[发明专利]基于压缩感知和Hadamard变换的成像光谱系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光谱学领域，特别涉及一种基于压缩感知Hadamard变换的成像光谱系统及方法。

背景技术

成像光谱技术将成像技术和光谱技术结合在一起，形成覆盖紫外到远红外范围的光谱带宽探测，主要用于获取被测目标的空间二维信息和光谱信息，是一种新型的多维信息获取技术。成像光谱技术与实时处理技术的结合可以快速地为地面提供探测目标的空间和光谱信息，提高响应速度，准确地实现目标定性研究，其在遥感、天文、目标搜索跟踪探测、地质灾害的预测、农作物病虫害的监测、水体检测、资源勘探、大气成分监测、太空碎片的分类等领域的应用发展迅猛，对成像光谱仪的研制和成像机理提出了更高更新的要求。而常规的色散成像光谱仪又分为棱镜和光栅两种形式，原理简单，但考虑到狭缝的光损耗和分光后单位波长的光通量较小，其光谱能量利用率极低，且通常需要通过推扫的方式来实现成像光谱，稳定性低、成像效果差、耗时长。为解决这一问题，基于Hadamard变换的色散型光谱成像仪应运而生，其核心思想就是探测多通道信号线性组合之后的叠加信号，而不是探测单一的通道信号。

早在上世纪四十年代，M.J.E.Golay就已经最先提出“模板调制”调制思想，基于这种思想，Golay设计出多狭缝模板光谱仪，认识了模板调制的作用。随后，Mertz提出以旋转栅栏方法实现光场调制，利用傅里叶变换获得辐射光谱；1968年，Ibbett、Decker和Harwit等人研究了Golay光谱仪的基本特征，提出间歇步进模板取代连续旋转盘；Gottlieb研究了与正交二元数字码相关的循环码，提出循环码可折叠成二维阵列，Sloane等人在此基础上，提出Reed-Mullet码，该码适用于光谱测量，由于Reed-Mullet码与Hadamard矩阵密切相关，因此，这种新型的模板调制技术被称作Hadamard变换光谱技术。Hadamard编码模板其实是代替了传统的色散型光谱仪的狭缝的功能，实现多通道光谱高通量同时测量。其核心部件是空间光调制器，由于液晶空间光调制器的主要缺陷是不能做到理想的“全透射”和“全不透射”，而Hadamard变换中的编码矩阵要求绝对的0或1状态，因而会造成编码错误，2000年，R.A.Deverse和R.M.Hammaker利用美国德州仪器TI公司生产的数字微镜器件DMD作为空间光调制器，利用光反射到探测器方向和反射到其它方向来实现光的“开”“关”功能，且狭缝宽度与阶数（有限宽谱段内，阶数间接反映分辨率）实时可调，这种技术具有如下优点：1）光通量高，采用DMD而摒弃了传统的狭缝；2）光谱分辨率高；3）信噪比高，调制和解调方法有效抑制背景和干扰信号，相对提高有用的光谱信号；4）灵活性高，根据观测对象有目的选择特定对象的光谱信息，降低背景和其他对象的干扰。但仍然存在一定缺陷：1）Hadamard变换光谱学仅仅针对光谱探测与分析，在成像中仍然需要通过扫描方式；2）在成像中，通常需面阵探测器或者线阵探测器，探测维度相对点探测较高；3）成像速度慢；4）虽然光谱的信噪比提高了，但由于成像还是采用经典的面阵或线阵推扫探测，电学噪声较大；5）成像的采样冗余。

压缩感知是由D.L.Donoho、E.J.Candès和T.Tao等研究人员于2006年提出，早在上世纪法国数学家Prony提出稀疏信号恢复方法，这种方法是通过解特征值问题估计稀疏三角多项式的非零幅度和对应的频率；B.Logan最早提出基于L1范数最小化的稀疏约束方法。随后发展出的压缩感知理论是将L1范数最小化稀疏约束与随机矩阵结合，获得稀疏信号重建性能的最佳结果，很好地利用了自然信号可以在某个稀疏基下表示的先验知识，通过低维空间、亚采样数据的非相关观测来实现高维信号的感知。其最瞩目的一项应用是单像素照相机技术，它仅仅依靠一个点探测器便完成了原本面阵探测器的工作，从而避免由面阵探测器带来的光学噪声和电学噪声，而且同样采用数字微镜器件DMD，能做到23kHz的高速采样，这是传统面阵探测器所无法企及的，外加之鲁棒的重建算法，必将引发更多潜在应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的成像光谱系统所存在的缺陷，从而提供一种基于压缩感知和Hadamard变换的成像光谱系统，包括：望远镜单元、成像透镜4、第一扩束准直透镜5-1、第一数字微反射镜6-1、照相机7、凹面准直反射镜8、分光光栅9、第一会聚透镜10-1、第二数字微反射镜6-2、第二会聚透镜10-2、合光光栅11、第三会聚透镜10-3、点探测器12、Hadamard逆变换模块13、压缩计算关联模块14；其中，