Large-flux coding aperture assembly suitable for hyperspectral video imaging
附图说明 图1是本发明适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件中高光谱视频成像系统组成示意图。 图2是本发明适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件中大通量编码组件组成示意图。 图3是本发明适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件中针对子单元竖直数目为2，子单元水平数目为2，子单元编码图案为3行×1列的设计方法对应的编码孔径模板编码设计示意图。 图4是本发明适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件中针对子单元竖直数目为2，子单元水平数目为2，子单元编码图案为3行×1列的微透镜阵列设计示意图。 技术领域 本发明属于光谱成像技术领域，涉及一种编码孔径组件，具体为一种适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件。 具体实施方式 为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。 本发明提供的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件的实现方法的优选实施例是针对图1所示的高光谱视频成像系统，该高光谱视频成像系统由物镜1、大通量编码孔径组件2、准直镜3、色散棱镜4、聚焦镜5、FPA探测器6组成。来自于无穷远处的目标的入射光束通过物镜1成像到置于一次像面位置的大通量编码孔径组件2，入射光束经过大通量编码孔径组件2进行空间离散采样后得到空间降采样光束，空间降采样光束为复色光，再经过准直镜3转换为平行复色光进入色散棱镜4，经色散棱镜4的分光色散，每个采样光束色散成单色光谱条带，每束色散条带经过聚焦镜5在FPA探测器6的靶面上形成2D条带图像。 参照图2所示，大通量编码孔径组件2包括编码孔径模板2-1和微透镜阵列2-2。 其中，所述编码孔径模板2-1为矩形，尺寸为ph和pw，编码孔径模板边缘空白尺寸为mh和mw；编码孔径模板中共有nmh乘以nmw个子单元，子单元之间按照qh和qw的间距尺寸排布；每个子单元内包含nh行×nw列的错位编码透光孔，透光孔为矩形，尺寸为ah和aw，各个透光孔设计为水平色散编码方式； 其中，所述微透镜阵列2-2由多个微透镜组成，微透镜阵列2-2中的各个微透镜的排布位置与编码孔径模板2-1中的各个透光孔相互匹配。 参照图3所示，本实施例中编码孔径模板2-1的设计实现方法如下： (1)输入子单元图案排列形式nh行×nw列＝3行×1列，编码边缘空白尺寸mh＝1和mw＝1，透光孔水平方向的尺寸ah＝3和透光孔竖直方向的尺寸aw＝1，光谱色散条带水平方向尺寸L＝20，子单元内相邻透光孔的竖直净间距尺寸ch＝2，子单元竖直数目nmh＝2，子单元水平数目nmw＝2； 其中，nh为竖直方向上透光孔的个数，nh＝1，nw为水平方向上透光孔的个数，nw＝1；mh表示编码孔径模板左上角第一个透光孔的左上角距编码孔径模板左上角顶点O(0,0)的竖直距离尺寸和编码孔径模板右下角最后一个透光孔对应的色散条带的右下角距编码孔径模板右下角B点的竖直距离尺寸，mh＝1、2、3、…；mw表示编码孔径模板左上角第一个透光孔的左上角距编码孔径模板左上角顶点O(0,0)的水平距离尺寸和编码孔径模板右下角第一个透光孔对应的色散条带的右下角距编码孔径模板右下角B点的水平距离尺寸，mw＝1、2、3、…； (2)计算编码孔径模板2-1中一行内前透光孔色散条带尾端与后透光孔的净间距尺寸：cw＝k×nh-L％nh＝4； 其中，k为色散条带尾端与后透光孔净间距调节系数，L％nh表示L除以nh取余，变换调节系数k值，当k＝2时，使得cw＝4，满足cw≥4时以保证每一行透光孔色散条带光谱之间不重叠； (3)计算子单元内相邻孔中心的竖直间距尺寸：dh＝ah+ch＝5； (4)计算子单元内相邻孔中心的水平间距尺寸： dw＝(L+cw)nh＝8； (5)计算两子单元之间的中心竖直间距尺寸：qh＝dh×nh＝15； (6)计算两子单元之间的中心水平间距尺寸：qw＝dw×nh＝24； (7)计算编码孔径模板竖直方向的尺寸： ph＝qh×(nmh-1)+dh×(nh-1)+2mh+ah＝30； (8)计算编码模孔径板水平方向的尺寸： pw＝qw×(nmw-1)+L+dw×(nh-1)+2m＝62； (9)计算光谱数据立方体空间像素数：np＝nmh×nnw×nh×nw＝12，其中，np也是编码孔径模板中透光孔的个数； (10)计算编码占空比：r＝[(np×ah×aw)/(ph×pw)]×100％＝1.93％，其中，r也是光能利用率，即透光孔面积占整个编码孔径模板面积的比例。 本实施例中适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件中不同编码孔径设计结果对比如表1所示。 表1
第一行中，子单元图案为nh行×nw列＝3行×1列，编码透光孔尺寸为ah＝3和aw＝1的条件下，选取色散条带尾端与后透光孔净间距调节系数k＝2，使得cw＝4，对于nmh＝2和nmw＝2的子单元，编码孔径模板竖直方向的尺寸ph＝30，编码孔径模板水平方向的尺寸pw＝62，子单元内部有3行，光谱数据立方体空间像素数np＝12，编码占空比r＝1.93％，FPA像元利用率β＝r×L＝38.6％； 第二行中，子单元图案为nh行×nw列＝3行×1列，编码透光孔尺寸为ah＝3和aw＝1的条件下，选取色散条带尾端与后透光孔净间距调节系数k＝2，使得cw＝4，对于nmh＝34和nmw＝26的子单元，编码孔径模板竖直方向的尺寸ph＝512，编码孔径模板水平方向的尺寸pw＝640，子单元内部有3行，光谱数据立方体空间像素数np＝2652，编码占空比r＝2.42％，FPA像元利用率β＝r×L＝48.4％； 第三行中，子单元图案为nh行×nw列＝3行×1列，编码透光孔尺寸为ah＝5和aw＝1的条件下，选取色散条带尾端与后透光孔净间距调节系数k＝2，使得cw＝4，对于nmh＝24和nmw＝26的子单元，编码孔径模板竖直方向的尺寸ph＝506，编码孔径模板水平方向的尺寸pw＝640，光谱数据立方体空间像素数np＝1872，编码占空比为r＝2.89％，FPA像元利用率β＝r×L＝57.8％； 第四行中，子单元图案为nh行×nw列＝4行×1列，编码透光孔尺寸为ah＝3和aw＝1的条件下，选取色散条带尾端与后透光孔净间距调节系数k＝2，使得cw＝8，对于nmh＝25和nmw＝22的子单元，编码孔径模板竖直方向的尺寸ph＝500，编码孔径模板水平方向的尺寸pw＝631，光谱数据立方体空间像素数np＝2200，编码占空比r＝2.09％，FPA像元利用率β＝r×L＝41.8％； 对于640×512的FPA探测器，最佳实施方案为第二行所对应编码孔径组件，既可以使光谱数据立方体空间像素数达到最大，又可以充分利用FPA探测器的靶面。 参照图4所示，本实施例中微透镜阵列2-2的设计实现方法如下： (1)计算子单元内相邻透光孔中心距离尺寸： (2)设计微透镜直径尺寸：dl＝9，设计原则是dl小于9.4且接近9.4，保证相邻微透镜不重叠且使透光面积达到最大； (3)计算单微透镜覆盖面积：sl＝πdl24＝63； (4)计算光能利用率：其中，α也是增加微透镜后光能利用面积占整个编码孔径模板面积的比例。 其中，本发明中所述所有尺寸、间距、距离单位均与探测器像元尺寸、高光谱视频成像系统中准直镜3和聚焦镜5组成的近距成像系统的放大率μ有关，即计算结果乘以探测器像元尺寸除以放大率μ，本实施例中，放大率μ＝1。 由上述技术方案可以看出，本发明大通量微透镜阵列编码孔径组件，将光能利用率从不加微透镜阵列的2.42％提高到50.99％，提高了近21倍，具有显著的技术效果；所述的FPA探测器的分辨率不局限于640×512，还适用于其他分辨率的FPA探测器。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。 背景技术 光谱成像技术可以同时获得目标场景的二维空间信息与一维光谱信息，生成一个图谱合一的“图像立方体”。传统的光谱成像技术常需要通过稳定扫描、凝视观察方式实现光谱成像，很难实现目标的光谱成像实时侦察。此外扫描、凝视式光谱成像方法仅适用于探测静止目标或缓慢移动物体，不适用于工作在光照变化、大气扰动等复杂条件下，难以探测动态运动目标。编码孔径光谱成像技术作为实时光谱成像技术的一种，可以实现非超静稳平台的动态目标的实时光谱成像探测，被广泛应用于遥感探测、矿物勘察、环境监测、生物医学、军事侦察等领域。目前，编码孔径光谱成像技术主要有三种：基于压缩感知的编码孔径光谱成像技术、基于多通道探测的Hadamard编码光谱成像技术、离散采样编码色散光谱成像技术。 SPIEVol.8374发表了一篇“Video-RateChemicalIdentificationand VisualizationwithSnapshotHyperspectralImaging”的论文，文章中论述的快照式光谱成像Hyper-pixelArray(HPA)相机，包括一个望远光学系统、一个编码孔径阵列、一个准直镜、一个棱镜、一个聚焦镜、一个FPA探测器。基于离散采样编码色散光谱成像原理，望远光学系统将远处场景(聚焦)成像到空间采样场景的编码孔径阵列。各个编码小孔的场景通过准直镜并行通过棱镜，经过棱镜色散后，重新成像到探测器的焦平面阵列上。该设计允许整个数据立方体映射到焦平面上，并以视频帧速率或更快地读出。HPA设计的关键技术之一是编码孔阵列设计，棱镜将每个编码孔图像色散成构成光谱。编码孔平面的网格图像旋转了一个小角度，以确保在相邻光谱之间至少分离2个探测器像素。旋转倾斜阵列16°允许光谱不重叠地扩散20个像元。但其存在以下两个缺陷：(1)旋转16°倾斜色散，使得在FPA表面色散常产生跨像素色散，探测器采集信号分散，极大降低了色散条带的信噪比。(2)16°旋转倾斜要求色散棱镜倾斜设计装调，增加了技术难度，不利于工程实际应用。 SPIEVol.22,No.16发表了一篇“AdvancedhyperspectralvideoimagingsystemusingAmiciprism”的论文，文章中论述的先进高光谱视频成像系统(AdvancedHyperspectralVideoImagingSystem:AHVIS)，包括一个成像物镜、一个编码板、一个中继镜、一个Amici棱镜、两个相机。一路利用灰度相机捕获光谱视频流，一路利用RGB相机捕获高空间分辨率的彩色视频，通过视频同步校准，采用实时光谱传播算法将两路信息进行融合，最终获得即具有高空间分辨率又具有高光谱分辨率的3D光谱数据立方体。但文章中未提及编码板设计，编码板实现方法不详。 发明内容 (一)发明目的 本发明的目的是：提供一种编码孔径占空比大、光能利用率高、信噪比强的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件。 (二)技术方案 为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件，包括编码孔径模板2-1和微透镜阵列2-2。 其中，所述编码孔径模板2-1为矩形，尺寸为ph和pw，编码孔径模板边缘空白尺寸为mh和mw；编码孔径模板中共有nmh乘以nmw个子单元，子单元之间按照qh和qw的间距尺寸排布；每个子单元内包含nh行×nw列的错位编码透光孔，透光孔为矩形，尺寸为ah和aw，各个透光孔设计为水平色散编码方式； 其中，所述微透镜阵列2-2由多个微透镜组成，微透镜阵列2-2中的各个微透镜的排布位置与编码孔径模板2-1中的各个透光孔相互匹配。 其中，所述编码孔径模板的设计方法如下： (1)输入子单元图案排列形式nh行×nw列，编码边缘空白尺寸为mh和mw，透光孔尺寸ah和aw，光谱色散条带水平尺寸L，两行之间的竖直净间距尺寸为ch，子单元竖直数目nmh，子单元水平数目nmw； 其中，nh为子单元内竖直方向上透光孔的个数，nh＝1、2、3、…， nw为子单元内水平方向上透光孔的个数，nw＝1、2、3、…；mh表示编码孔径模板左上角第一个透光孔的左上角距编码孔径模板左上角顶点O(0,0)的竖直距离尺寸和编码孔径模板右下角最后一个透光孔对应的色散条带的右下角距编码孔径模板右下角B点的竖直距离尺寸，mh＝1、2、3、…；mw表示编码孔径模板左上角第一个透光孔的左上角距编码孔径模板左上角顶点O(0,0)的水平距离尺寸和编码孔径模板右下角第一个透光孔对应的色散条带的右下角距编码孔径模板右下角B点的水平距离尺寸，mw＝1、2、3、…；透光孔为矩形，尺寸为ah和aw，ah表示透光孔竖直方向的尺寸，ah＝1、2、3、…；aw表示透光孔水平方向的尺寸，aw＝1、2、3、…；光谱色散条带水平方向尺寸L，L＝1、2、3、…；ch为子单元内部相邻透光孔竖直净间隔尺寸，ch＝1、2、3、…；nmh为子单元竖直方向数目，nmh＝1、2、3、…；nmw为子单元水平方向数目，nmw＝1、2、3、…； (2)计算编码孔径模板一行内前透光孔色散条带尾端与后透光孔的净间距尺寸：cw＝k×nh-L％nh，k为色散条带尾端与后透光孔净间距调节系数k＝1、2、…，L％nh表示L除以nh取余，变换调节系数k的值，使得cw≥4，保证每一行透光孔色散条带光谱之间不重叠； (3)计算子单元内相邻孔中心的竖直间距尺寸：dh＝ah+ch； (4)计算子单元内相邻孔中心的水平间距尺寸：dw＝(L+cw)nh； (5)计算两子单元之间的中心竖直间距尺寸：qh＝dh×nh； (6)计算两子单元之间的中心水平间距尺寸：qw＝dw×nh； (7)计算编码孔径模板竖直方向的尺寸： ph＝qh×(nmh-1)+dh×(nh-1)+2mh+ah； (8)计算编码孔径模板水平方向的尺寸： pw＝qw×(nmw-1)+L+dw×(nh-1)+2mw； (9)计算光谱数据立方体空间像素数：np＝nmh×nmw×nh×nw，其中，np也是编码孔径模板中透光孔的个数； (10)计算编码占空比：r＝[(np×ah×aw)/(ph×pw)]×100％。 其中，r也是光能利用率，即透光孔面积占整个编码孔径模板面积的比例。 根据本发明，所述微透镜阵列的设计方法如下： (1)计算子单元内相邻透光孔中心距离尺寸： (2)设计微透镜直径尺寸dl，设计原则是dl＜d且接近d，保证相邻微透镜不重叠且使透光面积达到最大； (3)计算单微透镜覆盖面积：sl＝πdl24； (4)计算光能利用率其中，α也是增加微透镜后光能利用面积占整个编码孔径模板面积的比例。 其中，本发明中所述所有尺寸、间距、距离的实际尺寸均与探测器像元尺寸、成像系统的放大率有关，即实际尺寸等于计算结果乘以探测器像元尺寸除以放大率，其中，放大率为高光谱视频成像系统中编码孔径模板所成像的尺寸与编码孔径模板尺寸的倍率。 (三)有益效果 上述技术方案所提供的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件，具有以下有益效果： (1)根据不同的设计输入和工艺要求，本发明提供的设计方法可以得到不同的设计结果，经过多次计算迭代、对比可以得到光谱数据立方体像素数最多、编码占空比最高、光能利用率最佳的设计方案。 (2)通过在大通量编码孔径组件中采用水平色散孔径编码设计，避免光学系统的倾斜设计，避免倾斜色散导致的FPA表面色散产生的跨像素色散。在不降低空间分辨率和光谱分辨率的同时，有效降低了设计和装调难度，便于工程实际应用。 (3)通过在大通量编码孔径组件中各个编码透光孔匹配微透镜阵列，将透光孔周围较大区域的辐射通量聚焦到编码透光孔的中心，提高了光能量利用率，提高了光谱数据立方体的信噪比，提高了整个系统的光谱利用率，提高了成像系统的光学效率。 The invention discloses a large-flux coding aperture assembly suitable for hyperspectral video imaging, the coding aperture assembly is composed of a coding aperture template and a microlens array, each light hole in the coding aperture template is designed in a horizontal dispersion coding mode, and a dislocation coding sub-module with nh rows * nw columns is taken as a sub-unit; each micro lens in the micro lens array is matched with each light transmitting hole in the coding aperture template, and the radiation flux of a larger area around the light transmitting hole is focused to the center of the coding light transmitting hole, so that the utilization rate of light energy is improved. The large-flux coded aperture assembly has the advantages of large duty ratio of the coded aperture, high light energy utilization rate, strong signal-to-noise ratio and the like, and is suitable for hyperspectral video imaging. 1.一种适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件，其特征在于，包括编码孔径模板(2-1)和微透镜阵列(2-2)，所述编码孔径模板(2-1)上形成有多个透光孔，各个透光孔采用水平色散编码方式设置，以nh行×nw列的错位编码子模块形成一个子单元；微透镜阵列(2-2)包括多个微透镜，各个微透镜的排布位置与编码孔径模板(2-1)中的各个透光孔相互匹配，将透光孔周围区域的辐射通量聚焦到透光孔中心。 2.如权利要求1所述的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件，其特征在于，所述编码孔径模板(2-1)为矩形，边缘为空白。 3.如权利要求2所述的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件，其特征在于，所述透光孔为矩形。 4.如权利要求3所述的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件，其特征在于，所述编码孔径模板的各参数确定过程如下： (1)定义编码孔径模板(2-1)尺寸为ph和pw，边缘空白尺寸为mh和mw，子单元图案排列形式nh行×nw列，形成nmh乘以nmw个子单元，子单元之间按照qh和qw的行列间距尺寸排布，透光孔尺寸ah和aw，光谱色散条带水平尺寸L，两行之间的竖直净间距尺寸为ch，子单元竖直数目nmh，子单元水平数目nmw； 其中，nh为子单元内竖直方向上透光孔的个数，nh＝1、2、3、…，nw为子单元内水平方向上透光孔的个数，nw＝1、2、3、…；mh表示编码孔径模板左上角第一个透光孔的左上角距编码孔径模板左上角顶点O(0,0)的竖直距离尺寸和编码孔径模板右下角最后一个透光孔对应的色散条带的右下角距编码孔径模板右下角B点的竖直距离尺寸，mh＝1、2、3、…；mw表示编码孔径模板左上角第一个透光孔的左上角距编码孔径模板左上角顶点O(0,0)的水平距离尺寸和编码孔径模板右下角第一个透光孔对应的色散条带的右下角距编码孔径模板右下角B点的水平距离尺寸，mw＝1、2、3、…；ah表示透光孔竖直方向的尺寸，ah＝1、2、3、…；aw表示透光孔水平方向的尺寸，aw＝1、2、3、…；L＝1、2、3、…；ch为子单元内部相邻透光孔竖直净间隔尺寸，ch＝1、2、3、…；nmh为子单元竖直方向数目，nmh＝1、2、3、…；nmw为子单元水平方向数目，nmw＝1、2、3、…； (2)计算编码孔径模板一行内前透光孔色散条带尾端与后透光孔的净间距尺寸：cw＝k×nh-L％nh，k为色散条带尾端与后透光孔净间距调节系数，k＝1、2、…，L％nh表示L除以nh取余，变换调节系数k的值，使得cw≥4，保证每一行透光孔色散条带光谱之间不重叠； (3)计算子单元内相邻孔中心的竖直间距尺寸：dh＝ah+ch； (4)计算子单元内相邻孔中心的水平间距尺寸：dw＝(L+cw)/nh； (5)计算两子单元之间的中心竖直间距尺寸：qh＝dh×nh； (6)计算两子单元之间的中心水平间距尺寸：qw＝dw×nh； (7)计算编码孔径模板竖直方向的尺寸： ph＝qh×(nmh-1)+dh×(nh-1)+2mh+ah； (8)计算编码孔径模板水平方向的尺寸： pw＝qw×(nmw-1)+L+dw×(nh-1)+2mw； (9)计算光谱数据立方体空间像素数：np＝nmh×nmw×nh×nw， 其中，np也表示编码孔径模板中透光孔的个数； (10)计算编码占空比：r＝[(np×ah×aw)/(ph×pw)]×100％ 其中，r也是光能利用率，即透光孔面积占整个编码孔径模板面积的比例。 5.如权利要求4所述的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件，其特征在于，所述微透镜阵列的各参数确定过程如下： (1)计算子单元内相邻透光孔中心距离尺寸： (2)设计微透镜直径尺寸dl，设计原则是dl＜d且接近d，以满足相邻微透镜不重叠且使透光面积达到最大为准； (3)计算单微透镜覆盖面积：sl＝πdl2/4； (4)计算光能利用率其中，α也作为增加微透镜后光能利用面积占整个编码孔径模板面积的比例。 6.如权利要求5所述的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件，其特征在于，所述编码孔径模板和微透镜阵列的实际尺寸与探测器像元尺寸、成像系统的放大率有关，实际尺寸是计算结果乘以探测器像元尺寸除以放大率，其中，放大率为高光谱视频成像系统中编码孔径模板所成像的尺寸与编码孔径模板尺寸的比例。 7.一种高光谱视频成像系统，其特征在于，包括由前至后同轴布置的物镜(1)、大通量编码孔径组件(2)、准直镜(3)、色散棱镜(4)、聚焦镜(5)、FPA探测器(6)，大通量编码孔径组件(2)为权利要求1-6中任一项所述的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件。 8.如权利要求7所述的高光谱视频成像系统，其特征在于，来自于无穷远处的目标的入射光束通过物镜(1)成像到置于一次像面位置的大通量编码孔径组件(2)，入射光束经过大通量编码孔径组件(2)进行空间离散采样后得到空间降采样光束，空间降采样光束为复色光，再经过准直镜(3)转换为平行复色光进入色散棱镜(4)，经色散棱镜(4)的分光色散，每个采样光束色散成单色光谱条带，每束色散条带经过聚焦镜(5)在FPA探测器(6)的靶面上形成2D条带图像。 9.一种基于权利要求1-6中任一项所述的适用于高光谱视频成像的大通量编码孔径组件在光谱成像技术领域中的应用。<![CDATA[n<sub>h</sub>行×n<sub>w</sub>列]]> <![CDATA[m<sub>h</sub>]]> <![CDATA[m<sub>w</sub>]]> <![CDATA[a<sub>h</sub>]]> <![CDATA[a<sub>w</sub>]]> L <![CDATA[c<sub>h</sub>]]> k <![CDATA[n<sub>mh</sub>]]> <![CDATA[n<sub>mw</sub>]]> <![CDATA[c<sub>w</sub>]]> <![CDATA[d<sub>h</sub>]]> <![CDATA[d<sub>w</sub>]]> <![CDATA[q<sub>h</sub>]]> <![CDATA[q<sub>w</sub>]]> <![CDATA[p<sub>h</sub>]]> <![CDATA[p<sub>w</sub>]]> <![CDATA[n<sub>p</sub>]]> r(％) 3行×1列 1 1 3 1 20 2 2 2 2 4 5 8 15 24 30 62 12 1.93 3行×1列 2 2 3 1 20 2 2 34 26 4 5 8 15 24 512 640 2652 2.42 3行×1列 2 2 5 1 20 2 2 24 26 4 7 8 21 24 506 640 1872 2.89 4行×1列 1 1 3 1 20 2 2 25 22 8 5 7 20 28 500 631 2200 2.09