CN104977084A - 一种提高aotf成像空间分辨率和光谱分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及AOTF光谱成像技术领域，涉及一种提高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的方法；提出一种采用多次迭代去逼近真值的优化算法，在某波长下，将CCD成像的每个象元得到的光强减去由于光谱和衍射角展宽的干扰光，从而获得光强真值，该真值是经过多次迭代获得，因此方法将AOTF获得的二维图像和一维光谱的数据立方经过多次迭代来提高最终的成像空间分辨率和光谱分辨率；首先对AOTF衍射角展宽进行测量，然后对AOTF衍射光谱展宽进行测量，经过上述两者的测量得出衍射效率η(x_i+m,y_j,λ_k,mdλ)；通过AOTF光谱成像获得被测目标在CCD的象元(x_i,y_j)探测的光强I⁰(x_i,y_j,λ_k)；通过公式进行多次迭代；本发明主要应用在AOTF光谱成像方面。

Description

一种提高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的方法

技术领域

本发明涉及AOTF光谱成像技术领域，更具体而言，涉及一种提高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的方法，是一种根据AOTF衍射特点采用多次迭代优化算法提高AOTF空间分辨率和光谱分辨率的方法。

背景技术

声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)与传统分光元件相比，具有体积小、调谐速度快、光谱范围宽、衍射效率高等优点。近年来，基于AOTF的成像光谱技术越来越受到研究者的关注。基于AOTF的成像光谱仪已经在遥感、环境监测、生物医学和食品检测中得到应用。而AOTF成像光谱***的空间分辨率和光谱分辨率的高低直接影响着AOTF光谱成像性能的优劣。

现有的AOTF成像光谱***中为消除图像的漂移现象，在AOTF出射面多采用光楔和棱镜补偿的方式消除漂移。但是此方法只考虑了AOTF滤光后主峰中心波长的色散带来的图像偏移现象，没有考虑AOTF滤光后光谱存在旁瓣和一定的展宽，也就是AOTF衍射中还存在衍射角和波长的展宽，这样将导致AOTF在衍射方向的成像空间分辨率较低，并且也导致光谱分辨率下降。

发明内容

针对现有AOTF光谱成像测量中由于衍射后存在光谱展宽和衍射角展宽导致衍射方向成像空间分辨率下降及光谱分辨率下降，根据衍射后光谱展宽和衍射角展宽一一对应关系，提出一种采用多次迭代去逼近真值的优化算法，在某波长下，将CCD成像的每个象元得到的光强减去由于光谱和衍射角展宽的干扰光，从而获得光强真值，该真值是经过多次迭代获得，因此方法将AOTF获得的二维图像和一维光谱的数据立方经过多次迭代来提高最终的成像空间分辨率和光谱分辨率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种提高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的方法，包括下述步骤：

a、首先对AOTF衍射角展宽进行测量，然后对AOTF衍射光谱展宽进行测量，经过上述两者的测量得出衍射效率η(x_i+m,y_j,λ_k,mdλ)；

b、通过AOTF光谱成像获得被测目标在CCD的象元(x_i,y_j)探测的光强I⁰(x_i,y_j,λ_k)；

c、通过公式进行多次迭代，所述公式为：

$I^n(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)=\frac{I^0(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)-\underset{\begin{array}{c}m=-M\\ m\≠0\end{array}}{\overset{M}{\Σ}}\mathrm{\η}(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k,md\mathrm{\λ})I^{n-1}(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k+md\mathrm{\λ})}{\mathrm{\η}(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k,0)}$

上式中，Iⁿ(x_i,y_j,λ_k)为第n次迭代时，(x_i,y_j)处波长为λ_k时的光强；I⁰(x_i,y_j,λ_k)为上述b步骤中探测的光强；η(x_i+m,y_j,λ_k,mdλ)为峰值波长为λ_k时，目标(x_i+m,y_j)经过AOTF后波长为λ_k+mdλ的衍射效率，由上述a步骤中测量获得；I^n-1(x_i+m,y_j,λ_k+mdλ)为第n-1次迭代时，(x_i+m,y_j)处波长为λ_k+mdλ时的光强；η(x_i,y_j,λ_k,0)为峰值波长为λ_k时，目标(x_i,y_j)经过AOTF后波长为λ_k的衍射效率；

迭代次数停止条件为：

$\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_k={\mathrm{\λ}}_{N1}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{N2}}{\Σ}}\underset{y_j=y_{N1}}{\overset{y_{N2}}{\Σ}}\underset{x_i=x_{N1}}{\overset{x_{N2}}{\Σ}}\left|\frac{I^n(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)-I^{n-1}(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)}{I^n(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)}\right|}{(x_{N2}-x_{N1})(y_{N2}-y_{N1})\[({\mathrm{\λ}}_{N2}-{\mathrm{\λ}}_{N1})/({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_{k-1})\]}\≤\mathrm{\σ}$

上式中，σ为迭代中前后两次各象元探测强度的平均变化率；

(x_N2～x_N1)(y_N2～y_N1)(λ_N2～λ_N1)为数据立方块；

其中，数据立方块(x_N2～x_N1)(y_N2～y_N1)(λ_N2～λ_N1)选择有明显明暗变化的区域，并且(x_N2～x_N1)(y_N2～y_N1)(λ_N2～λ_N1)和σ应根据实际中测量精度和运算时间的要求进行选择。

所述a步骤中对AOTF衍射角展宽进行测量具体为：将白光光源、分光仪、CCD相机依次排列，所述分光仪中依次排列有带有狭缝的毛玻璃、平行光管、AOTF和望远镜，所述分光仪中还设置有刻度盘，白光光源照射在带有狭缝的毛玻璃上，由平行光管将狭缝的光变为平行光，并进入被测AOTF中，AOTF衍射后的光再由望远镜将其成像于CCD相机上。

所述刻度盘的最小角度测量精度为1'＝(1/60)°，所述CCD相机的分辨率为640×480Pix，角度测量***的角度测量精度可以达到0.0015°。

所述a步骤中对AOTF衍射光谱展宽进行测量是采用高光谱分辨率的光谱仪测量。

所述b步骤中将前置光学***、AOTF、后置光学***和AOTF光谱成像CCD相机依次排列进行测量。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

该方法通过多次迭代优化处理AOTF成像光谱数据立方，提高AOTF成像的空间分辨率和光谱分辨率；

该方法采用分光仪和CCD结合的角度测量***来测量AOTF衍射角展宽，角度测量精度可达0.0015°，并且采用高光谱分辨率的光谱仪测得AOTF衍射光谱测展宽，获得AOTF衍射角展宽和衍射光谱展宽的对应关系；

该方法测量AOTF衍射角展宽和衍射光谱展宽时，对应一个AOTF只需一次完整的测量后，在后续使用中只需调用即可，无需重复测量；

该方法也无需改***件设备，只需对后续的数据进行优化处理即可。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的流程图；

图2为AOTF衍射角展宽测量装置结构图；

图3为本发明中AOTF光谱成像结构图；

图4为CCD象元探测实际光强示意图；

图5为多次迭代AOTF光谱成像数据立方示意图；

图6a为实施例中水平狭缝CCD成像图；

图6b为实施例中竖直狭缝CCD成像图；

图6c为实施例中水平狭缝与竖直狭缝成像带宽对比图；

图7a为当超声驱动频率f_a＝110MHz时，衍射角展宽测量结果图；

图7b为当超声驱动频率f_a＝110MHz时，衍射光谱展宽测量结果图；

图8a为n＝0时，竖直狭缝的CCD成像图；

图8b为n＝5时，竖直狭缝的CCD成像图；

图8c为水平狭缝的CCD成像图；

图8d为图8a、图8b和图8c的狭缝成像带宽对比图。

图中:1为白光光源、2为分光仪、3为CCD相机、4为带有狭缝的毛玻璃、5为平行光管、6为AOTF、7为望远镜、8为刻度盘、9为前置光学***、10为后置成像光学***、11为AOTF光谱成像CCD相机。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，对于在AOTF每一个中心峰值波长滤光下，首先对AOTF衍射角展宽测量S101，并对AOTF衍射光谱展宽测量S102，获得AOTF衍射角展宽与衍射光谱展宽的对应关系，为后续的数据处理提供必要的参数；将AOTF光谱成像S103CCD获得的数据通过计算机多次迭代优化处理S104，最终实现高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的目的。

由于AOTF中的超声换能器为矩形结构，这样将导致超声进入声光晶体时存在声波衍射，因此导致超声波失方向存在一定展宽，并且不同方向上的超声声压不同。根据AOTF动量匹配条件，超声波失方向的展宽将导致衍射光谱的展宽，并且超声波声压的不同将导致衍射光谱展宽后不同光的衍射效率不同。

本实施方式中的AOTF出射面已采用光楔方式消除了图像漂移。

如图2所示，AOTF衍射角展宽测量S101包括白光光源1、分光仪2和CCD相机3，白光光源1照射在分光仪2前端带有狭缝的毛玻璃4上，由平行光管5将狭缝的光变为平行光，并进入被测AOTF6中，AOTF6衍射后的光再由望远镜7将其成像于CCD相机3上。分光仪2的刻度盘8最小的角度测量精度为1'＝(1/60)°，CCD相机3的分辨率是640×480Pix，CCD相机3固定在望远镜7的后端。当转动望远镜7使狭缝像的中心极大位置从CCD相机3的最左侧移动到最右侧，对应分光仪2转过的刻度为58'，因此该角度测量***的角度测量精度可以达到58'/480≈0.0015°，该测量测得的是AOTF6外的衍射角展宽，并不是AOTF6晶体内的衍射角展宽。当然，如果CCD相机3中采用象元尺寸更小的CCD测量，角度测量精度会更高。

AOTF衍射光谱展宽测量S102采用高光谱分辨率的光谱仪测得。本实施方式中采用光谱分辨率为0.25nmλ＝600nm的光纤光谱仪。

AOTF衍射角展宽测量S101和AOTF衍射光谱展宽测量S102中是以波长为0.1nm间隔设置AOTF扫频间隔，测量光谱范围为450nm-700nm。

CCD相机3获得同一宽度的水平狭缝和竖直狭缝的像对比如图6a和图6b，提取图6a的第300列和图6b的第250行对比狭缝成像展宽，水平狭缝与竖直狭缝成像宽带比较如图6c所示，由图6c可以看出，与水平狭缝成像相比，竖直狭缝成像不仅存在旁瓣，而且主极大的宽带也较水平狭缝宽，也就是在AOTF衍射方向存在展宽，在AOTF超声驱动频率f_a＝120MHz时，竖直狭缝成像主极大的半峰宽是水平狭缝成像的3.5倍。

AOTF衍射角展宽测量S101与AOTF衍射光谱展宽测量S102对比结果如图7a和图7b所示。当超声驱动频率f_a＝110MHz时，衍射角展宽测量结果如图7a所示，衍射光谱展宽测量结果如图7b所示，由图7a和图7b可知，衍射角展宽与衍射光谱展宽基本吻合，包括特征光谱也能很好吻合，如图7a和图7b椭圆区域。

AOTF衍射角展宽测量S101和AOTF衍射光谱展宽测量S102，主要是为获得每个AOTF滤光下AOTF衍射角展宽与衍射光谱展宽的对应关系，为后续的多次迭代提供必要的参数。虽然AOTF衍射角展宽测量S101和AOTF衍射光谱展宽测量S102比较复杂，数据量大，但是对于一个AOTF6来说，只需要一次全面的测量，在后续的光谱成像中只需直接应用这些参数即可。

如图3所示，AOTF光谱成像S103包括前置光学***9、AOTF6、后置成像光学***10和成像的AOTF光谱成像CCD相机11。为了便于比较，AOTF光谱成像S103所有的光学***采用AOTF衍射角展宽测量S101的光学***相同，并且波长间隔为0.1nm，测量光谱范围为550nm-700nm，但是采用与AOTF衍射角展宽测量S101不同的白光光源。

如图4所示，当AOTF6设置的滤光波长为λ_k时，如果AOTF6是理想光谱成像，应该是AOTF光谱成像CCD相机11的象元与空间目标是一一对应关系，即CCD的象元(x_i,y_j)探测光强为空间目标(x_i,y_j)处波长为λ_k的光强；但是由于AOTF6衍射角和衍射光存在展宽，因此AOTF6设置的滤光波长为λ_k时，CCD的象元(x_i,y_j)探测到的光强I⁰(x_i,y_j,λ_k)为：

$I^0(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)=\mathrm{\η}(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k,0)I(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)+\underset{\begin{array}{c}m=-M\\ m\≠0\end{array}}{\overset{M}{\Σ}}\mathrm{\η}(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k,md\mathrm{\λ})I(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k+md\mathrm{\λ})---\left(1\right)$

其中，I(x_i,y_j,λ_k)是目标(x_i,y_j)处波长为λ_k时的真实光强；η(x_i+m,y_j,λ_k,mdλ)是峰值波长为λ_k时，目标(x_i+m,y_j)经过AOTF6后波长为λ_k+mdλ的衍射效率。

因此，目标(x_i,y_j)处的真实的强度I(x_i,y_j,λ_k)为：

$I(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)=\frac{I^0(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)-\underset{\begin{array}{c}m=-M\\ m\≠0\end{array}}{\overset{M}{\Σ}}\mathrm{\η}(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k,md\mathrm{\λ})I(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k+md\mathrm{\λ})}{\mathrm{\η}(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k,0)}---\left(2\right)$

其中，I⁰(x_i,y_j,λ_k)可由AOTF光谱成像CCD相机11获得，η(x_i+m,y_j,λ_k,mdλ)可通过AOTF衍射角展宽测量S101和AOTF衍射光谱展宽测量S102获得，由(2)式可知，要得到真实的强度I(x_i,y_j,λ_k)还需要知道I(x_i+m,y_j,λ_k+mdλ)，而I(x_i+m,y_j,λ_k+mdλ)需要多次迭代去逼近。

如图5所示，具体推导如下：

$I^n(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)=\frac{I^0(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)-\underset{\begin{array}{c}m=-M\\ m\≠0\end{array}}{\overset{M}{\Σ}}\mathrm{\η}(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k,md\mathrm{\λ})I^{n-1}(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k+md\mathrm{\λ})}{\mathrm{\η}(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k,0)}---\left(3\right)$

其中，Iⁿ(x_i,y_j,λ_k)为第n次迭代时，(x_i,y_j)处波长为λ_k时的光强；I(x_i+m,y_j,λ_k+mdλ)采用前一次的I^n-1(x_i+m,y_j,λ_k+mdλ)代替，通过多次迭代去逼近。其中M和dλ的取值与AOTF光谱成像中的光谱间隔(λ_k+1-λ_k)、衍射角展宽和后置成像光学***10的焦距f有关。迭代次数停止条件根据实际要求合理选择，如下式:

$\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_k={\mathrm{\λ}}_{N1}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{N2}}{\Σ}}\underset{y_j=y_{N1}}{\overset{y_{N2}}{\Σ}}\underset{x_i=x_{N1}}{\overset{x_{N2}}{\Σ}}\left|\frac{I^n(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)-I^{n-1}(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)}{I^n(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)}\right|}{(x_{N2}-x_{N1})(y_{N2}-y_{N1})\[({\mathrm{\λ}}_{N2}-{\mathrm{\λ}}_{N1})/({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_{k-1})\]}\≤\mathrm{\σ}---\left(4\right)$

其中(4)式等号右边表示迭代中前后两次各象元探测强度的平均变化率，其值会随着迭代次数的增加越来越小，因此σ选择越小，计算结果越精确，但运算也就越大；其中(x_N2～x_N1)*(y_N2～y_N1)*(λ_N2～λ_N1)为选择迭代次数停止条件的数据立方块，其越大越精确，但运算量越大；在选择(x_N2～x_N1)*(y_N2～y_N1)时应选择有明显变化的区域。因此，(x_N2～x_N1)*(y_N2～y_N1)*(λ_N2～λ_N1)和σ应根据实际要求合理选择。本实施方式中迭代停止条件选为：x_N1＝250,x_N2＝390,y_N1＝220,x_N2＝260,λ_N1＝550nm,λ_N2＝620nm,σ＝0.00001。最终的实验结果对比如图8所示，由图8可看出，多次迭代以后竖直狭缝像与水平狭缝像的带宽基本相同，这将提高AOTF成像空间分辨率。根据(3)式可知，由于该多次迭代优化算法减去了衍射光谱展宽的影响，因此AOTF的光谱分辨率也得到了提高。

Claims (5)

1.一种提高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的方法，其特征在于，包括下述步骤：

a、首先对AOTF衍射角展宽进行测量，然后对AOTF衍射光谱展宽进行测量，经过上述两者的测量得出衍射效率η(x_i+m,y_j,λ_k,mdλ)；

b、通过AOTF光谱成像获得被测目标在CCD的象元(x_i,y_j)探测的光强I⁰(x_i,y_j,λ_k)；

c、通过公式进行多次迭代，所述公式为：

$I^n(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)=\frac{I^0(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)-\underset{\begin{array}{c}m=-M\\ m\≠0\end{array}}{\overset{M}{\Σ}}\mathrm{\η}(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k,md\mathrm{\λ})I^{n-1}(x_{i+m},y_j,{\mathrm{\λ}}_k,md\mathrm{\λ})}{\mathrm{\η}(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k,0)}$

上式中，Iⁿ(x_i,y_j,λ_k)为第n次迭代时，(x_i,y_j)处波长为λ_k时的光强；I⁰(x_i,y_j,λ_k)为上述b步骤中探测的光强；η(x_i+m,y_j,λ_k,mdλ)为峰值波长为λ_k时，目标(x_i+m,y_j)经过AOTF后波长为λ_k+mdλ的衍射效率，由上述a步骤中测量获得；I^n-1(x_i+m,y_j,λ_k+mdλ)为第n-1次迭代时，(x_i+m,y_j)处波长为λ_k+mdλ时的光强；η(x_i,y_j,λ_k,0)为峰值波长为λ_k时，目标(x_i,y_j)经过AOTF后波长为λ_k的衍射效率；

迭代次数停止条件为：

$\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_k={\mathrm{\λ}}_{N1}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{N2}}{\Σ}}\underset{y_j=y_{N1}}{\overset{y_{N2}}{\Σ}}\underset{x_i=x_{N1}}{\overset{x_{N2}}{\Σ}}\left|\frac{I^n(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)-I^{n-1}(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)}{I^n(x_i,y_j,{\mathrm{\λ}}_k)}\right|}{(x_{N2}-x_{N1})(y_{N2}-y_{N1})\[({\mathrm{\λ}}_{N2}-{\mathrm{\λ}}_{N1})/({\mathrm{\λ}}_k-{\mathrm{\λ}}_{k-1})\]}\≤\mathrm{\σ}$

上式中，σ为迭代中前后两次各象元探测强度的平均变化率；

(x_N2～x_N1)(y_N2～y_N1)(λ_N2～λ_N1)为数据立方块；

其中，数据立方块(x_N2～x_N1)(y_N2～y_N1)(λ_N2～λ_N1)选择有明显明暗变化的区域，并且(x_N2～x_N1)(y_N2～y_N1)(λ_N2～λ_N1)和σ应根据实际中测量精度和运算时间的要求进行选择。

2.根据权利要求1所述的一种提高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的方法，其特征在于，所述a步骤中对AOTF衍射角展宽进行测量具体为：将白光光源(1)、分光仪(2)、CCD相机(3)依次排列，所述分光仪(2)中依次排列有带有狭缝的毛玻璃(4)、平行光管(5)、AOTF(6)和望远镜(7)，所述分光仪(2)中还设置有刻度盘(8)，白光光源(1)照射在带有狭缝的毛玻璃(4)上，由平行光管(5)将狭缝的光变为平行光，并进入被测AOTF(6)中，AOTF(6)衍射后的光再由望远镜(7)将其成像于CCD相机(3)上。

3.根据权利要求2所述的一种提高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的方法，其特征在于：所述刻度盘(8)的最小角度测量精度为1'＝(1/60)°，所述CCD相机(3)的分辨率为640×480Pix，角度测量***的角度测量精度可以达到0.0015°。

4.根据权利要求1所述的一种提高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的方法，其特征在于，所述a步骤中对AOTF衍射光谱展宽进行测量是采用高光谱分辨率的光谱仪测量。

5.根据权利要求1所述的一种提高AOTF成像空间分辨率和光谱分辨率的方法，其特征在于，所述b步骤中将前置光学***(9)、AOTF(6)、后置光学***(10)和AOTF光谱成像CCD相机(11)依次排列进行测量。