Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой
SYSTEM FOR FORMING BROADBAND HYPERSPECTRAL IMAGE BASED ON COMPRESSIBLE PROBING WITH A RANDOM DIFFRACTION GRATING

Данное изобретение относится к системам формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования, а именно к системам формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной решеткой.
Формирование широкополосного гиперспектрального изображения - это процесс, в котором осуществляется получение двухмерной информации о пространственном изображении и одномерной информации о спектре объекта, а трехмерные данные об изображении затем собираются в формат данных, как показано на фиг. 1. Так как все известные датчики изображения являются двухмерными, существующие системы формирования широкополосного гиперспектрального изображения требуют времени для сканирования с целью получения трехмерных данных о спектральном изображении. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения захватывает широкий диапазон спектра от ультрафиолетового до среднего и дальнего инфракрасного, таким образом, необходимо обработать большое количество диапазонов и огромное количество данных. Следовательно, крайне необходимо уменьшить количество приемных устройств и времени сканирования, при этом получить высокое пространственное и спектральное разрешение.
1
2
N
Сжатое зондирование - это новейшая теория получения сигнала и его шифрования/восстановления. В широкополосном гиперспектральном методе формирования изображения данные сжимаются на этапе получения сигнала, таким образом, уменьшается количество собираемых данных, также как и количество принимаемых данных. Основной принцип заключается в следующем: должен быть принят сигнал X, имеющий длину N, и существует ортогональный базис ψ=[ψ, ψ, …, ψ] такой, что X расширяется в ортогональном базисе, то есть X=ψX', и удовлетворяет условию, что X' содержит лишь небольшое количество ненулевых элементов или значение большинства элементов в X' относительно мало по сравнению со значениями остальных элементов.
Другими словами, сигнал X разреживается или сжимается в ортогональном базисе ψ. По этому условию, матрица измерения Ф, не коррелированная с ψ, используется для измерения проекции сигнала X для получения вектора Y длиной М, то есть Y=ФψХ'. Решая задачу нелинейной оптимизации, получим
Существует высокая вероятность, что X может быть восстановлен при условии M<<N, где М - это количество точек данных, которое должно быть собрано, а N - количество выделяемых точек данных. Как видно, применение данной теории приводит к значительному уменьшению количества собираемых данных. В отличие от существующих способов получения сигнала, данный способ получения данных, основанный на вышеописанной теории, состоит из двух этапов. Первый этап - провести измерение проекции сигнала с использованием измерительного базиса, не коррелированного с базисом выражения сигнала; второй шаг - восстановление сигнала с помощью алгоритма нелинейной оптимизации. Согласно вышеописанной теории сжатого зондирования, условие сжатого сбора данных для сигнала X заключается в том, что этот сигнал X разреживается в определенном базисе ψ выражения, и что матрица измерения Ф не коррелирована с матрицей ψ выражения. Сигнал от изображения большинства объектов в природе разреживается, когда расширяется в некотором ортогональном базисе (например, базисе вейвлет-преобразования), при этом возникает большая избыточность сигнала от изображения между соседними спектральными полосами, таким образом, может быть реализовано сжатие трехмерного спектрального сигнала изображения. К тому же случайная гауссовская матрица измерения не коррелирована ни с одним ортогональным базисом, тем самым она представляет собой подходящую матрицу измерения. Вышеуказанные сведения могут служить теоретической основой для применения сжатого зондирования к формированию широкополосного гиперспектрального изображения.
Основываясь на теории сжатого зондирования, группа Баранюка, Университет Райса, США, получает изображение с помощью «однопиксельной камеры, работающей по методике сжатого зондирования». Для получения двухмерного изображения объекта используется камера только с одним фоточувствительным элементом, выполняющая многократные измерения. С помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD) свет попадает в некоторые точки пространства, в то время как теряется в других, таким образом реализуется случайная пространственная модуляция амплитуды в пространственном изображении регистрируемого объекта, затем выполняется измерение проекции данных, содержащих информацию о двухмерном сигнале пространственного изображения предмета в некоррелированном случайном измерительном базисе, при этом производится регистрация результатов измерения проекции с помощью одноэлементного приемника, и наконец изображение восстанавливается с помощью нелинейного алгоритма оптимизации. Сочетая однопиксельную камеру с классической системой спектрометра, например, состоящей из дифракционной решетки или объектива и фоточувствительной линейки, можно получить спектральное изображение. Так как возможность передачи участков спектра ограничена размером фоточувствительного материала, трудно применить методику сжатого зондирования для получения изображения в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах. При этом в системе формирования изображения, основанной на амплитудной модуляции, будет потеряна половина энергии, и, как следствие, энергетическая эффективность системы будет низкой.
Группа Бреди из Университета Дьюка, США, сочетает сжатое зондирование с получением спектрального изображения с целью формирования сжатого спектрального изображения путем псевдо-однократного экспонирования с применением амплитудной маски. Сначала изображение получают в первой плоскости изображения, при этом бинарная амплитудная маска для амплитудной модуляции изображения предмета расположена в этой плоскости изображения, затем модулированное изображение передается во вторую плоскость изображения при помощи светоделительной призмы; регистрация излучения выполняется во второй плоскости изображения с помощью матричного фотоприемника. Чтобы выполнить сжатие собираемых данных, в устройстве получения спектрального изображения общее измерение проекции выполняют только по координате спектра. По координатам пространства измерение полной проекции не выполняется, поэтому по координатам пространства собираемые данные не сжимаются. Вместе с тем, система реализует более высокое пространственное разрешение посредством передвижения амплитудной маски с описанным далее дефектом, основанным на модуляции амплитуды, и поэтому также имеет низкую энергетическую эффективность.
Группа Шенгшена Хана из Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук предлагает систему получения сжатого спектрального изображения, основанную на случайном модуляторе фазы волнового фронта. Система применяет модуляцию фазы волнового фронта со случайной выборкой для проведения случайной модуляции фазы волнового фронта на световом поле и выполняет измерение проекции в некоррелированном случайном измерительном базисе по общему количеству данных, содержащих двухмерную информацию о пространственном изображении и одномерную информацию о спектре объекта. Тем не менее, в связи с разным модулирующим воздействием случайного модулятора фазы волнового фронта на различные области спектра, ограниченными размерами принимаемых спектров и ограниченным динамическим диапазоном фотоприемника, система не может осуществить получение широкополосного гиперспектрального изображения с высоким пространственным и спектральным разрешением. К тому же, система не использует корреляцию двухмерной информации об изображении с одномерной информацией о спектре, следовательно, не выполняет сжатие данных по координате спектра.
Настоящее изобретение представляет собой систему формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе нерегулярной дифракционной решетки для получения широкополосного спектрального изображения с высоким пространственным и спектральным разрешением в диапазоне от ультрафиолетового до среднего и дальнего инфракрасного участка спектра при помощи однократного экспонирования, предназначенную для увеличения скорости регистрации излучения и чувствительности и уменьшения количества регистрирующих устройств.
Настоящее изобретение представляет собой систему формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования на основе нерегулярной дифракционной решетки, содержащей принимающую оптическую систему, светоделительную систему, два или более каналов и компьютер; каждый из каналов содержит систему переноса выходного зрачка, нерегулярную дифракционную решетку и фотоприемную систему; принимающая оптическая система и светоделительная система установлены друг за другом по ходу луча; светоделительная система делит широкополосный световой пучок на два или более канала, разделенные по участкам спектра, имеющие непрерывные спектры; система переноса выходного зрачка, нерегулярная дифракционная решетка и фотоприемная система установлены друг за другом в каждом канале; каждая фотоприемная система соединена с компьютером; система переноса выходного зрачка каждого канала расположена в плоскости изображения объектива по ходу луча от принимающей оптической системы; нерегулярная дифракционная решетка каждого канала расположена в плоскости изображения выходного зрачка принимающей оптической системы по ходу луча от системы переноса выходного зрачка канала; фотоприемная система каждого канала находится за нерегулярной дифракционной решеткой канала.
В настоящем изобретении принимающая оптическая система представляет собой систему телескопа, фотоаппарата или микроскопа.
В настоящем изобретении светоделительная система представляет собой дихроичный светоделитель или полосовой фильтр.
В настоящем изобретении система переноса выходного зрачка каждого канала представляет собой линзовую оптическую систему.
В настоящем изобретении фотоприемная система каждого канала включает в себя систему увеличения изображения и фотоприемник, а фотоприемник каждого канала устанавливается в плоскости изображения системы увеличения изображения, расположенной в этом канале.
В настоящем изобретении фотоприемник представляет собой ПЗС-матрицу из случайно расположенных фотоприемных элементов.
В настоящем изобретении для разных спектральных областей для каждого канала выбираются разные нерегулярные дифракционные решетки и фотоприемники с соответствующими параметрами.
В настоящем изобретении дихроичный светоделитель или полосовой фильтр разделяет широкополосное световое поле в диапазоне от ультрафиолетового до среднего и дальнего инфракрасного участков спектра на несколько пучков лучей с непрерывными спектрами в спектральном измерении. Нерегулярная дифракционная решетка осуществляет случайную модуляцию фазы волнового фронта светового поля, с одной стороны, создавая случайное распределение интенсивности излучения на поверхности фотоприемника, с другой стороны, создавая дисперсию в спектральном измерении. Каждый столбец матрицы измерения системы соответствует спекл-полю, полученному от узкополосного точечного источника с определенной центральной длиной волны, находящегося в определенном месте в плоскости предмета. Из-за случайного распределения интенсивности излучения, полученной после нерегулярных дифракционных решеток, матрица измерения будет случайной матрицей. Спекл-поля, формируемые разными узкополосными точечными источниками, находящимися в разных положениях в плоскости предмета или имеющими разные центральные длины волн, являются некоррелированными, соответственно, разные столбцы матрицы измерения будут некоррелированными. Следовательно, нормирующая система данной системы удовлетворяет условию сжатого зондирования. С точки зрения предстоящего получения данных, система осуществляет получение данных в два этапа.
Первый этап - это калибровка системы: измерение проекции в некоррелированном случайном измерительном базисе выполняется на общем количестве данных, содержащих двухмерную информацию о пространственном изображении и одномерную информацию о спектре объекта; результаты измерения проекции регистрируются на фотоприемнике, таким образом, получают калибровочную матрицу системы.
Второй этап - это восстановление данных: для восстановления трехмерной информации о спектральном изображении рассматриваемого объекта из полученных сигналов используют корреляцию между соседними спектрами и применяют алгоритмы линейной и нелинейной оптимизации.
Система настоящего изобретения обычно содержит принимающую оптическую систему, более одного светоделителя, систему переноса выходного зрачка в каждом канале, нерегулярную дифракционную решетку в каждом канале, систему увеличения изображения в каждом канале, фотоприемник в каждом канале и компьютер.
Принимающая оптическая система служит для получения изображения объекта в первой плоскости изображения в каждом канале.
Для разделения широкополосного спектра на несколько отдельных световых лучей с непрерывным спектром используются более одного светоделителя. Каждый канал имеет нерегулярную дифракционную решетку и фотоприемник, подходящие для данной области спектра, для того чтобы увеличить пространственное разрешение, спектральное разрешение и обнаружительную способность системы формирования изображения. К тому же, светоделительная система позволяет достичь высокого отношения сигнал/шум в нескольких спектрах, таким образом увеличивается качество формирования спектрального изображения.
Система переноса выходного зрачка в каждом канале используется для получения на нерегулярной дифракционной решетке изображения выходного зрачка принимающей оптической системы, поэтому все световые поля от различных направлений падения проходят через центр нерегулярной дифракционной решетки канала, выполняя расширения поля изображения.
Нерегулярная дифракционная решетка каждого канала выполняет случайную модуляцию фазы волнового фронта и дисперсию светового поля распространяющихся в канале спектров, идущих из плоскости изображения, поэтому световое поле распространяющихся в канале спектров, идущих из точки в плоскости изображения, создает спекл-поле с относительно высоким контрастом в области пространства за нерегулярной дифракционной решеткой. Так как световые поля на плоскости изображения пространственно не когерентны, распределение интенсивности излучения во всей плоскости фоточувствительного элемента будет представлять собой суперпозицию интенсивностей спекл-полей, сформированных излучением, идущим из разных точек в плоскости предмета. В соответствии с разными диапазонами спектров в качестве нерегулярных дифракционных решеток подбираются устройства с подходящими для этого участка спектра параметрами. Например, в качестве нерегулярной дифракционной решетки в видимом или ближнем инфракрасном спектрах крупнозернистое матовое стекло с малой шероховатостью. Для работы в среднем и дальнем инфракрасном спектре в качестве нерегулярной дифракционной решетки подходит мелкозернистое матовое стекло с большой шероховатостью. В то же время, в качестве нерегулярной дифракционной решетки должны выбираться подходящие материалы с высоким пропусканием в используемой области спектра.
Система увеличения изображения каждого канала создает изображение спекл-поля, выходящего из области, расположенной на заданном расстоянии от нерегулярной дифракционной решетки данного канала, на фотоприемнике этого канала и изменяет размер полученного изображения спекл-поля.
Настоящее изобретение позволяет получить следующие технические результаты.
1. Настоящее изобретение предлагает систему формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования. Настоящее изобретение производит фазовую модуляцию с помощью нерегулярной дифракционной решетки и выполняет измерение проекции по трехмерным данным о спектральном изображении (двухмерная информация о пространственном изображении и одномерная информация о спектре) объекта в некоррелированном случайном измерительном базисе для осуществления сжатого получения данных о трехмерном спектральном изображении. На этапе модуляции в системе не происходит потерь энергии излучения, и эта система будет более энергетически эффективной по сравнению с системой формирования изображения на основе сжатого зондирования с амплитудной модуляцией. По сравнению с системой формирования изображения на основе сжатого зондирования со случайной пространственной фазовой модуляцией, данная система осуществляет сжатое получение данных об изображении по координате спектра, поэтому будет уменьшено количество получаемых данных и снижены требования к количеству пикселей и времени измерения приемника. К тому же, дисперсия светового поля, возникающая на нерегулярной дифракционной решетке, увеличит спектральное разрешение системы.
2. Система переноса выходного зрачка, используемая в системе, значительно расширяет поле изображения системы. Система переноса выходного зрачка в каждом канале формирует изображение выходного зрачка принимающей оптической системы на нерегулярной дифракционной решетке, поэтому все световые поля от различных направлений падения проходят через центр нерегулярной дифракционной решетки, таким образом, расширится поле изображения, не увеличивая при этом количество фоточувствительных пикселей.
3. Система принимает информацию о широкополосном спектральном изображении за одно измерение, тем самым сильно сокращая время приема и значительно улучшая пространственное и спектральное разрешение. Светоделительная система позволяет нерегулярной дифракционной решетке и фотоприемнику оптимизировать спектральное изображение в каждом канале и увеличить обнаружительную способность, пространственное и спектральное разрешение системы, тем самым осуществляя получение широкополосного гиперспектрального изображения.
На фиг. 1 показан формат данных, принимаемых при получении спектрального изображения. Каждый кубик на фиг. 1 обозначает точку данных; координаты (x, y) обозначают пространственное положение; λ обозначает длину волны.
На фиг. 2 показана структура первого варианта реализации системы формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования по данному изобретению.
На фиг. 3 показана структура второго варианта реализации системы формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования по данному изобретению.
Для обозначения элементов структуры на чертежах применяются следующие номера позиций:
1 - принимающая оптическая система; 2 и 2' - дихроичные светоделители; 3, 3' и 3'' - система переноса выходного зрачка; 4, 4' и 4'' - нерегулярная дифракционная решетка; 5, 5' и 5'' - фотоприемники; 6 - компьютер; 7, 7' и 7'' - системы увеличения изображения; 21 - плоскость предмета; 22 - выходной зрачок принимающей оптической системы; 23, 23' и 23'' - первая плоскость изображения; 24, 24' и 24' - плоскость регистрации.
В соответствии с фиг. 2, подробно опишем получение информации о гиперспектральном изображении системой формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования, представляющей собой настоящее изобретение. Как показано на фиг. 2, система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования по данному изобретению содержит принимающую оптическую систему 1, дихроичный светоделитель 2, систему переноса выходного зрачка 3 и 3', нерегулярные дифракционные решетки 4 и 4' и фотоприемные системы 5 и 5' в каналах а и b соответственно. Принимающая оптическая система 1 и дихроичный светоделитель 2 расположены друг за другом по ходу падающего светового луча, дихроичный светоделитель 2 разделяет широкополосный световой пучок на два отдельных спектральных канала а и b с непрерывными спектрами. Системы переноса выходного зрачка 3 или 3', нерегулярные дифракционные решетки 4 или 4', фотоприемные системы 5 или 5' расположены друг за другом в канале а или b соответственно. Фотоприемные системы 5 и 5' в каналах а и b соединены с компьютером 6. Для канала а система 3 переноса выходного зрачка расположена в плоскости 23 изображения, в которую изображается предмет 21, в канале по ходу луча от принимающей оптической системы 1; нерегулярная дифракционная решетка 4 расположена в плоскости изображения, в которую изображается выходной зрачок 22 принимающей оптической системы 1, в канале по ходу луча от системы 3 переноса выходного зрачка; фотоприемная система 5 расположена в канале следом за нерегулярной дифракционной решеткой 4 на некотором расстоянии. Для канала b система 3' переноса выходного зрачка расположена в плоскости 23' изображения, в которую изображается предмет 21, в канале по ходу луча от принимающей оптической системы 1; нерегулярная дифракционная решетка 4' расположена в плоскости изображения, в которую изображается выходной зрачок 22 принимающей оптической системы 1, в канале по ходу луча от системы 3' переноса выходного зрачка; фотоприемная система 5' расположена в канале следом за нерегулярной дифракционной решеткой 4' на некотором расстоянии.
В результате дифракции световых полей, нерегулярная дифракционная решетка 4 в канале а и нерегулярная дифракционная решетка 4' в канале b формируют несколько узкополосных точечных источников излучения от разных положений и с разными центральными длинами волн в плоскости 21 предмета на спекл-поле с относительно высоким контрастом в начальных плоскостях 24, 24' регистрации соответственно. Определенное пространственное расположение и различные длины волн соответствуют спекл-полям, коэффициент корреляции между ними уменьшается с увеличением расстояния между точечными источниками и разности между центральными длинами волн. Посредством корреляционной операции и алгоритма нелинейной оптимизации могут быть выделены разные спекл-поля. Спектральное изображение в плоскости 21 предмета может рассматриваться как суперпозиция точеных источников, находящихся в разных положениях в пространстве и имеющих разные центральные длины волн. Так как световые поля в плоскости 21 предмета не когерентны, распределение интенсивности излучения на начальной плоскости 24 или 24' регистрации будут представлять собой суперпозицию интенсивности спекл-полей, соответствующих этим различным точечным источникам. Пусть L - количество спектров широкополосного спектра, N - размер пикселя пространственного изображения предмета на одной длине волны, М - количество регистрируемых точек. Тогда полный процесс получения спектрального изображения может быть представлен в виде
где
представляющий информацию об изображении объекта в i-м спектре.
Матрица A - это матрица, содержащая М рядов и L×N столбцов, где каждый столбец представляет интенсивность излучения спекл-поля, сформированного в плоскости регистрации от узкополосного источника излучения, находящегося в определенном положении и имеющего определенную центральную длину волны в плоскости 21 предмета.
Перед формированием широкополосного гиперспектрального изображения система должна быть откалибрована, чтобы получить матрицу А. Сначала узкополосный точечный источник излучения определенной длины волны λ располагается в определенном положении (x, y) в плоскости 21 предмета, имея соответствующие значения интенсивности излучения, регистрируемые различными фотоприемными устройствами, закрепленными в плоскости регистрации в каждом канале. Значения интенсивности излучения нормализуются как столбец матрицы измерения. Распределение интенсивности излучения спекла, соответствующее определенным (x, y, λ), записывается в определенные столбцы матрицы измерения, таким образом будет получена матрица А для выполнения калибровки и измерений. В процессе измерения изображения значение интенсивности излучения, регистрируемое фотоприемными устройствами в каждом канале, будет записано в течение одной экспозиции как вектор Y. Таким образом будут получены матрицы А и Y. Используя межспектральную корреляцию световых полей и применяя алгоритм линейной или нелинейной оптимизации, выделяется информация о спектральном изображении предмета.
На фиг. 3 показан второй вариант реализации системы формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования по данному изобретению. Процессы калибровки и получения изображения в системе, показанной на фиг. 3, выполняются аналогично процессам, описанным для системы на фиг. 2. Отличие между ними состоит в том, что широкополосное световое поле разделяется в спектральном измерении на 3 отдельных световых пучка с непрерывным спектром, при этом фотоприемник 5 регистрирует изображение, полученное в начальных плоскостях 24 регистрации в канале а по ходу луча от системы 7 увеличения изображения, фотоприемник 5' регистрирует изображение, полученное в начальных плоскостях 24' регистрации в канале b по ходу луча от системы 7' увеличения изображения, и фотоприемник 5'' регистрирует изображение, полученное в начальных плоскостях 24'' регистрации в канале b по ходу луча от системы 7'' увеличения изображения.