本發(fā)明屬于光學技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光譜成像系統(tǒng)與方法，具體涉及一種用于水下的非線性光譜成像系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

由于水介質(zhì)對光的衰減、光在水中傳播時前后向散射、水中雜質(zhì)的散射作用等，光譜成像系統(tǒng)在水中具有圖像對比度差、不清晰和信噪比低的問題，因此很難進行遠距離成像。光譜成像系統(tǒng)能夠獲得兩維空間信息和一維光譜信息，由于成像光譜儀的能量被劃分到多個譜段，因此每個譜段信噪比更差，系統(tǒng)工作距離更近。

一般認為噪聲是有害的，然而基于調(diào)制不穩(wěn)定性的非線性系統(tǒng)可以有效利用噪聲，使噪聲能量在空間域向信號方向轉(zhuǎn)移，在某個時刻系統(tǒng)信號、噪聲達到協(xié)同，此時輸出信噪比達到峰值，這種技術(shù)被稱為隨機共振技術(shù)。將隨機共振技術(shù)應(yīng)用到水下光譜成像儀中，提高系統(tǒng)信噪比，從而在一定程度上提高系統(tǒng)的水下探測距離。因此如何將隨機共振技術(shù)應(yīng)用到水下光譜成像儀中是一個研究重點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決光學成像系統(tǒng)在水中不清晰和信噪比低，導致探測距離近的問題，本發(fā)明提供了一種用于水下的非線性光譜成像系統(tǒng)及方法，用于探測海洋水下目標的二維空間信息和光譜信息，可以獲得較高信噪比，提高系統(tǒng)工作距離。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種用于水下的非線性光譜成像系統(tǒng)，包括沿光路依次設(shè)置的前置光學系統(tǒng)1、準直鏡2、第一分光元件、dmd或空間光調(diào)制器4、第二分光元件及成像鏡6；

其特殊之處在于：

還包括隨機共振系統(tǒng)和微光探測器7；

上述微光探測器7位于成像鏡6的焦平面處，用于探測圖像信息并將圖像信息反饋至隨機共振系統(tǒng)；

上述隨機共振系統(tǒng)包括非線性晶體單元8與反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)；上述非線性晶體單元8位于前置光學系統(tǒng)1的一次像面處，用于對光信號進行非線性調(diào)制；上述反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)與微光探測器7及非線性晶體連接，微光探測器7將圖像信息反饋至反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)，反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)用于根據(jù)微光探測器7反饋的圖像信息調(diào)整非線性晶體單元8的電壓。

優(yōu)選地，為了解決不同工藝材料生長的非線性晶體僅在某一窄帶范圍內(nèi)(100nm)具有隨機共振的能力的問題，上述非線性晶體單元8包括四種不同的非線性晶體，排列為田字形放置于前置光學系統(tǒng)1的一次像面處，上述非線性晶體單元能夠沿非線性晶體單元的中心軸轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選地，四種不同的非線性晶體分別在不同的窄帶范圍內(nèi)具有隨機共振能力，四種不同的非線性晶體組合能夠?qū)崿F(xiàn)在可見光范圍內(nèi)隨機共振。

優(yōu)選地，上述第一分光元件與第二分光元件均為光柵。

優(yōu)選地，上述微光探測器7為emccd、scmos、ccd或iccd。

本發(fā)明還提供一種基于上述的成像系統(tǒng)的水下的非線性光譜成像方法，包括以下步驟：

步驟一：光源發(fā)射的激光經(jīng)景物反射后進入前置光學系統(tǒng)1，前置光學系統(tǒng)1將入射光信號成像在非線性晶體單元8上，非線性晶體單元8對入射光進行非線性調(diào)制后，經(jīng)過準直鏡2準直到達第一分光元件，第一分光元器件對經(jīng)過非線性調(diào)制和準直的光信號進行位移及色散分光，色散分光后的光信號經(jīng)過dmd或空間光調(diào)制器4的編碼調(diào)制，然后再經(jīng)過第二分光元件的反向位移和色散匯聚作用，得到編碼后的圖像數(shù)據(jù)，編碼后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過成像鏡6成像于微光探測器7，微光探測器7獲得景物的圖像信息；

步驟二：微光探測器7將圖像信息發(fā)送至反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)；

步驟三：反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)根據(jù)圖像信息調(diào)節(jié)非線性晶體單元8的電壓，判斷微光探測器7輸出圖像的變化，直至獲得清晰的圖像。

優(yōu)選地，步驟三包括逐步調(diào)節(jié)四個非線性晶體電壓的步驟。

優(yōu)選地，當系統(tǒng)包括四個非線性晶體時，具體通過：

1)光源發(fā)射的激光經(jīng)景物反射后進入前置光學系統(tǒng)1；

2)以用于水下的非線性光譜成像系統(tǒng)中心為軸線，以90度為間隔，旋轉(zhuǎn)成像系統(tǒng)，使得光線依次通過四個非線性晶體，再分別依次通過準直鏡2、第一分光元件、dmd或空間光調(diào)制器4、第二分光元件及成像鏡6，成像于微光探測器7；

3)微光探測器7獲得四次測量結(jié)果的圖像信息，拼接后形成全視場圖像信息；

4)微光探測器7將全視場圖像信息反饋至反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)；

5)觀察微光探測器7輸出圖像的變化，反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)根據(jù)圖像信息分別調(diào)整四個非線性晶體的電壓，直至獲得清晰的圖像。

優(yōu)選地，上述光源為超連續(xù)譜白光激光器。

本發(fā)明的有益效果是：

1、將非線性晶體放置在前置光學系統(tǒng)的一次像面位置，利用隨機共振系統(tǒng)將水下激光光源回波信號中的噪聲充分利用，通過不斷調(diào)整非線性晶體電壓，改變噪聲能量在非線性晶體空間域分布，使其向信號傳播方向轉(zhuǎn)移，在某一時刻系統(tǒng)，信號、噪聲達到協(xié)同，輸出信噪比達到峰值。解決了水下光譜成像信噪低，探測距離短的問題；

2、包括四種不同的非線性晶體，在可見光范圍(450-850nm)內(nèi)實現(xiàn)隨機共振；

3、四種不同的非線性晶體以田字形排列，測量過程簡單可控。

附圖說明

圖1為本發(fā)明成像系統(tǒng)示意圖；

圖2為非線性晶體單元8示意圖；

圖3為成像過程中非線性晶體單元8旋轉(zhuǎn)過程示意圖；

圖中附圖標記為：1-前置光學系統(tǒng)，2-準直鏡，3-第一光柵，4-dmd或空間光調(diào)制器，5-第二光柵，6-成像鏡，7-微光探測器，8-非線性晶體單元。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。

從圖1可以看出，本發(fā)明系統(tǒng)主體是一個編碼孔徑光譜成像儀，包括沿光路方向依次設(shè)置的前置光學系統(tǒng)1、準直鏡2、第一光柵3、dmd或空間光調(diào)制器4、第二光柵5、成像鏡6，在編碼孔徑光譜成像儀中加入隨機共振系統(tǒng)及微光探測器7，將微光探測器7設(shè)置在成像鏡6的焦平面處，微光探測器7可以是emccd、scmos、ccd、iccd等，隨機共振系統(tǒng)包括非線性晶體單元8及反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)，非線性晶體單元8位于前置光學系統(tǒng)1的一次像面處，反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)與非線性晶體單元8及微光探測器7連接。

為了解決不同工藝材料生長的非線性晶體僅在某一窄帶范圍內(nèi)(100nm)具有隨機共振能力的問題。本發(fā)明在可見光范圍內(nèi)采用四種非線性晶體(450-850nm)，排列成田字形，放置在前置光學系統(tǒng)的一次像面處，在可見光范圍內(nèi)實現(xiàn)隨機共振。

使用超連續(xù)譜白光激光器作為光源，發(fā)射的白色激光經(jīng)過景物反射后被編碼孔徑光譜成像系統(tǒng)接收；光源發(fā)射的激光經(jīng)景物反射后進入前置光學系統(tǒng)1，前置光學系統(tǒng)1將入射光信號成像在非線性晶體單元8上，非線性晶體單元8對入射光進行非線性調(diào)制后，經(jīng)過準直鏡2準直到達第一光柵3，第一光柵3對經(jīng)過非線性調(diào)制和準直的光信號進行位移及色散分光，色散分光后的光信號經(jīng)過dmd或空間光調(diào)制器4的編碼調(diào)制，然后再經(jīng)過第二分光元件第二光柵5的反向位移和色散匯聚作用，得到編碼后的圖像數(shù)據(jù)，編碼后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過成像鏡6成像于微光探測器7，微光探測器7獲得景物的圖像信息；

當非線性晶體單元包括四個不同的非線性晶體時，非線性晶體單元能夠以非線性光譜成像系統(tǒng)中心為軸線旋轉(zhuǎn)，以90度為間隔，旋轉(zhuǎn)四次，可參見圖3，微光探測器7獲得四次測量結(jié)果。每一次測量均可以計算一個光譜片段，四個光譜片段進行拼接，形成全視場450nm-850nm的光譜曲線，即獲得全視場圖像信息；微光探測器7將全視場圖像信息反饋至反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)；反饋電壓調(diào)整系統(tǒng)逐步調(diào)節(jié)每一個非線性晶體的電壓，判斷微光探測器7輸出圖像的變化，直至獲得最清晰的圖像。

編碼孔徑光譜成像儀能夠獲取同時獲取目標的二維空間信息和一維光譜信息。隨機共振系統(tǒng)通過調(diào)整非線性晶體的電壓，使得非線性系統(tǒng)噪聲、系統(tǒng)、信號達到協(xié)同、在該狀態(tài)該成像系統(tǒng)信噪比最高。