本發(fā)明涉及高光譜成像，具體涉及一種基于時域拉伸的單像素高光譜成像方法及裝置。

背景技術：

1、高光譜成像技術能夠探測獲得被測目標的二維空間信息和一維光譜信息，是一種將成像技術和光譜技術相結合的多維信息分析技術。每種材料在電磁波譜的不同波長區(qū)域都有其獨特的光譜特征，高光譜成像包含了目標特征的詳細光譜響應，具有更多的光譜帶和高光譜分辨率，有潛力去捕捉不同環(huán)境條件下的光譜差異。因此，高光譜成像技術已成為空間解析不同化學成分的不可或缺的工具。

2、鑒于高光譜成像技術優(yōu)異的光譜分辨率與寬光譜覆蓋范圍，其涵蓋了廣泛的應用場景，例如：在農業(yè)研究中，為檢索各種作物和土壤屬性，及時有效地檢測到養(yǎng)分缺失、作物疾病等早期信號；在遠程環(huán)境遙感和礦物含量測繪中，通常需要詳細繪制地殼的化學成分組成；在生物醫(yī)學檢測中，對于組織和器官的病理檢查，需要同時對多個目標進行反饋分析。因此，發(fā)展兼具快速、高光譜分辨率和高靈敏的高光譜成像技術一直以來是國際研究熱點，其所具備的基于圖像的非接觸性、非破壞性、檢測特異性等優(yōu)勢為精準農業(yè)、遠程遙感和醫(yī)學診斷分析等應用提供了有力支撐。

3、然而，傳統(tǒng)的高光譜成像方法受分光掃描方式和成像探測手段的限制，通常具有復雜的光學系統(tǒng)和精密的機械裝置，難以兼具快速、高光譜分辨率和高靈敏的特點?，F(xiàn)有的色散型光譜成像系統(tǒng)依賴于光柵或棱鏡進行色散分光，需要掃描裝置以及陣列探測器來獲取高光譜數(shù)據立方體，光譜分辨率受限于光柵的刻線數(shù)目和探測器的像素規(guī)模，成像速度也較為緩慢?；谡瓗V波片的光譜成像系統(tǒng)通過帶通濾波片獲得特定波段的光譜信息，濾波片的數(shù)目一般決定了系統(tǒng)的光譜通道數(shù)。基于干涉原理的傅里葉變換光譜成像儀通常需要焦平面陣列探測器，并且光譜儀的刷新速度固有地受到記錄干涉圖所需的機械掃描的影響，這導致總采集時間長達幾分鐘。所以，發(fā)展新型的分光方式和成像手段對于提高光譜成像系統(tǒng)的光譜分辨率和采集速度是極具挑戰(zhàn)的難題。

4、近年來，單像素成像技術作為一種新型的計算成像方式，利用空間光調制模塊，生成一系列掩模圖案對光場進行編碼調制，調制后的光強信息被不具備空間分辨能力的桶探測器所收集，經過多次采樣，借由關聯(lián)算法實現(xiàn)物體的空間信息重構。然而，應用于高光譜成像領域的單像素成像架構通常需要空間色散元件或窄帶濾波器件，光譜分辨率和光譜通道受限，光通量降低。時間拉伸光譜探測技術提供了一種新型的光譜探測手段，其利用群速度色散將光譜信息映射到時域波形上，實現(xiàn)了信號的時域信息和光譜之間的實時映射，利用單像素探測器高速率測量光譜，無需空間時間拉伸模塊和機械掃描，具有高通量、寬波段、實時和高分辨的優(yōu)勢。然而，在利用波分復用技術提高空間成像光信號分辨率的系統(tǒng)(cn115494004a)和一種超快時域拉伸成像裝置及方法(cn110411954a)等現(xiàn)有技術中，將時間拉伸技術拓展到成像領域還需要借助空間色散裝置，使信號光的不同頻率分量對應于目標上的不同空間坐標，將目標圖像編碼到時間寬帶脈沖上，無法獲得不同波長下的完整圖像信息。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：提出一種基于時域拉伸的單像素高光譜成像方法及裝置，該技術方案能夠實現(xiàn)兼具快速、高光譜分辨率和高靈敏的高光譜成像，以解決傳統(tǒng)高光譜成像在分光掃描方式和成像探測手段的相關問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，第一方面，本公開實施例提供一種基于時域拉伸的單像素高光譜成像方法，包括：寬波段信號光經過待測樣品，獲得二維圖像信息和一維光譜信息，利用空間光調制模塊生成掩模圖案，對攜帶有樣品信息的信號光進行空間編碼調制；空間編碼后的寬波段信號光經色散介質時間拉伸實現(xiàn)不同波長在時域上的分離，利用單像素探測器記錄信號脈沖的時域信息；通過信號光頻率和時間延時量精確的對應關系將時間映射回頻譜，根據已知的掩模序列和不同波長對應的信號強度，結合關聯(lián)算法得到高光譜圖像。

3、基礎方案的有益效果：本技術方案通過時間拉伸的方式對成像物體的光譜維度進行探測，克服了空間色散元件和窄帶濾波器件在光譜分辨率提高上的困境，并且無需空間狹縫，高光譜成像系統(tǒng)的光通量得到了顯著提升，結合高速的數(shù)據采集系統(tǒng)，能夠在寬波段范圍內實現(xiàn)亞波數(shù)水平光譜分辨率、大于1000光譜通道數(shù)和高靈敏的高光譜成像。

4、本技術方案利用空間光調制器對信號光場進行空間編碼，與時間拉伸光譜探測技術相結合，僅需單像素探測器即可實現(xiàn)高光譜圖像數(shù)據采集，避免了對高精度機械掃描裝置和大面陣探測器件的依賴，同時規(guī)避了成像空間分辨率和光譜通道數(shù)之間的權衡，增加了高光譜成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和可適用性。

5、由于所采用的單像素成像架構需要進行多次迭代采樣，在后續(xù)高光譜圖像數(shù)據處理中對已知的一系列特定的編碼掩模和與其對應的不同波長的強度信息進行關聯(lián)求解。本技術可結合壓縮感知算法或者基于深度學習的重構方法，顯著減少測量次數(shù)和數(shù)據處理時間，在不影響高光譜成像質量的情況下提升成像幀頻。

6、作為一種可實施的優(yōu)選方案，空間光調制模塊生成m個特定的編碼圖案對攜帶有樣品信息的信號光進行空間強度編碼，該過程表示為：

7、

8、其中，是信號光被第i個掩模圖案編碼后的總強度值，寬波段信號光經過待測樣品表示為，其中r是空間位置，是入射光的波長。

9、作為一種可實施的優(yōu)選方案，在時間拉伸模塊前加入可調濾波器實現(xiàn)對信號光頻率和時間延時量關系的標定，通過設置可調濾波器不同的濾波頻率，并測得對應的時間，得到信號光頻率和時間延時量的對應關系。

10、作為一種可實施的優(yōu)選方案，通過信號光頻率和時間延時量精確的對應關系將時間映射回頻譜，根據已知的掩模序列和不同波長對應的信號強度，結合關聯(lián)算法得到高光譜圖像，包括以下內容：

11、對于波長有m個強度值，待測目標在波長處的二維圖像為，通過以下方式求解：

12、。

13、第二方面，本公開實施例還提供了一種基于時域拉伸的單像素高光譜成像裝置，包括光源模塊、空間調制模塊、時間拉伸模塊、數(shù)據采集模塊和圖像處理模塊；所述光源模塊用于輸出的寬波段信號光照射待測樣品，獲得二維圖像信息和一維光譜信息；所述空間調制模塊用于對攜帶有樣品信息的信號光進行編碼調制；所述時間拉伸模塊用于將編碼后的寬波段信號光在時域上分散開，由數(shù)據采集模塊記錄信號脈沖的時域信息；所述圖像處理模塊用于通過信號光頻率和時間延時量精確的對應關系將時間映射回頻譜，根據已知的掩模序列和不同波長對應的信號強度，結合關聯(lián)算法得到高光譜圖像。

14、作為一種可實施的優(yōu)選方案，所述光源模塊包括寬帶近紅外光源，能夠拓展至可見光波段，中波、長波紅外波段，以及太赫茲區(qū)域。

15、作為一種可實施的優(yōu)選方案，所述空間調制模塊包括液晶空間光調制器、數(shù)字微鏡陣列調制器和發(fā)光二極管陣列，能夠對強度參數(shù)、相位參數(shù)、調制速度參數(shù)進行控制。

16、作為一種可實施的優(yōu)選方案，所述數(shù)據采集模塊包括單像素探測器和示波器；所述單像素探測器用于測量包含了空間編碼信息的時域拉伸脈沖；所述示波器用于對收集的模擬電信號進行采樣和量化，將其轉換為數(shù)字信號。

17、作為一種可實施的優(yōu)選方案，所述數(shù)據采集模塊包括銦鎵砷探測器、單光子探測器和時間相關單光子計數(shù)器；所述銦鎵砷處理器用于對光源模塊發(fā)射的光源進行探測作為開始觸發(fā)信號；所述單光子探測器用于對時間拉伸后的信號光實現(xiàn)單光子探測，測量包含了空間編碼信息的時域拉伸脈沖作為停止信號；所述時間相關單光子計數(shù)器用于記錄開始信號與結束信號的時間差，累計測量得到統(tǒng)計直方圖。

18、作為一種可實施的優(yōu)選方案，還包括第一平凸透鏡和第二平凸透鏡，用于對寬波段信號光進行擴束；還包括第三平凸透鏡和第四平凸透鏡，用于調整攜帶有樣品信息信號光的光束大小，并將圖像信息投影到空間光調制模塊上。