[发明专利]一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及计算光谱成像技术以及多光谱图像的重构算法，信号处理等领域。特别涉及一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统。

背景技术

多光谱，高光谱成像技术(参见文献1)以物质的光谱分析理论为基础，涉及光学系统设计、成像技术、光电探测、信号处理与信息挖掘、光谱信息传输理论、地物波谱特性研究等领域，是当前重要的空间对地观测技术手段之一。由于高光谱成像技术能同时获取目标场景的二维空间信息和光谱信息，因此在食品安全检测、地物目标的检测识别、土壤中的金属污染的检测、矿物种类分析、洪涝灾害预测、刑事侦查、艺术品诊断、军事应用等领域都有广泛的应用。

传统的高光谱成像仪的成像按光栅分光方式主要有光机扫描式、推帚式两种。光机扫描式成像光谱仪以光机扫描方式工作，扫描镜从刈幅的一端扫至另一端，从而使不同位置的地物目标发出的光进入光学系统成像。推帚式成像光谱仪以固体自扫描方式，使用面阵探测器单元对二维地物目标进行扫描，其空间维像元数与地面给定刈幅的采样元相同，光谱维像元数与给定光谱通道数相符。光机扫描式成像光谱仪由于具有扫描的运动部件，从而容易导致系统的不稳定性。同时光机扫描过程中穿轨空间像元不同时获取将导致图谱后处理难度极大。另外，探测积分时间短将极大地限制空间分辨率和光谱分辨率。推帚式成像仪由于其光学系统结构的原因，成像视场很小，同时定标非常难，光学系统复杂，存在光谱弯曲的情况。而且，由于两种成像方式都是采用光栅分光，单一狭缝的使用将会不可避免的带来空间分辨率和光谱分辨率之间的矛盾。

多光谱成像系统相比较高光谱成像，牺牲了光谱分辨率，但系统结构非常简单，在一些不需要高光谱分辨的场合仍然具有广泛的应用。传统多光谱成像大多采用面阵或者线阵探测器，利用滤光片实现多光谱成像。如果采用线阵或者单元探测器，需要在空间上进行扫描才能得到目标场景的完整像。就目前半导体技术而言，可见谱段的面阵探测器已经非常成熟。但红外谱段，尤其是中远红外谱段的国产化探测器还无法大规模集成。而且目前国际上最先进的红外谱段的面阵探测器仍然存在非均匀性等问题。

计算光谱成像技术(参见文献2)是近几年国内外提出的一门新兴的成像技术，相比较于传统的光谱成像系统,计算光谱成像使用特殊的空间光调制器作为编码孔径对景物目标进行编码,按照预先所设置编码孔径的数学形式调制、捕捉景物空间信息和光谱信息成像。最后基于压缩感知理论(参见文献3、4、5)，再经由后续数据计算方法反演得到最终多光谱图像。能够采用单像素探测器获取数据。将其应用在红外或者中远红外谱段具有重要的研究意义。

基于以上背景，本发明提出一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统及图谱重构方法。

参考文献：

[1]王建宇，舒嵘，刘银年，马艳华.成像光谱技术导论.北京:科学出版社，2011.

[2]Gehm M E,John R,Brady J D,Willett M R,Schulz J T.2008Opt.Express17 14013.

[3]Donoho D L.Compressed sensing[J].IEEE Transactions on Information Theory，2006，52(4)：1289-1306.

[4]Candès E，Romberg J，Tao T.Robust uncertainty principles：exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information[J].IEEE Transactions on Information Theory，2006，52(2)：489-509.

[5]Candès E.Compressive sampling[C].International Congress of Mathematics，2006：1433-1452.

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统。在探测器方面，采用单元探测器，解决国产中远红外谱段探测器无法大规模集成以及探测器自身非均匀差等瓶颈问题。在数据获取方面，基于压缩感知理论，采用少量的数据即可重构得到目标的多光谱图像，在采样的过程中就已经压缩了数据，缓解传统多光谱成像中大数据量的采集、传输、存储压力。