一種基于散射介質的超分辨光譜成像系統及方法技術方案

本發明專利技術涉及一種基于散射介質的超分辨率光譜成像系統及方法。該系統包括：標定支路A、散射介質4、透鏡5、探測器6、待測支路B；標定支路A包括光源模塊1、第一準直擴束系統2和針孔3，待測支路B包括待測光源7、第二準直擴束系統8和目標9。本發明專利技術實施例首先測得光源模塊輸出不同波長時系統的點擴散函數，構建光譜點擴散函數(SPSF)，采用壓縮感知(CS)方法實現光譜重建，同時搭配合適散射平均自由程的散射介質，利用待測光源波長對應的點擴散函數對相機接收的散斑進行去卷積，可在不增加系統復雜度的前提下實現最大限度超分辨率成像。此外，本發明專利技術提出的超分辨率光譜成像系統結構簡單，易操控、元件成本低、且抗擾動能力強、適用領域廣。

【技術實現步驟摘要】
一種基于散射介質的超分辨光譜成像系統及方法
本專利技術屬于超分辨率光譜成像
，具體涉及一種基于散射介質的超分辨光譜成像系統及方法。
技術介紹
光譜成像技術由于能夠獲取目標的空間信息和光譜信息，根據物質特有的光譜特征，能夠實現對物質進行分類，目前己在民用、軍事、海洋及刑事偵查等方面取得了廣泛的應用。傳統的光譜成像技術成像光譜技術可分為三類：色散型，濾光片型和干涉型。超分辨率光譜成像方法的應用最為廣泛，它是一種色散型分光技術、包括棱鏡分光技術和光柵分光技術，其中棱鏡分光技術利用材料對不同波長的光折射率不同將復色光在主截面內散開；光柵分光技術利用衍射的原理將復色光在主截面內散開等兩種方法實現光譜重建。濾光片型成像光譜儀技術采用濾光片作為分光器件，如濾光片陣列、線性漸變濾光片、光楔濾光片等；另外還有兩種經典的調諧型濾光器，聲光可調諧濾光片(AOTF)和液晶可調諧濾光片(LCTF)。經濾光片濾光，探測器獲得的每幀圖像為準單色圖，通過變換濾光片或調諧濾光獲取完整的“數據立方”。干涉型光譜成像技術也稱為傅里葉變換光譜成像技術，對獲取的干涉強度信息，進行傅里葉變換以獲得目標的光譜信息，具有高通量、多通道以及高光譜分辨率等優點。上述方法均能實現光譜成像，但是均存在不足，例如，因為一次成像只能獲取完整三維數據立方體的一個一維或二維子集，為了獲取目標完整的光譜圖像，都需要進行時間上的掃描，如推掃、凝視掃描等，同時，隨著空間分辨率和光譜分辨率的提高，對探測器的幀頻要求也越來越高，大數量的傳輸也成了一大問題，限制了傳統超分辨率光譜成像方法的應用。隨著科技的不斷發展，新型超分辨光譜成像系統采用更復雜的光譜到空間的映射，比如將光譜信息投影為復雜的強度圖樣，同時采用光譜點擴散函數(SPSF)來儲存不同入射波長對應的點擴散函數，最后利用壓縮感知(CS)算法實現光譜重建。這種方法可以靈活的選擇分光元件，比如多模光纖、光子晶體等，但是多模光纖充當分光元件時，抗擾動能力差，對光學系統結構復雜度要求較高，不利于準確重建光譜信號；光子晶體等元件等則存在降低待測目標信號信噪比的缺點，且上述兩種分光元件均無法實現對現有系統的超分辨率成像。因此，研究一種結構簡單，易操控、元件成本低、且抗擾動能力強、適用領域廣的超分辨光譜成像系統具有重要的應用價值和前景。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出一種基于散射介質的超分辨光譜成像系統及方法，以實現結構簡單、易操作、高穩定性、低成本、適用范圍廣的超分辨率光譜成像技術，推進光學光譜成像技術的發展。為實現上述目的，本專利技術采取的技術方案為：本專利技術的一個實施例提供了一種基于散射介質的超分辨光譜成像系統及方法，包括：標定支路(A)、待測支路(B)、散射介質(4)、透鏡(5)及探測器(6)；所述散射介質(4)、所述透鏡(5)及所述探測器(6)依次串行連接；其中，在光源標定階段，所述散射介質(4)與所述標定支路(A)連接，用于接收由所述標定支路(A)產生的點光源標定信號并對所述點光源標定信號進行編碼處理形成第一光束；在采集階段，所述散射介質(4)與所述待測支路(B)連接，用于接收由所述待測支路(B)產生的待測信號光并對所述待測信號光進行編碼處理形成第二光束；所述透鏡(5)用于對所述第一光束或所述第二光束進行成像，形成散斑圖；所述探測器(6)用于接收所述散斑圖。在本專利技術的一個實施例中，所述光源模塊(1)和所述待測光源(7)均為非相干光光源，且所述待測光源(7)的光譜范圍包含于所述光源模塊(1)的光譜范圍。在本專利技術的一個實施例中，所述標定支路(A)包括光源模塊(1)、第一準直擴束系統(2)和針孔(3)，所述光源模塊(1)、所述第一準直擴束系統(2)和所述針孔(3)依次串行連接且所述針孔(3)與所述散射介質(4)連接。在本專利技術的一個實施例中，所述待測支路(B)包括待測光源(7)、第二準直擴束系統(8)和目標(9)，所述待測光源(7)、第二準直擴束系統(8)和目標(9)依次串行連接且所述目標(9)與所述散射介質(4)連接。在本專利技術的一個實施例中，所述第一準直擴束系統(2)與所述第二準直擴束系統(8)結構相同，均包括第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，所述第一透鏡、所述第二透鏡和所述第三透鏡的光軸重合。在本專利技術的一個實施例中，所述光源模塊(1)、所述待測光源(7)均位于所述第一透鏡的焦距處。在本專利技術的一個實施例中，所述散射介質(4)為各向同性介質。在本專利技術的一個實施例中，所述散射介質為厚度為80±25微米的氧化鋅。本專利技術的另一個實施例提供了一種基于散射介質的超分辨光譜成像方法，適用于上述任一實施例提供的超分辨光譜成像系統，其中，所述方法包括：步驟1：搭建標定支路；步驟2：對光源模塊的光譜范圍進行掃描以得到系統的光譜點擴散函數；步驟3：搭建待測支路；步驟4：采集待測光源下攜帶目標信息的散斑圖；步驟5：將所述待測支路中的目標替換為所述標定支路的針孔，測量所述待測光源下系統的第一點擴散函數；步驟6：根據壓縮感知理論對所述光譜點擴散函數進行光譜重建，并利用所述散斑圖和所述第一點擴散函數進行去卷積操作以實現對目標的成像。在本專利技術的一個實例中，在步驟1之前，還包括：步驟X：根據攜帶目標信息的所述待測光源的光譜范圍及光譜分辨率確定所述光源模塊待標定的光譜范圍及步長；相應地，步驟2包括：步驟21：根據所述步長，調整所述光源模塊，使其依次輸出以步長為間隔的中心波長；步驟22：使用探測器對每個中心波長的光對應的強度分布圖進行采集，得到不同中心波長的第二點擴散函數；步驟23：將不同中心波長的所述第二點擴散函數組合形成所述光譜點擴散函數。與現有技術相比，本專利技術的技術優勢為：1.本專利技術提出的超分辨光譜成像系統只需要對光源模塊進行一次光譜點擴散函數標定，可實現待測光源對不同成像目標同時進行光譜測量及目標成像。2.本專利技術提出的超分辨光譜成像系統的光譜分辨率在一定范圍內隨著散射介質散射平均自由程的增大而增大，加入散射介質后，增大了系統的成像分辨率，實現了超分辨率光譜成像。3.本專利技術提出的超分辨光譜成像系統結構簡單、操作簡易、穩定性高、元件成本低、適用范圍廣。4.本專利技術提出的超分辨光譜成像系統可實現對標定光源模塊的光譜范圍的任意波段的待測光源進行超分辨率成像。附圖說明圖1為本專利技術實施例提供的一種基于散射介質的超分辨光譜成像系統的結構示意圖；圖2為本專利技術實施例提供的一種基于散射介質的超分辨光譜成像方法的示意圖；圖3為本專利技術實施例提供的另一種基于散射介質的超分辨光譜成像方法的示意圖；圖4為本專利技術實施例提供的一種光譜點擴散函數形成方法的示意圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術做進一步詳細的描述，但本專利技術的實施方式不限于此。實施例一請參見圖1，圖1為本專利技術實施例提供的一種基于散射介質的超分辨光譜成像系統的結構示意圖。該超分辨光譜成像系統包括標定支路A、待測支路B、散射介質4、透鏡5及探測器6。其中，標定支路A包括光源模塊1、第一準直擴束系統2及針孔3，待測支路B包括待測光源7、第二準直擴束系統8及目標9。光源模塊1通過第一準直擴束系統2后經過針孔3后，變為點光源，再經過散射介質4進行編碼，透鏡5進行成像，依據探測器6采集到的散斑，可以測量得到光源模塊1不同波長下的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于散射介質的超分辨光譜成像系統，其特征在于，包括：標定支路(A)、待測支路(B)、散射介質(4)、透鏡(5)及探測器(6)；所述散射介質(4)、所述透鏡(5)及所述探測器(6)依次串行連接；其中，在光源標定階段，所述散射介質(4)與所述標定支路(A)連接，用于接收由所述標定支路(A)產生的點光源標定信號并對所述點光源標定信號進行編碼處理形成第一光束；在采集階段，所述散射介質(4)與所述待測支路(B)連接，用于接收由所述待測支路(B)產生的待測信號光并對所述待測信號光進行編碼處理形成第二光束；所述透鏡(5)用于對所述第一光束或所述第二光束進行成像，形成散斑圖；所述探測器(6)用于接收所述散斑圖。

【技術特征摘要】
1.一種基于散射介質的超分辨光譜成像系統，其特征在于，包括：標定支路(A)、待測支路(B)、散射介質(4)、透鏡(5)及探測器(6)；所述散射介質(4)、所述透鏡(5)及所述探測器(6)依次串行連接；其中，在光源標定階段，所述散射介質(4)與所述標定支路(A)連接，用于接收由所述標定支路(A)產生的點光源標定信號并對所述點光源標定信號進行編碼處理形成第一光束；在采集階段，所述散射介質(4)與所述待測支路(B)連接，用于接收由所述待測支路(B)產生的待測信號光并對所述待測信號光進行編碼處理形成第二光束；所述透鏡(5)用于對所述第一光束或所述第二光束進行成像，形成散斑圖；所述探測器(6)用于接收所述散斑圖。2.根據權利要求1所述的超分辨光譜成像系統，其特征在于，所述光源模塊(1)和所述待測光源(7)均為非相干光光源，且所述待測光源(7)的光譜范圍包含于所述光源模塊(1)的光譜范圍。3.根據權利要求1所述的超分辨光譜成像系統，其特征在于，所述標定支路(A)包括光源模塊(1)、第一準直擴束系統(2)和針孔(3)，所述光源模塊(1)、所述第一準直擴束系統(2)和所述針孔(3)依次串行連接且所述針孔(3)與所述散射介質(4)連接。4.根據權利要求3所述的超分辨光譜成像系統，其特征在于，所述待測支路(B)包括待測光源(7)、第二準直擴束系統(8)和目標(9)，所述待測光源(7)、第二準直擴束系統(8)和目標(9)依次串行連接且所述目標(9)與所述散射介質(4)連接。5.根據權利要求4所述的超分辨光譜成像系統，其特征在于，所述第一準直擴束系統(2)與所述第二準直...

【專利技術屬性】
技術研發人員：宮睿，王劍南，朱磊，劉杰濤，郭成飛，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61