一種基于dmd的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀及光譜重建方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀及光譜重建方法。本發(fā)明使用數(shù)字微鏡器件實(shí)現(xiàn)阿達(dá)瑪變換編碼模板，從而代替常規(guī)掃描色散型光譜儀的入射狹縫，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)空間的調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)色散得到目標(biāo)光譜像；使用阿達(dá)瑪變換矩陣的逆矩陣作用于色散光譜數(shù)據(jù)矩陣，獲得重建后的目標(biāo)場(chǎng)景光譜數(shù)據(jù)矩陣。本發(fā)明提高了光譜儀工作效率，解決了傳統(tǒng)狹縫光譜儀在光源能量較弱和光線較弱的情況下難以獲得高分辨率、高信噪比的目標(biāo)場(chǎng)景光譜數(shù)據(jù)的問題。
【專利說明】—種基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀及光譜重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜測(cè)量和光譜成像的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀及光譜重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]成像光譜儀用于探測(cè)目標(biāo)的兩維空間信息與一維光譜信息，然后形成三維的數(shù)據(jù)立方體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)特性的綜合探測(cè)與識(shí)別。光探測(cè)器最多只能探測(cè)二維信號(hào)，想要獲得三維的數(shù)據(jù)立方體，就必須采用掃描技術(shù)或者多通道探測(cè)技術(shù)。目前，成像光譜儀已廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)研究、環(huán)境及安全監(jiān)測(cè)、生態(tài)研究、空間探測(cè)研究等領(lǐng)域。
[0003]傳統(tǒng)的常規(guī)掃描色散型光譜儀，一般由望遠(yuǎn)物鏡、狹縫、準(zhǔn)直物鏡、光柵、成像物鏡和CCD相機(jī)組成。由于采用單狹縫結(jié)構(gòu)，使得它沒有擺脫單純的接收，獲取光譜信息的狀態(tài)，對(duì)有用的光譜信號(hào)、背景信號(hào)及干擾信號(hào)無法進(jìn)行有效區(qū)分，因此分辨能力差，信噪比低。鑒于以上缺點(diǎn)，劉佳等在《光譜學(xué)與光譜分析[J]》.2012，32 (6)發(fā)表的“雙色散二維阿達(dá)瑪變換光譜儀” 一文中，對(duì)二維光譜進(jìn)行阿達(dá)瑪調(diào)制后聚焦，實(shí)現(xiàn)多通道探測(cè)，采用阿達(dá)瑪模板對(duì)入射信進(jìn)行調(diào)制，多次測(cè)量后通過阿達(dá)瑪解碼把測(cè)得的調(diào)制信號(hào)還原成入射信號(hào)。此方法在一定程度上降低了噪聲影響，提高了信噪比。但此方法仍采用單狹縫入射，而光譜分辨率取決于入射狹縫的寬度，為保證光譜分辨率要采用細(xì)窄狹縫，極大限制了光能利用率，在弱光條件下應(yīng)用有限；并且一次測(cè)量只能獲得一條帶的光譜，工作效率低。
[0004]簡(jiǎn)言之，現(xiàn)有基于狹縫的成像光譜儀存在工作效率低，在弱光條件下信噪比差、光譜分辨率低等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀及光譜重建方法，提高了光譜儀工作效率，解決了傳統(tǒng)狹縫光譜儀在光源能量較弱和光線較弱的情況下難以獲得高分辨率、高信噪比的目標(biāo)場(chǎng)景光譜數(shù)據(jù)的問題。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀，包括望遠(yuǎn)物鏡、反射鏡、數(shù)字微鏡器件、準(zhǔn)直鏡、光柵、成像物鏡、CCD相機(jī)；反射鏡的反射面與望遠(yuǎn)物鏡的光軸成45°角，數(shù)字微鏡器件的有效平面與反射鏡的反射面成45°角，準(zhǔn)直鏡的光軸與從數(shù)字微鏡器件反射的光的光軸平行，光柵和成像物鏡都與準(zhǔn)直鏡平行放置。
[0007]本發(fā)明還提出一種使用基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀進(jìn)行光譜重建的方法，通過調(diào)整數(shù)字微鏡器件上微鏡的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)η個(gè)阿達(dá)瑪變換編碼模板的變換，在CXD相機(jī)上獲得η幅色散后的目標(biāo)光譜像；根據(jù)目標(biāo)光譜像按行對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景每一行像元依次進(jìn)行光譜重建，獲得目標(biāo)場(chǎng)景完整的光譜；目標(biāo)場(chǎng)景第j行像元的光譜重建方法包括以下步驟:
[0008]步驟一、取每一幅目標(biāo)光譜像數(shù)據(jù)矩陣中的第j行數(shù)據(jù)組成目標(biāo)場(chǎng)景第j行像元通過數(shù)字微鏡器件后的色散光譜矩陣Qj ；
[0009]步驟二、將在數(shù)字微鏡器件中生成阿達(dá)瑪變換編碼模板的S矩陣的逆矩陣S—1作用于色散光譜矩陣Qr獲得目標(biāo)場(chǎng)景第j行像元的光譜數(shù)據(jù)矩陣測(cè)量值巧'
[0010]步驟三、根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)景每一行的光譜數(shù)據(jù)矩陣測(cè)量值重建目標(biāo)光譜。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于:(1)本發(fā)明利用阿達(dá)瑪變換編碼模板對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行調(diào)制后色散成像，這種組合測(cè)量的方式不僅增加了光通量，而且能大大提高信噪比，在微弱光譜的分析中有顯著的作用；(2)本發(fā)明同一時(shí)間間隔可檢測(cè)多個(gè)單元的信號(hào)總強(qiáng)度，從而提高了工作效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中使用本發(fā)明以及傳統(tǒng)放入單狹縫成像光譜儀測(cè)得汞燈光譜曲線的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]一、基于DMD (數(shù)字微鏡器件)的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀
[0015]本發(fā)明基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀，如附圖1所示，包括望遠(yuǎn)物鏡1、反射鏡2、數(shù)字微鏡器件3、準(zhǔn)直鏡4、光柵5、成像物鏡6、CXD相機(jī)7 ;反射鏡2的反射面與望遠(yuǎn)物鏡I的光軸成45°角，數(shù)字微鏡器件3的有效平面與望遠(yuǎn)物鏡I的光軸平行放置，數(shù)字微鏡器件3的有效平面與反射鏡2的反射面成45°角，準(zhǔn)直鏡4的光軸與從數(shù)字微鏡器件3反射的光的光軸平行，光柵5和成像物鏡6都與準(zhǔn)直鏡4平行放置，CXD相機(jī)7平面與望遠(yuǎn)物鏡I光軸成20°角，與成像物鏡6光軸成70°角放置。
[0016]空間目標(biāo)發(fā)出的光通過望遠(yuǎn)物鏡I匯聚到達(dá)反射鏡2，經(jīng)過反射鏡2反射后照射在數(shù)字微鏡器件3上的有效區(qū)域，部分光通過數(shù)字微鏡器件3上的微鏡反射到準(zhǔn)直鏡4，經(jīng)準(zhǔn)直鏡4準(zhǔn)直后平行入射到光柵5上，經(jīng)光柵5色散的光通過成像物鏡6匯聚到CXD相機(jī)7上形成目標(biāo)光譜像。在此過程中，通過調(diào)整數(shù)字微鏡器件3上微鏡的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)η個(gè)阿達(dá)瑪變換編碼模板的變換，在CCD上獲得η幅色散后的目標(biāo)光譜像。
[0017]阿達(dá)瑪變換編碼模板代替狹縫的原理
[0018]數(shù)字微鏡器件(DMD)是一種由若干極小反射鏡(即微鏡)空間組合而成的光電器件，微鏡的偏轉(zhuǎn)由數(shù)字集成電路控制，可產(chǎn)生±12°的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)編碼I和O的功能。使用時(shí)，將生成的η幅阿達(dá)瑪變換編碼模板錄入到數(shù)字微鏡器件開發(fā)套件，數(shù)字集成電路根據(jù)η幅阿達(dá)瑪變換編碼模板對(duì)應(yīng)位置處的灰度值依次控制數(shù)字微鏡器件中各個(gè)微鏡的偏轉(zhuǎn)，灰度值為I處，微鏡偏轉(zhuǎn)到+12°，將空間目標(biāo)光反射到后續(xù)檢測(cè)光路中，相當(dāng)于通過狹縫；灰度值為O處，微鏡偏轉(zhuǎn)到-12°，將空間目標(biāo)光反射到后續(xù)檢測(cè)光路外，相當(dāng)于被狹縫阻擋。這樣，根據(jù)η幅阿達(dá)瑪變換編碼模板，控制數(shù)字微鏡器件上的微鏡進(jìn)行η次偏轉(zhuǎn)，在CCD相機(jī)上可以采集到η幅目標(biāo)光譜像。
[0019]阿達(dá)瑪變換原理:
[0020]在稱重設(shè)計(jì)中，組合式的稱重方法可以提高測(cè)量精度。阿達(dá)瑪變換光譜學(xué)將稱重設(shè)計(jì)應(yīng)用在光譜學(xué)中，利用組合測(cè)量的方式使得光探測(cè)器在同一時(shí)間探測(cè)多個(gè)光譜通道的光能量，從而使復(fù)原后的光譜圖像信噪比提高。在工程應(yīng)用中一般用S矩陣來實(shí)現(xiàn)阿達(dá)瑪變換。S矩陣是具有循環(huán)性的方陣，它的每一行都可以直接通過前一行元素循環(huán)左移或右移一位獲得。循環(huán)左移S矩陣的逆矩陣較循環(huán)右移S矩陣的逆矩陣更直觀簡(jiǎn)潔，利于數(shù)據(jù)的反演，因此實(shí)際應(yīng)用中一般采用循環(huán)左移S矩陣。聞鵬的中國科學(xué)院研究生院碩士學(xué)位論文《阿達(dá)瑪變換光譜儀光譜復(fù)原技術(shù)研究》在第二章第五節(jié)中介紹了 S矩陣的構(gòu)造方法(P10-12頁)，根據(jù)其介紹的二次余數(shù)(Quadratic Residue Construction)結(jié)構(gòu)構(gòu)造S矩陣。
[0021]構(gòu)造k階S矩陣的具體方法，如下例所示:
[0022]矩陣階數(shù)k = 4m-1 (m = I, 2，3…)，例如 3，7，11，19，23，31，43，47，59，67，71，79，83，103，127，131，139...
[0023]序列
【權(quán)利要求】
1.一種基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀，其特征在于，包括望遠(yuǎn)物鏡(I)、反射鏡(2)、數(shù)字微鏡器件(3)、準(zhǔn)直鏡(4)、光柵(5)、成像物鏡出)、CCD相機(jī)(7);反射鏡(2)的反射面與望遠(yuǎn)物鏡(I)的光軸成45°角，數(shù)字微鏡器件(3)的有效平面與反射鏡(2)的反射面成45°角，準(zhǔn)直鏡⑷的光軸與從數(shù)字微鏡器件(3)反射的光的光軸平行，光柵(5)和成像物鏡(6)都與準(zhǔn)直鏡(4)平行放置。
2.如權(quán)利要求1所述的基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀，其特征在于，CXD相機(jī)(7)的平面與望遠(yuǎn)物鏡(I)的光軸成20°角，與成像物鏡(6)的光軸成70°角。
3.一種使用如權(quán)利要求1所述基于DMD的空間調(diào)制阿達(dá)瑪變換光譜儀進(jìn)行光譜重建的方法，其特征在于，通過調(diào)整數(shù)字微鏡器件(3)上微鏡的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)η個(gè)阿達(dá)瑪變換編碼模板的變換，在CCD相機(jī)(7)上獲得η幅色散后的目標(biāo)光譜像；根據(jù)目標(biāo)光譜像按行對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景每一行像元依次進(jìn)行光譜重建，獲得目標(biāo)場(chǎng)景完整的光譜；目標(biāo)場(chǎng)景第j行像元的光譜重建方法包括以下步驟，j = 1，2，…m, m為目標(biāo)場(chǎng)景的行數(shù)， 步驟一、取每一幅目標(biāo)光譜像數(shù)據(jù)矩陣中的第j行數(shù)據(jù)組成目標(biāo)場(chǎng)景第j行像元通過數(shù)字微鏡器件(3)后的色散光譜矩陣Qj ； 步驟二、將在數(shù)字微鏡器件(3)中生成阿達(dá)瑪變換編碼模板的S矩陣的逆矩陣S—1作用于色散光譜矩陣Qr獲得目標(biāo)場(chǎng)景第j行像元的光譜數(shù)據(jù)矩陣測(cè)量值; 步驟三、根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)景每一行的光譜數(shù)據(jù)矩陣測(cè)量值重建目標(biāo)光譜。
4.如權(quán)利要求3所述的光譜重建方法，其特征在于，步驟一中所述色散光譜矩陣Qj的形式如公式(I)所示，
5.如權(quán)利要求3所述的光譜重建方法，其特征在于，步驟二中所述光譜數(shù)據(jù)矩陣測(cè)量值的計(jì)算方式如公式(2)所示，的形式如公式(3)所示，
6.如權(quán)利要求3所述的光譜重建方法，其特征在于，步驟三中，將步驟二獲得的目標(biāo)場(chǎng)景每一行像元的光譜數(shù)據(jù)矩陣測(cè)量值均去零移位，根據(jù)去零移位后的每一行像元的光譜數(shù)據(jù)矩陣獲得目標(biāo)場(chǎng)景每一個(gè)像元的光譜測(cè)量值。
7.如權(quán)利要求6所述的光譜重建方法，其特征在于，將步驟二獲得的目標(biāo)場(chǎng)景第j行像元的光譜數(shù)據(jù)矩陣測(cè) 量值均去零移位后獲得的第j行像元的光譜數(shù)據(jù)矩陣如公式(8)所示，
8.如權(quán)利要求7所述的光譜重建方法，其特征在于，第j行像元的光譜數(shù)據(jù)矩陣<°6的第i行表示目標(biāo)場(chǎng)景第j行中第i個(gè)像元的光譜測(cè)量值，PT'啲第i行如公式(9)所示，
c,.2 c …c,.,] (V) 公式(9)中，i = 1，2，…，n，Ci，r表示重建出的目標(biāo)場(chǎng)景第j行第i個(gè)像元在第r個(gè)波段上的光譜數(shù)據(jù)值。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK104006882SQ201410223676
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】柏連發(fā), 張毅, 韓靜, 岳江, 吉莉, 陳錢, 顧國華, 王勇 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)