基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，包括：脉冲激光单元、望远镜单元、成像透镜、第一扩束准直透镜、第一数字微反射镜、照相机、凹面准直反射镜、分光光栅、第一会聚透镜、第二数字微反射镜、第二会聚透镜、合光光栅、第三会聚透镜、点探测器、Hadamard逆变换模块、压缩计算关联模块以及飞行时间相关模块；其中，脉冲激光单元包括主动脉冲光源、第二扩束准直透镜和第二反射镜；望远镜单元包括凹面反射镜、凸面反射镜和第一反射镜，所述飞行时间相关模块包括同步控制单元和时幅转换器。

主权项

一种基于压缩感知和编码变换的时间飞行成像光谱系统，其特征在于，包括：脉冲激光单元、望远镜单元、成像透镜(4)、第一扩束准直透镜(5‑1)、第一数字微反射镜(6‑1)、照相机(7)、凹面准直反射镜(8)、分光光栅(9)、第一会聚透镜(10‑1)、第二数字微反射镜(6‑2)、第二会聚透镜(10‑2)、合光光栅(11)、第三会聚透镜(10‑3)、点探测器(12)、Hadamard逆变换模块(13)、压缩计算关联模块(14)以及飞行时间相关模块；其中，所述脉冲激光单元包括主动脉冲光源(15)、第二扩束准直透镜(5‑2)和第二反射镜(3‑2)；所述望远镜单元包括凹面反射镜(1)、凸面反射镜(2)和第一反射镜(3‑1)，所述飞行时间相关模块包括同步控制单元(16)和时幅转换器(17)；所述同步控制单元(16)同时发出触发信号给主动脉冲光源(15)和点探测器(12)，所述点探测器(12)受触发后进入预备探测阶段，所述主动脉冲光源(15)受触发后将脉冲光打在探测目标上，所述探测目标表面的反射光通过成像透镜(4)成像后，由第一扩束准直透镜(5‑1)将探测目标图像映射到所述第一数字微反射镜(6‑1)上，所述第一数字微反射镜(6‑1)首先将光全部反射到低分辨率的照相机(7)上，得到一个粗略的像，从而大体知道探测目标在图像中所处位置，然后将第一数字微反射镜(6‑1)上探测目标在图像中所处位置以外的区域全部置0，仅在探测目标在图像中所处位置的区域设置随机散斑，通过该随机散斑对映射到第一数字微反射镜(6‑1)上的光束进行调制，调制后的光束经过凹面准直反射镜(8)重新准直成平行光，该平行光覆盖所述分光光栅(9)的整个栅平面，所得到的分光光束在通过第一会聚透镜(10‑1)后在第二数字微反射镜(6‑2)上展成一条光谱线，所述第二数字微反射镜(6‑2)对该光谱线实施Hadamard编码变换，编码后的光谱图像再通过第二会聚透镜(10‑2)入射到所述合光光栅(11)的光滑面，还原成平行光，由后续的第三会聚透镜(10‑3)会聚收集；所述点探测器(12)对第三会聚透镜(10‑3)会聚收集的光束完成探测工作，所述时幅转换器(17)根据点探测器(12)的探测结果将光子到达时间记录下来，回传给所述同步控制单元(16)寄存，所述同步控制单元(16)根据光子到达时间聚集程度来判断所接收到的光子是否属于同一光子团，若聚集程度逐步降低到预先设定的阈值，则发给点探测器(12)一条指令，令其将所累计的光子数通过时幅转换器(17)传给所述同步控制单元(16)寄存，并使所述点探测器(12)中的计数清0并重新开始计数，若共计有r(r≥1)束聚集光子团，则重复测量r次，待一次脉冲光全部返回到所述点探测器(12)表面，则所述同步控制单元(16)再次发送触发信号给主动脉冲光源(15)和点探测器(12)，重复上述操作，其中，第一数字微反射镜(6‑1)共翻转m次，每翻转一次期间，第二数字微反射镜(6‑2)实施N次Hadamard编码变换，第二数字微反射镜(6‑2)每次编码间隔大于脉冲光全部返回所需时间，主动脉冲光源(15)共发出m×N次脉冲光；当测量结束后，同步控制单元(16)统一将之前测量得到的测量数依次传给Hadamard逆变换模块(13)、压缩计算关联模块(14)，最终恢复出时间飞行成像光谱。