[发明专利]一种具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像方法及系统

权利要求书

1.一种具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：通过具有实出瞳的宽谱段双通道共用像面压缩成像，实现单次曝光同时捕获双通道图像，在相同探测器情况下，相较于传统轮换式工作的双通道成像系统，将压缩成像系统时间分辨率提高一倍；且在相同成像帧率要求下，数据量降低一倍；将双通道共用像面获取的混合图像采用频域压缩方式分离，在无需增加扫描装置情况下扩大成像视场，进而提高成像系统的结构紧凑性、稳定性和经济性；采用反射式双通道压缩成像实现双通道宽谱段成像；通过光阑前置，具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像方法在像面前能够产生实出瞳，通过冷光阑匹配，使该实出瞳和待使用的探测器冷阑大小和位置相匹配，本发明可以适用于制冷型红外成像；通过具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像，解决光学成像视场和焦距的矛盾，实现大视场和长焦距并存成像。

2.如权利要求1所述的一种具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：在紫外、可见、红外及制冷或非制冷等多体制全波段成像应用中使用。

3.如权利要求2所述的一种具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：对具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像光路获取的成像光束，按照下述四个约束条件进行频域编码，编码调制通过在主镜前的两个光阑分离位置放置相位板实现，得到频域编码后的成像光束；

条件一：相位编码不能使得具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像光学系统的MTF在特征频率前出现零点，否则会造成信息的丢失；

条件二：具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像光学系统的PSF应使得各自的OTF在图像频率域上的采样位置不同，进而保证图像的信息不会在频率域产生混叠，便于利用复原算法恢复；

条件三：具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像光学系统各通道不同视场相位编码后的PSF应尽量相同，便于大幅简化图像复原算法；

条件四：具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像光学系统相位编码后的PSF应使得OTF采样的区域尽量大，进而增多频域采样的信息，从而有利于图像复原；

步骤二：对步骤一得到的频域编码后的成像光束，通过双通道共用像面曝光，获取的双通道共用像面混合图像；

步骤三：对步骤二获取的具有实出瞳的宽谱段双通道共用像面混合图像，通过傅里叶变换到频域，得到所述共用像面混合图像的频谱图，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。

4.如权利要求3所述的一种具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：步骤二中，

所述双通道共用像面指双通道共用一个面阵光电探测器捕获混合图像；

所述面阵光电探测器捕获的混合图像的强度信息i(x,y)简化为：

其中，表示卷积，f₁(x,y)、f₂(x,y)表示具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道捕获的物空间信息，PSF₁(x,y)、PSF₂(x,y)表示具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道的点扩散函数。

5.如权利要求4所述的一种具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：步骤三实现方法为，

对步骤二获取的双通道共用像面混合图像，进行傅里叶变换，得到如公式(2)所述的共用像面混合图像的频谱图；

所以将具有实出瞳的宽谱段双通道频域压缩成像的逆问题转换为频域上的压缩感知复原问题：

将公式(3)所示的频域压缩感知复原问题，作为图像复原的目标函数，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。

6.如权利要求5所述的一种具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：通过所述采用具有实出瞳的宽谱段双通道频域压缩方式分离成像，能够得到两幅分离图像，将所述两幅分离图像，根据双通道视场关系进行拼接，在扩大视场的基础上改善成像的视觉效果。

7.一种具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像系统，用于实现如权利要求5或6所述的一种具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：包括第一相位板、第二相位板、第一主镜、第二主镜、次镜、三镜、冷光阑、面阵光电探测器、图像复原系统；在光线的传播方向上，各组成部分在各自的通道上按顺序排列；

所述第一相位板位于光学第一通道的最前端，同时也是具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像系统中第一通道的孔径光阑，对通过光学第一通道的成像光束提供特殊相位以其进行相位编码；相位板为具有预设面型的玻璃板，其对成像光束进行编码以调制双通道压缩成像系统中光学第一通道的PSF和OTF；相位板面型应与所需相位调制的调制量和相位相匹配，其调制光学第一通道的采样特性以使其满足步骤一的四个条件；

所述第二相位板位于光学第二通道的最前端，同时也是具有实出瞳的宽谱段双通道压缩成像系统中第二通道的孔径光阑，对通过光学第二通道的成像光束提供特殊相位以其进行相位编码；相位板为一个具有预设面型的玻璃板，其对成像光束进行编码以调制双通道压缩成像系统中光学第一通道的PSF和OTF；相位板面型应与所需相位调制的调制量和相位相匹配，其调制光学第一通道的采样特性以使其满足步骤一的四个条件；

第一相位板和第二相位板通过面型参数对成像光束进行相位调制，其调制应满足压缩感知的相关规则，以使得后续的图像复原系统可以对获取的图像进行复原，具体规则满足步骤一中的四个条件；

所述第一主镜在光学第一通道中，在光路中位于第一相位板的后方，用于压缩光束，承担一定的光焦度以及校正像差；

所述第二主镜在光学第二通道中，在光路中位于第二相位板的后方，用于压缩光束，承担一定的光焦度以及校正像差；

所述次镜为两个光学通道共用，在光路中位于第一主镜和第二主镜的后方，用于为双通道压缩成像系统的第一通道和第二通道提供一定的光焦度和像差校正能力，将通过第一主镜和第二主镜的光束反射至三镜；

所述三镜为两个光学通道共用，在光路中位于次镜的后方，用于为双通道压缩成像系统的第一通道和第二通道提供一定的光焦度和像差校正能力，汇聚光束，将通过次镜反射至三镜的光束汇聚至像面上；

所述实出瞳在光路中位于三镜的后方，且在光学系统像面的前方，其距像面距离应符合选择的红外制冷探测器数据，用于为红外制冷探测器冷阑匹配提供合适的条件；

所述面阵光电探测器，用于将前面光学系统所成的光学图像记录、量化成电子图像；这里可以采用制冷CCD，其冷光阑的大小需要按照前面实出瞳的大小和形状定制；

所述图像复原模块，用于从面阵光电探测器捕获图像中将两个光学通道的信息分别解算出来；所述图像复原模块具有计算存储终端和图像复原算法，所述图像复原算法采用传统压缩感知恢复算法对CCD或CMOS捕获的混合图像进行复原，先根据编码原理和步骤三所述的公式推导将问题转换到频域，在频域中使用压缩感知复原算法对图像进行复原。