标点的光谱曲线如图9所示。
可以看到,复原结果中所选目标区域的光谱曲线和参考图的光谱曲线的变化趋势基本一致,细节上存在细微的差异,光谱一致性达到了90%以上。可以说明,通过光场重聚焦技术及光谱解耦技术的仿真及实验验证,新型高光谱衍射计算成像探测技术可同时实现二维空间信息和一维光谱信息的同步获取,并能做到高精度的光场重构和光谱解耦。
A new deep space hyperspectral diffraction computational imaging detection technology(Invited)
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摘要:
光谱成像技术是深空探测领域的重要技术手段,可服务于多种空间科学实验。针对深空探测领域对光谱载荷的高稳定性、高光利用率的需求,提出一种新型深空高光谱衍射计算成像探测技术,将衍射光谱成像技术和光场成像技术结合,解决衍射光谱推扫成像系统中探测器需要大范围扫描问题,实现一次拍照获取目标空间信息和光谱信息,即快照式成像。这对未来深空探测高光谱成像仪的设计和研究具有指导意义。
Abstract:Spectral imaging technology is an important technical means in the field of deep space exploration and can serve a variety of space scientific experiments. Aiming at the demand of high stability and high light utilization of spectral loads in the field of deep space exploration, a new deep space hyperspectral diffraction computational imaging detection technology was proposed . Combining diffraction spectrum imaging technology and light field imaging technology to solve the problem of large-scale scanning of the detector in the diffraction spectrum push-broom imaging system, and one shot was realized to obtain the target spatial information and spectral information, that is, snapshot imaging. This has guiding significance for the design and research of deep space exploration hyperspectral imagers.
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