CN116086610A - 一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，通过在光学系统一次成像面后增加单片无源散射滤光的反射式编码掩膜方法，实现对前置成像面的处的两维空间信息和一维光谱信息实现反射式的编码调制，通过面阵探测器单次曝光实现压缩采样，最后利用压缩感知反演算法恢复出目标的三维光谱图像信息。本发明可用于可见及红外波段的目标探测识别与抗复杂环境、人工干扰等场景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，属于多光谱成像导引技术领域。
背景技术
成像制导技术是制导体系中抗干扰性能较为优越，且可靠的一种制导方式。
成像制导一般具有制导精度高、适应能力光的先天优势，但也存在着当前成像导引头多采用宽谱成像导致目标抗背景干扰，强对抗环境适应性不足的问题。
多光谱成像探测技术主要通过获取目标与背景的谱间差异，通过物体独有的“光谱指纹”特征完成目标探测识别，因此可极大提升目标探测识别的准确性。但当前的多光谱成像存在着能力利用率不高、作用距离有限、且一般系统结构较为复杂，不利于实际工程应用等难题。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术上的不足，提出一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，通过在光学系统一次成像面后增加单片无源散射滤光的反射式编码掩膜方法，使其具备不同弹径约束下的成像导引装置适配性、提升当前多光谱成像系统探测距离、更为优异的抗复杂背景、人工诱饵干扰等能力。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，包括成像光路、单色光标定模块、计算模块；
单色光标定模块输出单色光，单色光通过放置于不同位置的所述成像光路，得到不同位置下的散斑场图像；计算模块对单色光形成的散斑场图像进行标定处理，构成测量矩阵；
目标物体光信号通过所述成像光路，生成目标物体对应的散斑场图像；
根据得到的散斑场图像及测量矩阵，计算模块计算得到目标物体的三维多光谱信息。
优选的，所述成像光路包括成像主镜、校正光阑、固定光阑、反射式相位板、汇聚透镜、成像探测器；
光信号经成像主镜一次成像后，再经过校正光阑、固定光阑后，落在反射式相位板上实现混合调制编码，编码后的光在成像探测器中形成散斑场图像。
优选的，所述反射式相位板上编码掩膜通过高斯随机表明模型进行表面分布设计。
优选的，根据设计要求，对反射式相位板进行表面加工，达到满足设计要求的表面粗糙度；再对表面进行镀膜处理。
优选的，所述单色光标定模块包括辐射源、单色仪、光源汇聚镜、针孔光阑；
所述辐射源为红外光源或黑体，利用单色仪进行单色光波的输出选择，输出的单色光波经光源汇聚镜进行汇聚后再通过针孔光阑，进入成像光路。
优选的，所述成像光路放置于电动二维位移平台上，电动二维位移平台带动成像光路移动。
一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引方法，包括：
搭建基于权利要求1所述的基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置的光路；
进行标定：单色光标定模块持续发出单色光，成像光路随机移动，得到相应位置下的散斑场分布；通过插值法，对成像主镜视场所有面元进行标定，基于所有散斑场构成测量矩阵A；
进行测量：目标物体持续发出光信号，成像光路成像面的视场区域划分为若干个面元，构成图像矢量X；探测器采集到帧图像后，随机划分探测面元，每个探测面元对应一个光强值，集合所有面元的光强值，构成探测器信号矢量Y；通过求解Y＝AX方程，得到目标的多光谱信息。
优选的，利用压缩感知信息恢复算法对所述方程进行求解，得到目标的多光谱信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供了一种基于反射式编码掩膜的多光谱成像装置与方法，相比传统分光路、滤光片或透射式编码掩膜，本发明具有更高的探测灵敏度，有效提升了系统的作用距离。
(2)本发明提出的装置及方法具有更强的抗背景干扰、红外人工干扰能力。由于系统具有单次曝光快照式多光谱成像能力，在应对高动态对抗环境下，可利用丰富的多光谱信息差异，实现目标、干扰的检测识别。
(3)本发明提出的装置结构简单且成像谱段数可灵活定制。相较于传统的复合成像、多光谱成像，本装置仅通过在成像系统中添加单片无源散射成像编码掩膜，在重量、体积上更具优势；且在完成系统集成后，可在软件层面根据确切应用场景对成像谱段数进行二次调整。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于反射式编码掩膜的多光谱成像装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于反射式编码掩膜的多光谱成像方案的高精度测量矩阵标定光路简图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提出了一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，通过在光学系统一次成像面后增加单片无源散射滤光的反射式编码掩膜方法，实现对前置成像面的处的两维空间信息和一维光谱信息实现反射式的编码调制，通过面阵探测器单次曝光实现压缩采样，最后利用压缩感知反演算法恢复出目标的三维光谱图像信息；所述多光谱成像可用于可见及红外波段的目标探测识别与抗复杂环境、人工干扰等场景。
该装置如图1所示，包括成像光路、多光谱标定模块，通过所述成像光路及后期计算模块运算获取对应的目标多光谱成像。
在本发明的一种优选实施例中，成像光路包括成像主镜、校正光阑、固定光阑、反射式相位板、汇聚透镜、成像探测器和计算模块，上述各模块依次排列。
目标物体的像经成像主镜、校正光阑、固定光阑等传输后，在一次成像面成清晰的物体像，然后落在反射式表面物体上。由于编码掩膜反射面粗糙度较高，能够对入射光实现目标混合调制编码，最终在探测器上位置形成散斑图像。由于前置成像面上各点光源可近似为空间非相干光，故这些点光源形成的散斑经由传播在探测器面上形成强度累加。待探测器图像数据采集完成后，结合标定获取的高精度测量矩阵字典信息，利用压缩感知算法便可恢复出在当前成像视场内目标的多光谱图像信息。
该导引装置采用非直接焦平面成像的计算成像模式，因此需要在研制过程中，先期完成基于反射式编码掩膜的多光谱成像高精度测量矩阵标定，获取高精度测量矩阵A。在实际成像应用场景中，焦平面探测器直接获取的成像灰度信息经处理作为观测信号y。基于以上信息，然后结合压缩感知信息恢复算法(如：贪婪算法、匹配追踪算法等)实现对目标场景的多光谱信息结算。
多光谱成像高精度测量矩阵标定方法是通过采用红外光源/高温黑体与单色仪组合的单色光标定光源模块输出的单色光，然后对发射式编码掩膜进行逐个光谱逐点标定，实现反射表面的整体无规则随机探测，测量矩阵所用的光路如图2所示：红外光源/黑体作为辐射源，利用单色仪进行单色光波段的输出选择，经过成像透镜后光汇聚在前置成像面，然后再前置成像面放置针孔光阑。
为了获取更为稳定与优质的单色光点光源，需要将后端的成像标定系统放置于电动二维位移平台上，如图2实线框内所示，平移台通过计算机控制，依次设定标定移动区域，然后依次记录下散斑场的分布。通过插值法(可减少标定时间)将前置成像面的每个面源进行标定，每副散斑场进行拉伸操作，将其变为一列元素，得到所有光谱。所有相位调制板面源的全部散斑场后，即可得到整个高精度测量矩阵。
设定如下：指定波长为λ，波段数为L，前置成像面的视场可划分为N个小面元，拉伸为一列向量后，形成图像矢量x＝(x1 x2…x L×N)T，探测器采集到一帧图像后，2#区域内随机划分为M个探测小面源，记录下每个小面元的光强和的值，形成列向量作为探测器信号矢量y＝(y1 y2…yM)T，测量矩阵为A＝(H11 H12…HM×(L×N))，则可通过建立并求解方程组，得到目标的多光谱信息。
反射式相位板的表面相位分布设计方案：由于反射式相位板的表面相位分布直接影响着成像系统的空间和光谱分辨率。因此首先需要对反射式相位板进行基于表面场分布的建模仿真，其主要技术途径是通过建立高斯随机表明模型，采用统计函数描述编码掩膜的表面高度起伏，如公式1所述:
其中，h是随机表面的高度值。ω是高度起伏的均方根值，它表征随机表面的粗糙程度。
设随机表面的高度起伏的均方根为ω，则高斯相关的随机表面的高度-高度相关函数为
H(r0,r0')＝2ω2{1-exp[-(ρ/ξ)2]}
由此得到反射式相位板的高度分布的空间统计特性。在此基础上采用部分相干光传播理论和统计光学理论，对散斑光场的传播及其空间和光谱关联特性进行计算，可以得到该系统中散斑场的空间维和光谱维的关联函数。接下来通过随机数生成的算法来构造满足上述空间统计参数的高度分布，进而完成表面分布设计。
单片无源散射滤光的反射式编码掩膜需要利用相关工艺(如传统粗糙度加工或微纳表面加工工艺)完成满足规定的表面分布及粗糙度要求的表面加工，然后通过表面镀金或镀银的方式进一步提升表面反射率；在完成编码掩膜加工及系统集成后，所述多光谱成像的光谱谱段数是可以再根据实际场景需求灵活设置。
多光谱区域成像的具体解算过程如下：前置成像面的视场区域划分为N个小面元，每个小面元对应一个光强值，将N个小面元的光强值排成一个列向量，做成图像矢量x＝(x1，x2，…xN)T，探测器2#区域随机采样M个面元，同样将M个面元组成列向量，可得y＝(y1，y2…yM)T，高精度测量矩阵A可以提前得到，故而建立关系如下：
y＝AX
展开如下：
在启动成像探测器模块之后，将目标物体光信号依次通过所述装置，获取目标物体对应的散斑场图像；计算模块，用于在利用所述散斑场图像通过计算反演实现多光谱成像。
本发明具有系统小型化与多场景适用性，具备不同弹径约束下的成像导引装置适配性；采用反射式编码掩膜的方法，提高系统通过率，从而提升当前多光谱成像系统探测距离；此外，系统能够实现多光谱成像功能，因此具有更为优异的抗复杂背景、人工诱饵干扰等能力。
以上所述，仅为本发明的实施例的具体实施方式，但本发明的实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的实施例的保护范围之内。因此，本发明的实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，其特征在于，包括成像光路、单色光标定模块、计算模块；
单色光标定模块输出单色光，单色光通过放置于不同位置的所述成像光路，得到不同位置下的散斑场图像；计算模块对单色光形成的散斑场图像进行标定处理，构成测量矩阵；
目标物体光信号通过所述成像光路，生成目标物体对应的散斑场图像；
根据得到的散斑场图像及测量矩阵，计算模块计算得到目标物体的三维多光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，其特征在于，所述成像光路包括成像主镜、校正光阑、固定光阑、反射式相位板、汇聚透镜、成像探测器；
光信号经成像主镜一次成像后，再经过校正光阑、固定光阑后，落在反射式相位板上实现混合调制编码，编码后的光在成像探测器中形成散斑场图像。
3.根据权利要求2所述的一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，其特征在于，所述反射式相位板上编码掩膜通过高斯随机表明模型进行表面分布设计。
4.根据权利要求2所述的一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，其特征在于，对所述反射式相位板进行表面加工，达到满足设计要求的表面粗糙度；再对表面进行镀膜处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，其特征在于，所述单色光标定模块包括辐射源、单色仪、光源汇聚镜、针孔光阑；
所述辐射源为红外光源或黑体，利用单色仪进行单色光波的输出选择，输出的单色光波经光源汇聚镜进行汇聚后再通过针孔光阑，进入成像光路。
6.根据权利要求1所述的一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置，其特征在于，所述成像光路放置于电动二维位移平台上，电动二维位移平台带动成像光路移动。
7.一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引方法，其特征在于，包括：
搭建基于权利要求1所述的基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引装置的光路；
进行标定：单色光标定模块持续发出单色光，成像光路随机移动，得到相应位置下的散斑场分布；通过插值法，对成像主镜视场所有面元进行标定，基于所有散斑场构成测量矩阵A；
进行测量：目标物体持续发出光信号，成像光路成像面的视场区域划分为若干个面元，构成图像矢量X；探测器采集到帧图像后，随机划分探测面元，每个探测面元对应一个光强值，集合所有探测面元的光强值，构成探测器信号矢量Y；通过求解Y＝AX方程，得到目标的多光谱信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于反射式编码掩膜的计算光谱成像导引方法，其特征在于，利用压缩感知信息恢复算法对所述方程进行求解，得到目标的多光谱信息。
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