基于壓縮感知的計(jì)算多光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及計(jì)算光譜成像技術(shù)以及多光譜圖像的重構(gòu)算法，信號(hào)處理等領(lǐng)域。特 別涉及一種基于壓縮感知的計(jì)算多光譜成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 多光譜，高光譜成像技術(shù)（參見(jiàn)文獻(xiàn)1)以物質(zhì)的光譜分析理論為基礎(chǔ)，涉及光學(xué) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、成像技術(shù)、光電探測(cè)、信號(hào)處理與信息挖掘、光譜信息傳輸理論、地物波譜特性研 究等領(lǐng)域，是當(dāng)前重要的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)手段之一。由于高光譜成像技術(shù)能同時(shí)獲取目 標(biāo)場(chǎng)景的二維空間信息和光譜信息，因此在食品安全檢測(cè)、地物目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別、土壤中的 金屬污染的檢測(cè)、礦物種類分析、洪澇災(zāi)害預(yù)測(cè)、刑事偵查、藝術(shù)品診斷、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域都 有廣泛的應(yīng)用。
[0003] 傳統(tǒng)的高光譜成像儀的成像按光柵分光方式主要有光機(jī)掃描式、推帚式兩種。光 機(jī)掃描式成像光譜儀以光機(jī)掃描方式工作，掃描鏡從刈幅的一端掃至另一端，從而使不同 位置的地物目標(biāo)發(fā)出的光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)成像。推帚式成像光譜儀以固體自掃描方式，使用 面陣探測(cè)器單元對(duì)二維地物目標(biāo)進(jìn)行掃描，其空間維像元數(shù)與地面給定刈幅的采樣元相 同，光譜維像元數(shù)與給定光譜通道數(shù)相符。光機(jī)掃描式成像光譜儀由于具有掃描的運(yùn)動(dòng)部 件，從而容易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。同時(shí)光機(jī)掃描過(guò)程中穿軌空間像元不同時(shí)獲取將導(dǎo)致 圖譜后處理難度極大。另外，探測(cè)積分時(shí)間短將極大地限制空間分辨率和光譜分辨率。推 帚式成像儀由于其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原因，成像視場(chǎng)很小，同時(shí)定標(biāo)非常難，光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜， 存在光譜彎曲的情況。而且，由于兩種成像方式都是采用光柵分光，單一狹縫的使用將會(huì) 不可避免的帶來(lái)空間分辨率和光譜分辨率之間的矛盾。
[0004] 多光譜成像系統(tǒng)相比較高光譜成像，犧牲了光譜分辨率，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，在 一些不需要高光譜分辨的場(chǎng)合仍然具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)多光譜成像大多采用面陣或者線 陣探測(cè)器，利用濾光片實(shí)現(xiàn)多光譜成像。如果采用線陣或者單元探測(cè)器，需要在空間上進(jìn)行 掃描才能得到目標(biāo)場(chǎng)景的完整像。就目前半導(dǎo)體技術(shù)而言，可見(jiàn)譜段的面陣探測(cè)器已經(jīng)非 常成熟。但紅外譜段，尤其是中遠(yuǎn)紅外譜段的國(guó)產(chǎn)化探測(cè)器還無(wú)法大規(guī)模集成。而且目前 國(guó)際上最先進(jìn)的紅外譜段的面陣探測(cè)器仍然存在非均勻性等問(wèn)題。
[0005] 計(jì)算光譜成像技術(shù)（參見(jiàn)文獻(xiàn)2)是近幾年國(guó)內(nèi)外提出的一門新興的成像技術(shù)，相 比較于傳統(tǒng)的光譜成像系統(tǒng)，計(jì)算光譜成像使用特殊的空間光調(diào)制器作為編碼孔徑對(duì)景 物目標(biāo)進(jìn)行編碼，按照預(yù)先所設(shè)置編碼孔徑的數(shù)學(xué)形式調(diào)制、捕捉景物空間信息和光譜信 息成像。最后基于壓縮感知理論（參見(jiàn)文獻(xiàn)3、4、5)，再經(jīng)由后續(xù)數(shù)據(jù)計(jì)算方法反演得到最 終多光譜圖像。能夠采用單像素探測(cè)器獲取數(shù)據(jù)。將其應(yīng)用在紅外或者中遠(yuǎn)紅外譜段具有 重要的研究意義。
[0006] 基于以上背景，本專利提出一種基于壓縮感知的計(jì)算多光譜成像系統(tǒng)及圖譜重構(gòu) 方法。
[0007] 參考文獻(xiàn)：
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本專利的目的是提供一種基于壓縮感知的計(jì)算多光譜成像系統(tǒng)。在探測(cè)器方面， 采用單元探測(cè)器，解決國(guó)產(chǎn)中遠(yuǎn)紅外譜段探測(cè)器無(wú)法大規(guī)模集成以及探測(cè)器自身非均勻差 等瓶頸問(wèn)題。在數(shù)據(jù)獲取方面，基于壓縮感知理論，采用少量的數(shù)據(jù)即可重構(gòu)得到目標(biāo)的多 光譜圖像，在采樣的過(guò)程中就已經(jīng)壓縮了數(shù)據(jù)，緩解傳統(tǒng)多光譜成像中大數(shù)據(jù)量的采集、傳 輸、存儲(chǔ)壓力。
[0014] 本專利的方法使用數(shù)字微反射鏡DMD作為編碼孔徑對(duì)景物目標(biāo)進(jìn)行編碼，按照預(yù) 先所設(shè)置調(diào)制模板的數(shù)學(xué)形式調(diào)制、捕捉景物空間信息和光譜信息成像。最后基于壓縮感 知理論，再經(jīng)由后續(xù)數(shù)據(jù)計(jì)算方法反演得到最終目標(biāo)場(chǎng)景的多光譜圖像。
[0015] 本專利提出的解決思路如下：
[0016] 如圖1所示，該專利的系統(tǒng)包括：望遠(yuǎn)鏡成像模塊1，數(shù)字微反射鏡DMD及控制模 塊2,光學(xué)匯聚透鏡3,濾光片輪4,單像素光電倍增管PMT5,數(shù)據(jù)采集模塊6,多光譜圖像重 構(gòu)模塊7。其特征在于：望遠(yuǎn)鏡成像模塊1采用的望遠(yuǎn)鏡焦距為304. 8mm，口徑為101. 6mm; 數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊2采用的DMD其技術(shù)指標(biāo)為：1024X768像素，像素大小為 13. 69微米；光學(xué)匯聚透鏡3采用的焦距為40mm;濾光片輪4根據(jù)譜段需要組合不同的濾 光片；單像素光電倍增管PMT5工作譜段在300nm-900nm，像元大小8mm，輸出最大暗電壓 20mv;數(shù)據(jù)采集模塊6采用的采集卡其量化位數(shù)為16位，采樣率250kS/s。
[0017] 系統(tǒng)各模塊之間的工作流程如下：
[0018] 目標(biāo)場(chǎng)景通過(guò)望遠(yuǎn)鏡成像模塊1成像于數(shù)字微反射鏡DMD上。設(shè)定目標(biāo)場(chǎng)景 的空間信息被劃分為mXn像素，光譜信息被劃分為L(zhǎng)個(gè)譜段，其圖譜信息依次表示為 ?。▁，y,X1), (J) (x，y,A2)…(J) (x，y,AJ，這些函數(shù)的取值等于目標(biāo)場(chǎng)景上特定像素點(diǎn)的 對(duì)應(yīng)譜段的強(qiáng)度值；
[0019] 數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊2每次加載一個(gè)調(diào)制模板，通過(guò)調(diào)制模板改變DMD 上每個(gè)小微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)從而達(dá)到調(diào)制目標(biāo)場(chǎng)景的目的；
[0020]DMD第一次調(diào)制，令調(diào)制模板為0i(m，n)，具體取值為一個(gè)事先設(shè)定好的mXn階 隨機(jī)矩陣，矩陣元素的取值為0或者1，所有的元素服從高斯隨機(jī)分布。保持調(diào)制模板不 變，調(diào)制后的場(chǎng)景經(jīng)過(guò)光學(xué)匯聚透鏡3匯聚，控制濾光片輪4,使其允許通過(guò)的譜段依次為 h，X2- 對(duì)于每一個(gè)譜段的光信號(hào)被單像素光電倍增管PMT5探測(cè)后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模 塊6采集，得到的電壓信號(hào)依次用A(X，y,AIA(X，y,A2)…fjx,y,AJ表示；
[0021] 依次類推，DMD第k次調(diào)制，記調(diào)制模板為0k(m，n)，同第一次調(diào)制的過(guò)程，經(jīng)數(shù)據(jù) 采集模塊6采集，得到的電壓信號(hào)依次為：
[0022] fk(x，y，AlfkUj,入 2)…fk(x，y，入L);
[0023] 基于壓縮感知理論，本專利的方法提出：調(diào)制模板的個(gè)數(shù)即k，同時(shí)也就是觀測(cè)矩 陣的行數(shù)，取值由目標(biāo)場(chǎng)景重構(gòu)所需要的空間分辨率和目標(biāo)場(chǎng)景的稀疏度決定，k遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于
因此對(duì)于每一個(gè)譜段，相當(dāng)于用數(shù)據(jù)采集模塊6采集到的少量k個(gè)信號(hào)值去重構(gòu)目標(biāo)場(chǎng)景 的N個(gè)像素分辨率的圖像。言外之意也就是說(shuō)在數(shù)據(jù)采集模塊6采集的過(guò)程中已經(jīng)不知不 覺(jué)的壓縮了N-k個(gè)數(shù)據(jù)，從而緩解了傳統(tǒng)多光譜成像中大數(shù)據(jù)量的采集、傳輸、存儲(chǔ)壓力；
[0024] 因此，本專利系統(tǒng)的多光譜圖像重構(gòu)模塊7對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊6采集到的信號(hào)進(jìn)行 處理，最后得到目標(biāo)場(chǎng)景的多光譜圖像；處理步驟如下：
[0025] 1)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的第一個(gè)譜段的圖像重構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集模塊6采集到的信號(hào)整理寫 成如下⑴式：
[0027] 上式中，en，e21…ekl為單像素光電倍增管PMT5的噪聲；
[0028] 將⑴式用矩陣方程表示為如下⑵式：
[0029] F= @ ? ?+E (2)
[0030] 上式中，F(xiàn)是由信號(hào)fjx,y,人f2(x,y,人D…fk(x,y,人D組成的kX1矩陣；? 為kXN矩陣，行數(shù)k即為調(diào)制次數(shù)，列數(shù)N=mXn為調(diào)制模板0k(m，n)的元數(shù)個(gè)數(shù)，?的 每一行由對(duì)應(yīng)的QkQn)重新排列而成；?為由巾（x，y，A1)組成的NXl矩陣；ESkXl 噪聲矩陣。顯然，（2)式實(shí)際上是一個(gè)病態(tài)方程。直接求解很