CN118244505A - 一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置及方法，包括以下步骤：光源，沿光源的光路依次设置的成像目标、分布式孔径、衍射光栅以及成像设备，其中，光源投射到成像目标上并以反射的方式成像在分布式孔径上得到编码图像，衍射光栅获取编码图像后成像在成像设备上得到增强图像，其中，所述衍射光栅将编码图像分解不同波长的成分并以不同的角度衍射到成像设备中进行成像。本方案通过易获取的光源和无需标定的***以单次曝光的方式对图像进行高速采集从而获取高质量的图像。

Description

一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置及方法

技术领域

本申请涉及光学空间遥感领域，特别是涉及一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置及方法。

背景技术

随着光学、遥感测绘等一系列技术的不断发展，遥感技术已经被广泛应用于天文探测、遥感测绘、气象观测和军事领域，它目前是人类通过自身科学技术获得空天信息的一种重要的技术手段和方式。在已经应用和发展的众多天文和空间领域的遥感器中，光学空间遥感器始终都是最主要的一类空间遥感器，人们使用卫星上搭载的空间探测器来实现对于地球表面的物体测量，这种观测方式速度最快、视野更广、覆盖范围更大，它可以实现全球覆盖，而且在时间上可以做到全天候无间断监控。

根据物理光学的基础理论，传统光学成像***角分辨率受波长和孔径的限制。根据瑞利准则，在特定的工作环境下，工作波长一定，只有通过增大光学***的孔径才可以提高***的分辨率。目前，在实际工作条件下，为了克服大口径光学器件的加工困难等问题，人们提出了合成孔径光学***，该***能够采用一定数量的小孔径等效合成大孔径***，以此方式来突破传统的单一孔径***，从而能够有效地提高***的分辨率。

但目前主流的合成孔径光学***方案均存在一定的限制与缺陷。例如，在环形合成孔径的方案中，需要定制加工特殊的衍射光学元件(Diffractive Optical Element,DOE)，该器件的加工成本费用昂贵，并且在使用前需要预先标定，而且环形合成孔径方案的***鲁棒性差，抗扰动能力弱，此外，每个子孔径需要定制消相差的透镜且子孔径的相位调制期间指向方向需要精确校准；在双孔开闭序列成像(滑轨式)的方案中，需要精确的运动控制***且图像需要多次采集，不仅如此方案还需需要较高的存储带宽并仅能实现较低的时间分辨率；而在宽幅时间强度干涉测量的方案中，其***对于能量的利用率极低，无法支持带宽太大的光源，且需要一定的时间相干性。

综上所述，目前市面上主流的合成孔径光学***的使用条件都较为苛刻且获得的图像分辨率低难以满足空间遥感的需求。

发明内容

本方案提供了一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置及方法，通过易获取的光源和无需标定的***以单次曝光的方式对图像进行高速采集从而获取高质量的图像。

第一方面，本申请实施例提供了一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置，包括：

沿光路依次设置的分布式孔径阵列，多模光纤，衍射光栅以及成像设备，其中分布式孔径阵列耦合成像目标反射的光线得到耦合光，耦合光入射多模光纤被随机调制得到调制光，调制光经过衍射光栅衍射得到不同波段的光场空间，不同波段的光场空间以不同强度分布的形式被成像设备记录为增强图像。

第二方面，本申请实施例提供了宽光谱的单曝光合成孔径成像增强方法，包括采用光源照射成像目标，采用任一所述的宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置采集增强图像；对增强图像利用自相关算法和相位恢复算法进行图像重建得到重建目标。

本发明的主要贡献和创新点如下：

本方案在光学合成孔径***中引入了光学领域的波前调制器-衍射光栅，使用衍射光栅将入射的宽光谱光线进行不同波段的光场空间的分离，得到的不同波段的光线互相干涉进而起到了增强被测目标图像的效果；且由于本方案无需使用窄带光源，使用更容易获取的白光光源即可对图像进行增强以满足对采集图像的强度分布质量要求，故在很大程度上降低了该光学合成孔径装置的布设成本，同时扩大了该光学合成孔径***的应用范围；另外，本方案使用自相关算法与相位恢复算法对相机拍摄到的图像分布进行重建，算法实现简单且无需对装置进行标定。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置的结构示意图；

图中，1-光源，2-成像目标，3-公布式孔径，4-多模光纤，5-衍射光栅，6-成像设备，7-算法单元。

图2是根据本申请实施例的一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强方法的逻辑示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书一个或多个实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。

需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。

实施例一

本申请实施例提供了一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置，可以通过易获取的光源和无需标定的***以单次曝光的方式对图像进行高速采集从而获取高质量的图像，用于对成像目标2进行成像增强，具体地，如图1所示，包括：

沿光路依次设置的分布式孔径阵列3，多模光纤，衍射光栅5以及成像设备6，其中分布式孔径阵列3耦合成像目标2反射的光线得到耦合光，耦合光入射多模光纤被随机调制得到调制光，调制光经过衍射光栅5衍射得到不同波段的光场空间，不同波段的光场空间以不同强度分布的形式被成像设备6记录为增强图像。

本方案提供的宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置内置有衍射光栅5对调制光进行衍射，故本方案可采用宽光谱的光源1照射成像目标2，而无需选择窄光谱的光源。

具体的，本方案以宽光谱的光源1照射成像目标2并采用分布式孔径阵列3捕获被成像目标2反射的光线，在一些实施例中，宽光谱的光源1选择为白光光源，且。本方案中的光源1可以是任意一种白光光源，如太阳光，相比于传统光学合成孔径***来说，白光光源更加容易获取，方便整个宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置的布设。

本方案中的成像目标2可以是任何静态物体或动态物体。

本方案的分布式孔径阵列3由多个随机排列的小孔构成，成像目标2反射的光线经过分布式孔径阵列3并通过多个小孔独立成像后耦合得到耦合光，这样的好处在于通过多个相互独立的小孔径进行成像并将这些成像结果合并起来从而获得高分辨率、大视场的图像。

在一些具体实施例中，本方案中的分布式孔径阵列3中的小孔的孔径相同或不同。在一些具体实施例中，分布式孔径阵列3上的多个小孔以线性排列的方式进行排列，或以二维矩阵形式进行排列，且本方案根据***自身探测指标来调车孔径尺寸。

本方案的多模光纤4捕获经过分布式孔径阵列3后的耦合光，且耦合光在多模光纤4中进行波前调制并进行一定程度的色散。在本方案中，耦合光通过多模光纤4后出射得到调制光，调制光彼此干涉后入射衍射光栅5被衍射得到不同波段的光场空间，从而将不同波段的光场空间分离，这样的好处在于成像设备6可将不同波段的光场空间记录为不同强度分布。

本方案设置多模光纤4的好处在于能够在给定光频率和偏振情况下传播多种光模式，进而可通过多模光纤4可以有效地将传播分布式孔径3的耦合光并对其进行调制后传输到衍射光栅5中，最小化的减少图像信息的损失。

具体的，本方案的所述多模光纤4的点扩散函数PSF为：

其中，L(x₁，y₁)表示分布式孔径阵列的排布函数，表示多模光纤的波前调制，该波前调制为随机函数，h(x，y；x₁，y₁；z)表示多模光纤的光场传输函数，z表示光纤的光程，a是物面的边长。

在本方案中，所述衍射光栅5为光学领域的波前调制器，其将入射的调制光衍射为不同角度的多个波长的光束，且位于衍射光栅5不同位置的不同波长的光束其彼此进行光学干涉，从而达到了比衍射更为增强的干涉图像以被成像设备6记录。

具体的，由于衍射光栅5自身的衍射特性，编码光在衍射光栅中被分解为不同波长的成分并以不同的角度衍射到成像设备6中进行成像得到增强图像，也就是说，在本方案中由宽谱白光构建的编码光经过衍射光栅5衍射后，在不同位置处的衍射光路彼此之间实现光学干涉，从而达到相较普通衍射更为增强的干涉图像被记录。

具体的，本方案中的衍射光栅5的透过率函数为：

其中φ为相位因子，f₀＝1/光栅周期，代表单位长度的光栅刻线数量。

衍射光栅5的光学传递函数为：

其中，光学传递函数OTF还可以表示为其中M(x，y)为调制函数，其反应了空间频率的余弦分量调制度的降低倍数，/>为相位传递函数。

在本方案中，所述成像设备6以单次曝光的方式对衍射光栅5输出的不同波段的光场空间进行高速采集，采集不同波段的光场空间对应的不同光强分布进而获取增强图像。

在一些具体实施例中，所述成像设备6为相机，其中，成像设备6采集到的增强图像的光强分布表示为：

I(x，y，λ)＝O(x₀，y₀，λ)*PSF·G(x，y，λ)

其中，PSF为多模光纤4的点扩散函数，G(x，y，λ)为光栅函数，O(x₀，y₀，λ)为成像目标2在光源1下的目标反射函数。

换言之，成像设备6采集成像目标2在光源1照射下的不同光强分布，其中光强分布表示为多模光纤的点扩散函数、衍射光栅的光栅函数以及成像目标2的目标反射率函数的乘积。

具体的，由于本方案是使用宽谱光源来照射成像目标2，并由衍射光栅5进行不同波段的光场分离，强度分布被成像设备6的不同区域记录得到增强图像，由于衍射光栅的上设置使得通过使用不同波段的光线可干涉来实现图像增强，所以无需对装置进行标定或建立点扩散函数的数据集。

本装置可应用空间遥感技术中对地表的建筑、地势进行精确的测量。

实施例二

本方案提供了一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强方法，包括：

采用光源1照射成像目标2，采用实施例一所述的宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置采集增强图像；

对增强图像利用自相关算法和相位恢复算法进行图像重建得到重建目标。

在本方案中，由于成像设备得到的图像是经过衍射光栅后的图像，而光栅的作用是压低OTF的旁瓣，增强散斑的对比度，提高相干程度，所以通过使用自相关算法和相位恢复算法来对增强图像进行处理后可以使图像质量得到明显提升。

在本方案中，将一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置的成像设备6得到的增强图像传输到算法单元7中使用自相关算法与相位恢复算法对增强图像进行重建。具体的，由于多模光纤的点扩散函数PSF的随机性，相机记录光强信号的自相关结果等于目标反射率函数的自相关，所以，本方案中先根据成像目标2的反射率函数的自相关计算成像设备6记录的光强信号的自相关结果，再利用相位恢复算法对增强图像进行重建。

具体的，所述相位恢复算法是一种在数字通信中常用的信号处理算法，其主要目的是从接收到的信号中恢复出原始信号的相位信息从而对增强图像进行重建。

本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置，用于对成像目标进行成像增强，其特征在于，包括：

沿光路依次设置的分布式孔径阵列，多模光纤，衍射光栅以及成像设备，其中分布式孔径阵列耦合成像目标反射的光线得到耦合光，耦合光入射多模光纤被随机调制得到调制光，调制光经过衍射光栅衍射得到不同波段的光场空间，不同波段的光场空间以不同强度分布的形式被成像设备记录为增强图像。

2.根据权利要求1所述的宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置，其特征在于，以宽光谱的光源照射成像目标并采用分布式孔径阵列捕获被成像目标反射的光线。

3.根据权利要求2所述的宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置，其特征在于，光源为太阳光。

4.根据权利要求1所述的宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置，其特征在于，所述多模光纤4的点扩散函数PSF为：

其中，L(x₁，y₁)表示分布式孔径阵列的排布函数，表示多模光纤的波前调制，h(x，y；x₁，y₁；z)表示多模光纤的光场传输函数，z表示光纤的光程，a是。

5.根据权利要求1所述的宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置，其特征在于，衍射光栅5的透过率函数为：

其中φ为相位因子，f₀＝1/光栅周期，代表单位长度的光栅刻线数量。

6.根据权利要求1所述的宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置，其特征在于，成像设备采集成像目标在光源照射下的不同光强分布，其中光强分布表示为多模光纤的点扩散函数、衍射光栅的光栅函数以及成像目标的目标反射率函数的乘积。

7.一种宽光谱的单曝光合成孔径成像增强方法，包括：

采用光源照射成像目标，采用权利要求1到6任一所述的宽光谱的单曝光合成孔径成像增强装置采集增强图像；

对增强图像利用自相关算法和相位恢复算法进行图像重建得到重建目标。