一種基于壓縮感知的計(jì)算多光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知的計(jì)算多光譜成像系統(tǒng)。本系統(tǒng)由望遠(yuǎn)鏡成像模塊，數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊，光學(xué)匯聚透鏡，濾光片輪，光電倍增管PMT，數(shù)據(jù)采集模塊，多光譜圖像重構(gòu)模塊組成。系統(tǒng)按照預(yù)先所設(shè)置調(diào)制模板的數(shù)學(xué)形式調(diào)制目標(biāo)場景的空間信息，再經(jīng)由后續(xù)數(shù)據(jù)計(jì)算方法反演得到目標(biāo)場景的多光譜圖像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：無需任何掃描，目標(biāo)圖像重構(gòu)所需的數(shù)據(jù)量少，探測靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單。
【專利說明】一種基于壓縮感知的計(jì)算多光譜成像系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(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、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)場景的二維空間信息和光譜信息，因此在食品安全檢測、地物目標(biāo)的檢測識(shí)別、土壤中的 金屬污染的檢測、礦物種類分析、洪澇災(zāi)害預(yù)測、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，掃描鏡從劉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)非常簡單，在 一些不需要高光譜分辨的場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器，需要在空間上進(jìn)行 掃描才能得到目標(biāo)場景的完整像。就目前半導(dǎo)體技術(shù)而言，可見譜段的面陣探測器已經(jīng)非 常成熟。但紅外譜段，尤其是中遠(yuǎn)紅外譜段的國產(chǎn)化探測器還無法大規(guī)模集成。而且目前 國際上最先進(jìn)的紅外譜段的面陣探測器仍然存在非均勻性等問題。
[0005] 計(jì)算光譜成像技術(shù)（參見文獻(xiàn)2)是近幾年國內(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，本發(fā)明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。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明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)。在探測器方面， 采用單元探測器，解決國產(chǎn)中遠(yuǎn)紅外譜段探測器無法大規(guī)模集成以及探測器自身非均勻差 等瓶頸問題。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] 本發(fā)明的方法使用數(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)場景的多光譜圖像。
[0015] 本發(fā)明提出的解決思路如下：
[0016] 如圖1所示，該發(fā)明的系統(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PMT 5,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PMT 5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)場景通過望遠(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)場景 的空間信息被劃分為mXn像素，光譜信息被劃分為L個(gè)譜段，其圖譜信息依次表示為

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓縮感知的計(jì)算多光譜成像系統(tǒng)，它包括：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PMT (5)，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： 所述的望遠(yuǎn)鏡成像模塊（1)采用焦距為304. 8mm，口徑為101. 6mm的望遠(yuǎn)鏡； 所述的數(shù)字微反射鏡DMD及控制模塊（2)中的數(shù)字微反射鏡DMD采用1024X768像素， 像素大小為13·69μπι的DMD ; 所述的數(shù)據(jù)采集模塊（6)采用的采集卡量化位數(shù)為16位，采樣率250kS/s ; 系統(tǒng)各模塊之間的連接關(guān)系及工作過程如下： 目標(biāo)場景通過望遠(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)場景 的空間信息被劃分為mXn像素，光譜信息被劃分為L個(gè)譜段，其圖譜信息依次表示為 Φ (x，y，λ)，φ (x，y，λ2)... φ (x，y，λ,)，這些函數(shù)的取值等于目標(biāo)場景上特定像素點(diǎn)的 對(duì)應(yīng)譜段的強(qiáng)度值； 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，DMD第一次調(diào)制，令調(diào)制模 板為Θ i (m，η)，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)制后的場景經(jīng)過光學(xué)匯聚透鏡（3) 匯聚，控制濾光片輪（4)，使其允許通過的譜段依次為λ λ 2... λ ^對(duì)于每一個(gè)譜段的光 信號(hào)被單像素光電倍增管ΡΜΤ(5)探測后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊（6)采集，得到的電壓信號(hào)依次 用 (X，y，λ JΑ (X，y，λ 2)…Α (X，y，λ J 表示； 依次類推，DMD第k次調(diào)制，記調(diào)制模板為Θ k(m, η)，k的取值范圍為：
，其中N = mXn，S為Φ(χ，7, 的稀疏度；同第一次調(diào)制的過程，經(jīng)數(shù) 據(jù)采集模塊（6)采集，得到的電壓信號(hào)依次為：
最后，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，最終得到 目標(biāo)場景的多光譜圖像。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK104154999SQ201410403022
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】馬彥鵬, 舒嶸, 亓洪興, 葛明鋒, 王義坤, 王雨曦 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所