编码孔径光谱成像仪光学简化彗差对图谱反演误差

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.5(2015)054205编码孔径光谱成像仪光学简化彗差对图谱反演误差分析刘扬阳y吕群波吴戈裴琳琳王建威(中国科学院光电研究院,计算光学成像技术重点实验室,北京100094)(2014年7月4日收到;2014年8月20日收到修改稿)编码孔径光谱成像技术是近年来发展起来的一种新型光谱成像技术,该技术在一次像面采用特定的编码模板对目标进行编码,结合特殊的采样成像方式,获得满足景物重构的采样数据量,实现了空间信息和光谱信息的高精度重构,具有高光通量、高信噪比等优势.但该技术实际的光学系统设计,以及相应加工和装调过程中各种误差的存

2、在,将逐一传递反映到探测器精度与编码后图谱采样精度的不匹配,这会引发最终重构图谱质量降低.本文侧重分析研究光学系统设计和研制装调中光学彗差相对设计值间存在的偏差,通过几何光线追迹与波前像差联合计算的方法,在成像面仿真出不同数值程度的彗差矩阵,并以此来分析不同彗差下对重构图像质量的影响结果.并用其分析结论作为依据,改进了编码孔径光谱成像仪的设计和研制,提供了相应图像成像反演结果,由此确保了编码孔径光谱成像仪的成像优势.关键词:编码孔径,光学彗差,图谱反演PACS:42.30.Va,42.79.BhDOI:10.7498/aps.64.054205由于在成像过程中需要移动编码模板,

3、并且探测器1引言与目标间不发生变化(凝视成像),因此,其主要应用领域限制于显微光谱成像、微光光谱成像方面.编码孔径光谱成像技术是近几年国内外提出随着信号处理技术的发展,出现了压缩感知理论,的一门新兴的光谱成像技术[13],相比较于传统的并应用在编码孔径光谱成像技术中,改变了模板的光谱成像系统,使用特殊通光板——编码孔径代替编码方式和成像方法.但是由于该技术需要足够传统单一狭缝,按照预先所设置编码孔径的数学形的采样数据量,才能够重构出比较准确的图谱信息,式调制、捕捉景物空间信息和光谱信息联合成像,再经由后续数据计算方法反演得到最终三维光谱图像立方体,能够同时获取图谱图像的高空间

4、分辨率和高光谱分辨率,并保持图谱图像的高信噪比,其基本原理如图1所示.T↼xy↽编码孔径光谱成像技术的关键在于引入了一ҒᎶ᪫
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ଊ฾٨种多孔的空间调制器,称之为编码孔径.正是由于编码孔径的出现改变了点到线的传统狭缝式光谱成像技术的光谱信息采集方式.最初的编码孔径光谱成像技术主要是Hadamard变换光谱成像技术,图1编码孔径光谱成像仪模型示意图国家杰出青年科学基金(批准号:61225024)和国家高技术研究发展计划(批准号:2011AA7012022)资助的课题.†通信作者.E-mail:liuyangyang@aoe.ac.cn©2015中国物理学会

5、ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn054205-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.5(2015)054205因此,需要多次曝光实现其良好的重构信噪比,而定的编码模板对目标进行编码,结合特殊的采样成这与Hadamard变换光谱成像方式基本相同.综合像方式,获得满足景物重构的采样数据量,实现了上述技术,相里斌研究员提出了基于循环正交编码空间信息和光谱信息的高精度重构,具有高光通模板的推扫式编码孔径光谱成像技术[4;5],使得该量、高信噪比等优势.但该技术在实现过程中,通常技术摆脱凝视成像方式的限制,可以

6、应用于航空航要求一次像面(编码面)与最终探测器像面两者间天遥感领域.满足严格的空间信息尺寸匹配,但在实际的光学系编码孔径应用于光学系统或光电成像系统已统设计,以及加工和装调过程中,由于光学系统设经不鲜见,但绝大多数的编码孔径光学成像系统,计和研制装调误差的存在,使得光学像差相对设计都无一例外的需要借助数据处理的方式,完成最终值间存在偏差,从而光学像差在探测器像面将降低的光学信息获取.技术上而言,静态编码孔径光谱了编码图谱的采样精度,导致最终重构图谱质量降成像技术通过光谱成像与计算方法的结合,将传统低.本文针对光学像差中的慧差,分析了光学彗差光谱成像在应用中的技术难点转移到数据处

7、理方对系统像质的影响,通过仿真不同彗差下对重构图面,以较少的代价实现高的技术指标.但是,编码像质量的分析,给出了图像质量与系统彗差之间的孔径光谱成像技术中数据处理环节有其自身的技曲线关系,为编码孔径光谱成像仪的设计和研制提术难点和关键瓶颈.供了参考依据.编码孔径光谱成像技术在实现过程中,通常要求一次像面(编码面)与最终探测器像面两者间满2推扫式编码孔径光谱成像原理足严格的空间信息尺寸匹配,并根据这严格精确的已知匹配关系生成离散化的观测矩阵,由观测矩阵数学上讲,编码孔径成像技术中模板的编码方为