CN111182179A - 奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***和方法 - Google Patents

奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***和方法。微透镜阵列置于光子集成回路芯片上面，微透镜阵列由传统干涉臂和新型干涉臂沿圆周间隔交替均布构成，每个传统/新型干涉臂均沿圆周的半径径向布置；新型干涉臂由奇数个透镜沿圆周的同一半径径向直线紧密排列构成，中间透镜两侧对称两个透镜配对，中间透镜不配对；成像***转角度多次成像，每次成像的频率信息重构为频谱矩阵，再融合为最终频谱矩阵，傅里叶逆变换得到目标成像结果。本发明解决了传统干涉臂只能采样到奇数倍基频的频率信息的问题，提高***的频谱径向采样率，大大提高***的成像质量，同时几乎不增加硬件成本与制造难度、不减小***成像的视场。

Description

奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***和方法
技术领域
本发明属于干涉成像领域，涉及一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***和方法。
背景技术
分段平面侦察成像***是一种新兴的能减轻成像***体积、质量与成本的干涉成像***，由三部分组成：微透镜阵列、光子集成回路芯片4和信息处理单元7。二维微透镜阵列由多个一维微透镜线阵均匀辐射状排列，一维微透镜线阵中包括多组配对的透镜；透镜对收集的光线耦合进后面的光子集成回路芯片中进行相干，由后端的信息处理单元处理相干光得到目标的空间频率信息，经过傅里叶逆变换即可得到目标的光强分布。由于该***没有传统意义上的光路，因此其体积、质量与成本会大大降低。传统分段平面成像探测***的正视图如图1所示.
传统的分段平面侦察成像***，其干涉臂上的透镜紧密排列，由此构成的基线长度只有透镜直径的奇数倍。根据干涉成像原理，一对透镜能采样到的空间频率与基线的长度成正比，因此传统***采样不到偶数倍透镜直径的基线长度对应的空间频率的信息，在一半信息丢失的情况下，***成像质量较差。
为了解决这个问题，传统的分段平面侦察成像***中使用了波导阵列光栅将接收到的光分为若干窄波段分别处理，再将各个波段的信息融合以增加采样到的空间频率信息。这是因为，一对透镜能采样到的空间频率与接收光波长呈反比。但这些窄波段的中心波长往往不是整数倍关系，而重构频谱矩阵时要求矩阵中各点对应的空间频率都为基频的整数倍，因此直接将多波段的信息融合在一起会导致重构的频谱矩阵与真实频谱矩阵之间有一定的偏差，导致成像质量变差。此外，波导阵列光栅会使***成本增加，以及波导集成度变高，***加工制造难度变大。
因此，缺少一种既能解决传统分段平面侦察成像***空间频率信息采样不足的问题又不显著增加***成本与制造难度的通用性强的解决方案。
发明内容
为了解决背景技术中传统分段平面侦察成像***存在的问题，本发明提出了一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***，解决了传统***在干涉臂方向上空间频率信息采样不足的问题，同时可提高***的频谱径向采样率，可以多次旋转采样以增加等效干涉臂数量，进而提高***的成像质量，同时几乎不增加硬件成本与制造难度、不减小***成像的视场。
本发明提出的***如下：
一、一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***：
具体实施是将新型干涉臂与传统干涉臂交替排布形成分段平面侦察成像***的新透镜分布的成像***方案，包括微透镜阵列、光子集成回路芯片和信息处理单元，微透镜阵列布置于光子集成回路芯片上面，信息处理单元布置于光子集成回路芯片下面，微透镜阵列探测接收空间光的信息，经光子集成回路芯片相干处理得到待成像目标的空间频率信息，最后由信息处理单元分析计算获得目标的成像结果；微透镜阵列包括传统干涉臂和新型干涉臂，微透镜阵列是由传统干涉臂和新型干涉臂沿圆周间隔交替均布构成，每个传统干涉臂/新型干涉臂均沿圆周的半径径向布置；新型干涉臂是由奇数个透镜沿圆周的同一半径径向直线紧密排列构成，直线上位于中间的透镜两侧以位于中间的透镜为中心对称分布的两个透镜相配对，位于中间的透镜不与其他透镜配对。
本发明的新型干涉臂结构及其构成的微透镜阵列布置，使得***连续多次采集不同干涉臂方向上连续整数倍基频的频率信息重构后逆变换得到的目标成像结果的最终成像质量大幅提高。
所述的传统干涉臂和新型干涉臂中最靠近微透镜阵列中心的透镜均位于同一圆周。
所述的新型干涉臂的透镜数量比传统干涉臂的透镜数量更多。
所述的传统干涉臂和新型干涉臂接收空间光中的频率信息，新型干涉臂中央不配对的一片透镜接收空间光中的零频信息。
所述的传统干涉臂是由偶数个透镜沿圆周的同一半径径向直线紧密排列构成，直线上位于中间处两侧以位于中间处为中心对称分布的两个透镜相配对。
传统的微透镜阵列是由多个传统干涉臂沿圆周间隔均布构成，每个传统干涉臂沿圆周的半径径向布置。
具体实施中，成像***拥有37条新型干涉臂与37条传统干涉臂，新型干涉臂有129个透镜，关于中央透镜对称的两个透镜配对构成基线。传统干涉臂有128个透镜，关于干涉臂中央对称的两个透镜配对构成基线，所有干涉臂使用相同的透镜，其通光口径为1mm，焦距为5mm，透镜之间紧密排列。
二、一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像方法：
采用权利要求1所述的成像***，将成像***绕光轴旋转相同的角度θ多次采集成像，每旋转一次采集成像一次，每次采集成像获得固定方向上连续整数倍基频的频率信息，由此实现多个不同干涉臂方向连续整数倍基频的频率信息采集，再将每次采集成像的频率信息重构为频谱矩阵，频率信息为重构频谱矩阵中的一个元素，将各次采集成像的的重构频谱矩阵融合为一个最终频谱矩阵，再对最终频谱矩阵做傅里叶逆变换得到目标成像结果。
所述的整数倍基频的频率信息具体为只接收到了单波长(例如1400nm)的信息，或者将不同波长分开为多个单波长处理。
所述的每次绕光轴旋转的相同角度θ为：
Figure BDA0002289367020000031
其中，n为采集成像的次数，m为成像***具有的干涉臂数量。
所述的重构频谱矩阵中，干涉臂上的基线采样到的信息在重构频谱矩阵中相对于矩阵中心的坐标Δu、Δv为公式计算，干涉臂上的基线为干涉臂上配对的一对透镜中心的连线：
Figure BDA0002289367020000032
其中，Δu、Δv分别表示重构频谱矩阵的横向和纵向的坐标偏移量；L为基线长度，d为透镜直径，ω为该干涉臂所在直线与微透镜阵列的水平方向之间的夹角。
所述的将各次采集成像的重构频谱矩阵融合一个最终频谱矩阵，具体为：若最终频谱矩阵一格元素处在至少一次采集成像的重构频谱矩阵对应相同位置元素处有频谱信息，则取所有对应位置处有的频谱信息进行算术平均作为最终频谱矩阵中的该格元素的值；若最终频谱矩阵一格元素处在只有一次采集成像的重构频谱矩阵对应相同位置元素处有频谱信息，则取该频谱信息作为最终频谱矩阵中的该格元素的值；若最终频谱矩阵一格元素处没有一次采集成像的重构频谱矩阵对应相同位置元素处有频谱信息，则最终频谱矩阵的该格元素的值取为零。
本仿真例融合后的最终频谱矩阵如图14所示，由最终频谱矩阵通过傅里叶逆变换反演出的成像结果如图15所示。
由此，本发明设置的干涉臂总数量为偶数，并且相邻干涉臂上的透镜数量呈奇偶交替分布。拥有偶数透镜的干涉臂的结构与传统干涉臂相同，透镜配对方式也相同；拥有奇数透镜的干涉臂在传统干涉臂中间增加了一片透镜以采集零频信息，关于该透镜对称的两个透镜进行配对。这样，两种干涉臂的基线长度交错分布，采集到的频率信息刚好互补。
传统的分段平面侦察成像***，其干涉臂上的透镜紧密排列，由此构成的基线长度只有透镜直径的奇数倍。根据干涉成像原理，一对透镜能采样到的空间频率与基线的长度成正比，因此传统***采样不到偶数倍透镜直径的基线长度对应的空间频率的信息，在一半信息丢失的情况下，***成像质量较差。本发明针对该问题在传统***的基础上，构建了新型干涉臂，其基线长度为透镜直径的偶数倍，再将新旧两种干涉臂交替排布构成新型的分段平面侦察成像***。发明的主要思路是利用两种干涉臂采样互补的空间频率信息，再利用旋转成像并将结果融合的做法来弥补每种干涉臂数量相比之前减半带来的干涉臂方向不足而导致的空间频率欠采样问题。利用本发明分段平面侦察成像***获取图像的流程图如图6所示。
本发明分段平面侦察成像***的优点是：
本发明分段平面侦察成像***同时具有透镜直径奇数倍与偶数倍长度的基线，可以采样传统***缺失的空间频率信息，提升***的成像质量。
本发明分段平面侦察成像***几乎不增加***的制造成本与加工难度，同时适用性强，可以做成任何规模大小。
本发明分段平面侦察成像***可以通过旋转多次成像并融合的方式提高***的等效干涉臂数量，进而提高***的成像质量，相当于牺牲***的实时性，换取***的高成像质量。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明的上述和其他方面、特点和优点将被更清楚地理解，其中：
图1为传统分段平面侦察成像***的正视图；
图2为本发明提出的新型干涉臂结构与透镜配对示意图；
图3为本发明提出的分段平面侦察成像***整体圆盘结构示意图；
图4为本发明提出的分段平面侦察成像***的正视图；
图5为本发明提出的分段平面侦察成像***使用的干涉臂内部结构示意图；
图6为本发明分段平面侦察成像***成像过程的流程图；
图7为本发明仿真例中被用作模拟待成像目标的图像；
图8为本发明仿真例中将获得的空间频率信息重构频谱矩阵方法的示意图；
图9为本发明仿真例中重构出的频谱矩阵图；
图10为本发明仿真例中由旋转前单次采样获得的频谱矩阵反演出的目标成像结果；
图11为本发明仿真例中改良***绕中心光轴旋转的示意图；
图12为本发明仿真例中由旋转后获得的空间频率信息重构出的频谱矩阵图；
图13为本发明仿真例中由旋转后单次采样获得的频谱矩阵反演出的目标成像结果；
图14为本发明仿真例中将旋转前后获得的空间频率信息融合后重构出的频谱矩阵图；
图15为本发明仿真例中由旋转前后信息融合获得的频谱矩阵反演出的目标成像结果；
图16为本发明仿真例中采用相同数量干涉臂与透镜的传统光电侦查分段平面成像探测***的成像结果。
图中：1、传统干涉臂，2、新型干涉臂，3、透镜线阵，4、光子集成回路芯片，5、波导阵列光栅，6、相位补偿器，7、信息处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图5所示，具体实施包括微透镜阵列、光子集成回路芯片4和信息处理单元7，微透镜阵列布置于光子集成回路芯片4上面，信息处理单元布置于光子集成回路芯片4下面，微透镜阵列探测接收空间光的信息，经光子集成回路芯片相干处理得到待成像目标的空间频率信息，最后由信息处理单元分析计算获得目标的成像结果；微透镜阵列是由传统干涉臂1和新型干涉臂2沿圆周间隔交替均布构成，是将新型干涉臂2与传统干涉臂1交替排布形成分段平面侦察成像***的新透镜分布的成像***方案，传统干涉臂和新型干涉臂接收空间光中的频率信息，新型干涉臂中央不配对的一片透镜接收空间光中的零频信息。
传统干涉臂是由偶数个透镜沿圆周的同一半径径向直线紧密排列构成，直线上位于中间处两侧以位于中间处为中心对称分布的两个透镜相配对。传统的微透镜阵列是由多个传统干涉臂沿圆周间隔均布构成，每个传统干涉臂沿圆周的半径径向布置。
如图3所示，每个传统干涉臂1/新型干涉臂2均沿圆周的半径径向布置；新型干涉臂2是由奇数个透镜沿圆周的同一半径径向直线紧密排列构成，直线上位于中间的透镜两侧以位于中间的透镜为中心对称分布的两个透镜相配对，位于中间的透镜不与其他透镜配对。
传统干涉臂和新型干涉臂中最靠近微透镜阵列中心的透镜均位于同一圆周。新型干涉臂的透镜数量比传统干涉臂的透镜数量更多。
具体实施中，成像***拥有37条新型干涉臂与37条传统干涉臂，新型干涉臂有129个透镜，关于中央透镜对称的两个透镜配对构成基线。传统干涉臂有128个透镜，所有干涉臂使用相同的透镜，其通光口径为1mm，焦距为5mm，透镜之间紧密排列。
图5给出了分段平面侦察成像***使用的干涉臂内部具体结构的示意图，干涉臂顶部为接收光线用的透镜线阵3；其下方为光子集成回路芯片4，上面集成了波导阵列光栅5、光波导以及相位补偿器6。透镜线阵3收集到的光信息经过波导阵列光栅5分成若干个窄谱段(每个窄谱段都可视作单波长，若透镜线阵3收集到的只有单波长的光信息，则此时波导阵列光栅5不起作用，相当于光波导)，光波导用来传输光信号，负责将构成基线的一对透镜接收到的光线经波导阵列光栅5分光后的同一窄谱段耦合进同一个信息处理单元7，波导上的相位补偿器6负责调制进入信息处理单元7的两光线的相位差，使其满足相干条件；最下面是信息处理单元7，负责对进入其内的光信号进行处理以得到成像目标的空间频率信息。
下面利用计算机仿真算法模拟奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***的单次成像与旋转多次成像并融合的结果。***的结构参数如下：成像距离900公里，工作波长1400nm，干涉臂数量74条(新型干涉臂37条，传统干涉臂37条)，相邻两条干涉臂之间的夹角相同，传统干涉臂上有128个透镜，透镜紧密排列，新型干涉臂上有129个透镜，透镜也紧密排列，所有干涉臂使用的透镜一样，其通光口径为1mm，焦距为5mm。然而，本发明可以适用于许多不同的结构参数，而不应被解释为限于这里所阐述的仿真例。上述不同的结构参数包括不同成像距离、工作波长，而不限于仿真例中的对地遥感与近红外成像。上述不同的结构参数还包括不同数量的干涉臂、不同数量的透镜(只要满足每一类干涉臂都是奇数、两类干涉臂数量相同、传统干涉臂有偶数片透镜、新型干涉臂比传统干涉臂多一片透镜即可)，而不限于仿真例使用的***结构参数。
本发明仿真例如下：
以图7中的景物为模拟待成像目标执行本发明示例性仿真例的改良***模拟成像，其成像流程参照图6，***结构图参照图5。具体仿真步骤为：
1)读入图7所示图像作为模拟物面，用每个像素点的灰度值的平方根A作为该点发出光线的振幅，再随机赋予每个像素点初相位
Figure BDA0002289367020000061
作为待成像目标上某点发出的光线E：
Figure BDA0002289367020000071
2)依照上述结构参数确定***的工作波长、成像距离与旋转次数，这里以旋转一次为例。接下来依照上述结构参数确定***的物理模型，构建用来接收光线的透镜阵列。在与水平面夹角为β的干涉臂上，从最靠近微透镜阵列中心的透镜开始数的第k个透镜中心相对微透镜阵列中心的横纵坐标x、y由下式计算得出：
Figure BDA0002289367020000072
其中，d为透镜直径(通光口径)，R为微透镜阵列中央没有透镜的空洞部分的半径，R可以由下式计算得出：
Figure BDA0002289367020000073
其中，d为透镜直径(通光口径)，γ为相邻两干涉臂所在的经过微透镜阵列中心的直线所成的角度。
3)将模拟物面发出的光线自由传播到***的透镜阵列，阵列中中心坐标为x0,y0的透镜接收到来自物面坐标为p0,q0的光线E0表达式为：
Figure BDA0002289367020000074
其中，λ为物面发出光线的波长，z为物面到微透镜阵列的距离。光线经信息处理单元7处理后得到待成像目标的空间频率信息
Figure BDA0002289367020000075
4)将空间频率信息重构为频谱矩阵，示意图如图8所示，与水平面呈θ角度的干涉臂上长度为L的基线获得的空间频率信息将被安置在频谱矩阵中由公式3计算出的坐标的格点处。图9为重构完毕的频谱矩阵。
5)将步骤4)得到的频谱矩阵进行傅里叶逆变换反演出目标的成像结果，如图10所示。
6)利用公式1计算***需要绕中心光轴旋转的角度θ＝3.9度，并将***顺时针旋转3.9度并再次获取空间频率信息。***旋转的示意图如图11所示，旋转后获取的空间频率信息如图12所示，利用旋转后获取的空间频率信息反演出的成像结果如图13所示。
7)将旋转前后分别获取的空间频率信息融合在同一个矩阵内，具体做法如下：若矩阵某个格点处在旋转前与旋转后都有空间频率信息，则取二者的算术平均填入矩阵；若矩阵某个格点处在旋转前或旋转后有空间频率信息，则取该空间频率信息直接填入矩阵；若矩阵某个格点在旋转前后都无信息，则该点值为零。本仿真例融合后的频谱矩阵如图14所示，由该矩阵反演出的成像结果如图15所示。
具体实施，作为对比，采用相同数量干涉臂与透镜和传统方法的分段平面侦察成像***对图7景物的成像结果如图16所示。
对比图10、图15与图16可知，提出的新型分段平面侦察成像***可以取得比传统***更好的成像质量，同时旋转一次再成像并融合的结果比单次成像得到的结果更好，可见本发明提出的新型分段平面侦察成像***的成像质量有了明显大幅度的提高。

Claims (10)

1.一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***，包括微透镜阵列、光子集成回路芯片和信息处理单元，微透镜阵列布置于光子集成回路芯片上面，信息处理单元布置于光子集成回路芯片下面；微透镜阵列包括传统干涉臂(1)，其特征在于：微透镜阵列还包括新型干涉臂(2)，微透镜阵列是由传统干涉臂(1)和新型干涉臂(2)沿圆周间隔交替均布构成，每个传统干涉臂(1)/新型干涉臂(2)均沿圆周的半径径向布置；新型干涉臂(2)是由奇数个透镜沿圆周的同一半径径向直线紧密排列构成，直线上位于中间的透镜两侧以位于中间的透镜为中心对称分布的两个透镜相配对，位于中间的透镜不与其他透镜配对。
2.根据权利要求1所述的一种奇偶透镜线阵交替分布的的分段平面侦察成像***，其特征在于：所述的传统干涉臂和新型干涉臂中最靠近微透镜阵列中心的透镜均位于同一圆周。
3.根据权利要求1所述的一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***，其特征在于：所述的传统干涉臂和新型干涉臂接收空间光中的频率信息，新型干涉臂中央不配对的一片透镜接收空间光中的零频信息。
4.根据权利要求1所述的一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***，其特征在于：所述的传统干涉臂是由偶数个透镜沿圆周的同一半径径向直线紧密排列构成，直线上位于中间处两侧以位于中间处为中心对称分布的两个透镜相配对。
5.根据权利要求1所述的一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像***，其特征在于：传统的微透镜阵列是由多个传统干涉臂沿圆周间隔均布构成，每个传统干涉臂沿圆周的半径径向布置。
6.一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像方法，其特征在于：
采用权利要求1所述的成像***，将成像***绕光轴旋转相同的角度θ多次采集成像，每次采集成像获得连续整数倍基频的频率信息，再将每次采集成像的频率信息重构为频谱矩阵，将各次采集成像的的重构频谱矩阵融合为一个最终频谱矩阵，再对最终频谱矩阵做傅里叶逆变换得到目标成像结果。
7.根据权利要求6所述的一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像方法，其特征在于：所述的整数倍基频的频率信息具体为只接收到了单波长的信息，或者将不同波长分开为多个单波长处理。
8.根据权利要求6所述的一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像方法，其特征在于：所述的每次绕光轴旋转的相同角度θ为：
Figure FDA0002289367010000021
其中，n为采集成像的次数，m为成像***具有的干涉臂数量。
9.根据权利要求6所述的一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像方法，其特征在于：所述的重构频谱矩阵中，干涉臂上的基线采样到的信息在重构频谱矩阵中相对于矩阵中心的坐标Δu、Δv为公式计算，干涉臂上的基线为干涉臂上配对的一对透镜中心的连线：
Figure FDA0002289367010000022
其中，Δu、Δv分别表示重构频谱矩阵的横向和纵向的坐标偏移量；L为基线长度，d为透镜直径，ω为该干涉臂所在直线与微透镜阵列的水平方向之间的夹角。
10.根据权利要求6所述的一种奇偶透镜线阵交替分布的分段平面侦察成像方法，其特征在于：所述的将各次采集成像的重构频谱矩阵融合一个最终频谱矩阵，具体为：若最终频谱矩阵一格元素处在至少一次采集成像的重构频谱矩阵对应相同位置元素处有频谱信息，则取所有对应位置处有的频谱信息进行算术平均作为最终频谱矩阵中的该格元素的值；若最终频谱矩阵一格元素处在只有一次采集成像的重构频谱矩阵对应相同位置元素处有频谱信息，则取该频谱信息作为最终频谱矩阵中的该格元素的值；若最终频谱矩阵一格元素处没有一次采集成像的重构频谱矩阵对应相同位置元素处有频谱信息，则最终频谱矩阵中的该格元素的值取为零。
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