1.本发明属于计算成像领域，涉及一种偏振光谱视频压缩采集系统。
背景技术：2.计算成像技术融合了光学、图形学和信息处理等多个学科的知识，是当前交叉学科领域研究的热点。计算成像技术通过成像模式的创新和算法处理的改进，使得传统硬件成像系统简化、成像能力获得提升，尤其是对多维信息的同步获取提供了可行的方案，在航天遥感、安防监控和特殊条件成像等领域具有广阔的应用前景。
3.光场信息是具有七维特征的信息，当前探测器为二维成像模式，往往通过舍弃其他维度来实现有限维度信息的采集。多维度信息涵盖目标更多的特征信息，例如偏振信息可以反映目标表面的相关信息，可以用来探测物质表面的颗粒大小、形貌及粗糙度等，也可以对暗弱目标进行探测识别，在应用方面可以进行偏振去雾、大气探测和深空探测等。光谱信息可以反映目标表面的组分信息，带有目标特定的识别特征。偏振信息与光谱信息同步获取可以大大提升获取的信息维度，更全面的获取目标信息。
4.传统偏振光谱技术存在噪声灵敏度、通道串扰、光谱分辨率低等问题，影响获取的偏振光谱精度。由于偏振光谱信息高维的特点，往往需要通过维度分割的方式实现降维采集，带来时间分辨率、空间分辨率等的牺牲，无法实现偏振光谱视频的获取。计算成像技术基于压缩感知原理，可实现高维信息的降为采集，再通过满足稀疏投影条件的坐标基投影，由优化重构算法实现高维光场信息的采集。计算成像技术的发展使得高质量的偏振光谱视频获取成为了可能，当前计算成像技术也面临重建精度、光通量低等问题。因此，基于计算成像技术的多维度信息同步获取具有重要的意义和广阔的应用前景。
技术实现要素：5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种偏振光谱视频压缩采集系统，通过快照式计算偏振光谱视频采集系统，可以实现偏振、光谱和空间多维度视频信息的实时采集。
6.本发明解决技术的方案是：
7.一种偏振光谱视频压缩采集系统，包括透镜组、空间编码随机调制模块s1、光谱色散调制模块s2、像素偏振探测器模块s3和高精度偏振光谱数据重建模块s4；
8.空间编码随机调制模块s1：接收经过透镜组的光线，并对光线进行空间不透过或透过的随机空间调制，形成编码调制光线，并将编码调制光线发送至光谱色散调制模块s2；
9.光谱色散调制模块s2：接收空间编码随机调制模块s1传来的编码调制光线，采用非线性光谱色散函数对编码调制光线进行色散处理，生成期望的编码光谱色散光线，并将期望的编码光谱色散光线发送至像素偏振探测器模块s3；
10.像素偏振探测器模块s3：接收光谱色散调制模块s2传来的期望的编码光谱色散光线，对期望的编码光谱色散光线依次进行偏振信息提取、光电转换处理后成像，生成混叠模
糊图像，并将混叠模糊图像发送至高精度偏振光谱数据重建模块s4；
11.高精度偏振光谱数据重建模块s4：接收像素偏振探测器模块s3传来的混叠模糊图像，对混叠模糊图像依次进行预处理实现混叠偏振信息拆分、建立目标函数并进行高精度解调重建、结合正向模型并基于全变分正则约束的凸优化求解算法实现偏振光谱信息的去噪解算，生成目标场景的清晰光谱偏振图像并输出。
12.在上述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，所述空间编码随机调制模块s1的随机空间调制为：
13.在空间编码随机调制模块s1的板卡上随机设置方形编码，方形编码的编号为0或1；当方形编码编号为0时，即为该编码为封住状态，光线无法透过；当方形编码编号为1时，即为该编码为通孔状态，光线实现透过。
14.在上述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，编号为0的方形编码与编号为1的方形编码各占50％；且编号为0的方形编码采用镀铬工艺制作。
15.在上述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，所述空间编码随机调制模块s1位于偏振光谱视频压缩采集系统的一次像面处。
16.在上述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，所述光谱色散调制模块s2采用双阿米西色散棱镜；且光谱色散调制模块s2的色散方向为水平方向。
17.在上述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，所述像素偏振探测器模块s3设置有像素级透镜阵列和线起偏器的探测器。
18.在上述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，所述高精度偏振光谱数据重建模块s4建立的目标函数为：
[0019][0020]
式中，f为原始光线数据；
[0021]
x(f)为f的目标函数；
[0022]
h为系统等效观测矩阵；
[0023]
γ(f)为正则约束项；
[0024]
τ为γ(f)的平衡参数；
[0025]
按照目标函数实现高精度解调重建。
[0026]
在上述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，在高精度偏振光谱数据重建模块s4中建立正向模型：
[0027][0028]
式中，m为二维平面横坐标；
[0029]
n为二维平面纵坐标；
[0030]
f(m,n)为偏振光谱压缩采样正向获取的数据；
[0031]
e为偏振角；
[0032]
w为谱段数；
[0033]
λ为波长；
[0034]
k为方形编码编号，k＝0或1；
[0035]
ψe为输入的原始数据；
[0036]
t为空间编码随机调制和光谱色散调制；
[0037]
h为后续对于偏振信息的提取；
[0038]
η为系统采样时引入的噪声误差。
[0039]
在上述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，所述正向模型为对连续采样的离散化模型。
[0040]
在上述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，所述高精度偏振光谱数据重建模块s4基于全变分正则约束的凸优化求解算法实现偏振光谱信息的去噪解算时，采用全变分正则约束进行两步迭代收缩阈值完成去噪解算。
[0041]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0042]
(1)本发明全面考虑偏振光谱数据获取的时间分辨率，解决偏振光谱视频有效获取的问题；
[0043]
(2)本发明构建快照式计算偏振光谱成像模型，解决混叠模糊图像高精度重建问题；
[0044]
(3)本发明考虑快照式成像模式，构建成像采集模型，更加的贴合实际应用、适用性更强，解决偏振光谱视频采集的应用问题。
附图说明
[0045]
图1为本发明偏振光谱视频压缩采集系统示意图；
[0046]
图2为本发明方形编码编号为0示意图。
具体实施方式
[0047]
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
[0048]
本发明提供一种偏振光谱视频压缩采集系统，针对目前偏振光谱视频采集效率低和系统复杂的问题，本发明可实现对含有偏振信息、光谱信息和空间信息的多维度光场数据的高效压缩采集和重建。单次曝光即可压缩采集场景内偏振光谱信息，通过高精度压缩感知重建算法可采集4个偏振角度的偏振光谱信息，连续采样模式下可实现偏振光谱视频获取。本发明可降低系统硬件复杂度，具有低数据采集量，高分辨率偏振光谱视频高效采集的特点。
[0049]
偏振光谱视频压缩采集系统，如图1所示，具体包括透镜组、空间编码随机调制模块s1、光谱色散调制模块s2、像素偏振探测器模块s3和高精度偏振光谱数据重建模块s4；
[0050]
空间编码随机调制模块s1：空间编码随机调制模块s1位于偏振光谱视频压缩采集系统的一次像面处。接收经过透镜组的光线，并对光线进行空间不透过或透过的随机空间调制，形成编码调制光线，并将编码调制光线发送至光谱色散调制模块s2。
[0051]
空间编码随机调制模块s1的随机空间调制为：
[0052]
在空间编码随机调制模块s1的板卡上随机设置方形编码，方形编码的编号为0或1；当方形编码编号为0时，即为该编码为封住状态，光线无法透过，如图2所示。当方形编码编号为1时，即为该编码为通孔状态，光线实现透过。编号为0的方形编码与编号为1的方形编码各占50％；且编号为0的方形编码采用镀铬工艺制作。在空间编码随机调制模块s1的随
机空间调制为随机编码的(0/1)编码矩阵，实现空间光线的不通过或通过的调制。
[0053]
光谱色散调制模块s2：接收空间编码随机调制模块s1传来的编码调制光线，采用非线性光谱色散函数对编码调制光线进行色散处理，生成期望的编码光谱色散光线，并将期望的编码光谱色散光线发送至像素偏振探测器模块s3。
[0054]
光谱色散调制模块s2采用双阿米西色散棱镜，非线性色散模型，经s1中所述空间编码调制模块后经中继镜中继后实现光谱维度的色散调制。且光谱色散调制模块s2的色散方向为水平方向。光谱色散调制模块s2实现将空间编码调制后的光线色散为不同波长的光谱。
[0055]
光谱色散调制模块s2位于中继透镜组和探测器间，通过单色仪不同波长采样标定实现色散单元的标定数据采集。
[0056]
像素偏振探测器模块s3：接收光谱色散调制模块s2传来的期望的编码光谱色散光线，对期望的编码光谱色散光线依次进行偏振信息提取、光电转换处理后成像，生成混叠模糊图像，并将混叠模糊图像发送至高精度偏振光谱数据重建模块s4。
[0057]
像素偏振探测器模块s3设置有像素级透镜阵列和线起偏器的探测器。像素偏振探测器模块s3实现二维压缩偏振光谱混叠图像的采集。
[0058]
像素偏振探测器模块s3上镀有不同偏振角度起偏器，实现不同角度的偏振信息调制。
[0059]
高精度偏振光谱数据重建模块s4：接收像素偏振探测器模块s3传来的混叠模糊图像，对混叠模糊图像依次进行预处理实现混叠偏振信息拆分、建立目标函数并进行高精度解调重建、结合正向模型并基于全变分正则约束的凸优化求解算法实现偏振光谱信息的去噪解算，生成目标场景的清晰光谱偏振图像并输出。
[0060]
高精度偏振光谱数据重建模块s4建立的目标函数为：
[0061][0062]
式中，f为原始光线数据；
[0063]
x(f)为f的目标函数；
[0064]
h为系统等效观测矩阵；
[0065]
γ(f)为正则约束项；
[0066]
τ为γ(f)的平衡参数；
[0067]
按照目标函数实现高精度解调重建。
[0068]
在高精度偏振光谱数据重建模块s4中建立正向模型：
[0069][0070]
式中，m为二维平面横坐标；
[0071]
n为二维平面纵坐标；
[0072]
f(m,n)为偏振光谱压缩采样正向获取的数据；
[0073]
e为偏振角；
[0074]
w为谱段数；
[0075]
λ为波长；
[0076]
k为方形编码编号，k＝0或1；
[0077]
ψe为输入的原始数据；
[0078]
t为空间编码随机调制和光谱色散调制；
[0079]
h为后续对于偏振信息的提取；
[0080]
η为系统采样时引入的噪声误差。
[0081]
正向模型为对连续采样的离散化模型。
[0082]
高精度偏振光谱数据重建模块s4基于全变分正则约束的凸优化求解算法实现偏振光谱信息的去噪解算时，采用全变分正则约束进行两步迭代收缩阈值完成去噪解算。
[0083]
实施例
[0084]
偏振光谱视频压缩采集系统
[0085]
包括：空间编码随机调制模块s1、光谱色散调制模块s2、像素偏振探测器模块s3、高精度偏振光谱数据重建模块s4。其中，所述s1空间编码为随机编码的(0/1)编码矩阵，实现空间光线的不通过或通过的调制。s2光谱色散模块采用双阿米西棱镜，非线性色散模型，经s1中所述空间编码调制模块后经中继镜中继后实现光谱维度的色散调制。s2所述光谱色散调制模块将s1中所述空间编码调制后的光线色散为不同波长的光谱。s2所述光谱色散调制模块位于中继透镜组和探测器间，通过单色仪不同波长采样标定实现色散单元的标定数据采集。所述s3像素偏振探测器模块位于步骤s2中所述光谱色散调制模块之后。所述s3像素偏振探测器实现二维压缩偏振光谱混叠图像的采集。所述s3像素偏振探测器上镀有不同偏振角度起偏器，实现不同角度的偏振信息调制。所述s4高精度偏振光谱数据重建模块接收所述混叠模糊图像，对所述混叠模糊图像进行预处理实现混叠偏振信息拆分，进行高精度解调重建，进而获得目标场景的清晰光谱偏振图像并输出。
[0086]
对空间编码随机调制模块s1进行设计时，采用50％的透过率以保证偏振光谱采集系统给的光通量。空间编码随机调制模块s1大小的设计需以焦距和相机像元大小匹配。空间编码随机调制模块s1上为1(通过)或0(不通过)的密布的刻蚀编码，用于实现对场景的空间调制。在本发明的一个实施例中，选用孔径大小6.9μm
×
6.9μm。
[0087]
光线通过空间编码随机调制模块s1后进入后端的光谱色散调制模块s2，进而将经过空间调制的光线色散为不同波长的光谱，并在后端的像素偏振探测器模块s3上成像。
[0088]
在本发明的一个实施例中，光谱色散调制模块采用双阿米西棱镜，其使得中心波长的光以与入射光线平行的角度从最后一个平面射出，其他波长的光线根据玻璃材质的折射率而出射，最终实现了对于入射光线的光谱分光调制。
[0089]
所述s3像素偏振探测器模块为像元表面镀有像素级微小偏振片的探测器，可实现0
°
、45
°
、90
°
和135
°
偏振光的获取，实现偏振分光。
[0090]
高精度偏振光谱数据重建模块s4所述偏振光谱压缩采样正向模型根据上述成像过程构建，通过数据模型实现了偏振光谱的空间编码调制和光谱色散调制。
[0091]
在本发明实施例中，所述偏振光谱压缩采样正向模型可以表示为，
[0092][0093]
f表示实施例中获取的数据，ψe为输入的原始数据；t为空间编码随机调制和光谱色散调制；h为后续对于偏振信息的提取；η为系统采样时引入的噪声误差。
[0094]
在本发明的实施例中，采用lsh-t50作为标准光源，以zolix omni-λ300单色仪作
为标准输出光谱标定参照，从450nm-650nm每隔1nm标定一次，选取合适谱段作为标定矩阵。
[0095]
经过所述像素偏振探测器模块s3采集的数据，结合所述偏振光谱压缩采样正向模型，在高精度偏振光谱数据重建模块s4中实现偏振光谱数据的解算重构。将解算重构获取的每帧偏振光谱图像按时序连接起来即可获得偏振光谱视频。
[0096]
所述高精度偏振光谱数据重建模块s5采用了凸优化重建模型，建立如下目标方程，
[0097][0098]
式中，g表示所述像素偏振探测器模块s3获取的混叠图像，h表示系统的等效采样函数，f表示目标场景的输入数据，τ表示正则项参数以调整正则约束的权重，γ为正则约束项。通过凸优化重建算法实现目标方程的求解。
[0099]
在本发明的实施例中，选用优化设计改进的twist算法实现系统目标函数的求解。在传统twist算法中，对迭代的初始值进行全变分去噪处理，抑制噪声在后续迭代重建时的不断放大而导致的重建精度下降。
[0100]
在本发明的实施例中，选用全变分正则约束，适用于本发明所面向的光谱平滑过渡的条件。
[0101]
根据本发明实施例的偏振光谱视频压缩采样系统，可以实现偏振光谱数据的快照式采集，装置无活动部件，结构紧凑，重建可获得高分辨率、高光谱精度的偏振光谱成像数据，快照式成像方式支持偏振光谱视频的获取。
[0102]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
技术特征：1.一种偏振光谱视频压缩采集系统，其特征在于：包括透镜组、空间编码随机调制模块s1、光谱色散调制模块s2、像素偏振探测器模块s3和高精度偏振光谱数据重建模块s4；空间编码随机调制模块s1：接收经过透镜组的光线，并对光线进行空间不透过或透过的随机空间调制，形成编码调制光线，并将编码调制光线发送至光谱色散调制模块s2；光谱色散调制模块s2：接收空间编码随机调制模块s1传来的编码调制光线，采用非线性光谱色散函数对编码调制光线进行色散处理，生成期望的编码光谱色散光线，并将期望的编码光谱色散光线发送至像素偏振探测器模块s3；像素偏振探测器模块s3：接收光谱色散调制模块s2传来的期望的编码光谱色散光线，对期望的编码光谱色散光线依次进行偏振信息提取、光电转换处理后成像，生成混叠模糊图像，并将混叠模糊图像发送至高精度偏振光谱数据重建模块s4；高精度偏振光谱数据重建模块s4：接收像素偏振探测器模块s3传来的混叠模糊图像，对混叠模糊图像依次进行预处理实现混叠偏振信息拆分、建立目标函数并进行高精度解调重建、结合正向模型并基于全变分正则约束的凸优化求解算法实现偏振光谱信息的去噪解算，生成目标场景的清晰光谱偏振图像并输出。2.根据权利要求1所述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，其特征在于：所述空间编码随机调制模块s1的随机空间调制为：在空间编码随机调制模块s1的板卡上随机设置方形编码，方形编码的编号为0或1；当方形编码编号为0时，即为该编码为封住状态，光线无法透过；当方形编码编号为1时，即为该编码为通孔状态，光线实现透过。3.根据权利要求2所述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，其特征在于：编号为0的方形编码与编号为1的方形编码各占50％；且编号为0的方形编码采用镀铬工艺制作。4.根据权利要求1所述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，其特征在于：所述空间编码随机调制模块s1位于偏振光谱视频压缩采集系统的一次像面处。5.根据权利要求1所述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，其特征在于：所述光谱色散调制模块s2采用双阿米西色散棱镜；且光谱色散调制模块s2的色散方向为水平方向。6.根据权利要求1所述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，其特征在于：所述像素偏振探测器模块s3设置有像素级透镜阵列和线起偏器的探测器。7.根据权利要求1所述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，其特征在于：所述高精度偏振光谱数据重建模块s4建立的目标函数为：式中，f为原始光线数据；x(f)为f的目标函数；h为系统等效观测矩阵；γ(f)为正则约束项；τ为γ(f)的平衡参数；按照目标函数实现高精度解调重建。8.根据权利要求2所述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，其特征在于：在高精度偏振光谱数据重建模块s4中建立正向模型：
式中，m为二维平面横坐标；n为二维平面纵坐标；f(m,n)为偏振光谱压缩采样正向获取的数据；e为偏振角；w为谱段数；λ为波长；k为方形编码编号，k＝0或1；ψ
e
为输入的原始数据；t为空间编码随机调制和光谱色散调制；h为后续对于偏振信息的提取；η为系统采样时引入的噪声误差。9.根据权利要求8所述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，其特征在于：所述正向模型为对连续采样的离散化模型。10.根据权利要求1所述的一种偏振光谱视频采集装置及方法，其特征在于：所述高精度偏振光谱数据重建模块s4基于全变分正则约束的凸优化求解算法实现偏振光谱信息的去噪解算时，采用全变分正则约束进行两步迭代收缩阈值完成去噪解算。
技术总结本发明涉及一种偏振光谱视频压缩采集系统，属于计算成像领域；包括透镜组、空间编码随机调制模块S1、光谱色散调制模块S2、像素偏振探测器模块S3和高精度偏振光谱数据重建模块S4；本发明可实现对含有偏振信息、光谱信息和空间信息的多维度光场数据的高效压缩采集和重建。单次曝光即可压缩采集场景内偏振光谱信息，通过高精度压缩感知重建算法可采集4个偏振角度的偏振光谱信息，连续采样模式下可实现偏振光谱视频获取。本发明可降低系统硬件复杂度，具有低数据采集量，高分辨率偏振光谱视频高效采集的特点。高效采集的特点。高效采集的特点。
技术研发人员：王业超 葛婧菁 苏云 徐彭梅 薛芳 王钰 王乐然 郑子熙 刘彦丽 张丽莎 赵海博 孙焕
受保护的技术使用者：北京空间机电研究所
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/11/1
