[发明专利]一种基于LED的低成本主动式高光谱检测系统

说明书

本发明公开了一种基于LED的低成本高光谱检测系统，包括：光源模块、分光模块、采样模块、数据处理模块。分光模块，将每个LED按峰值波长排序，依次单独点亮LED灯，完成高光谱检测系统的分光过程；调节LED的驱动电流，改变光谱分布和光束的峰值波长，对LED光源加电流调制，从而提高分光精度；数据处理模块，将高光谱图像立方体均匀地划分成子立方体，将子立方体组中每个子立方体展开的二维矩阵在列的方向上依次排列，合并成一个二维矩阵，通过二维矩阵的秩实现对高光谱图像立方体在光谱上和空间上的低秩约束，用于移除各种不同类型的噪声；还利用字典学习算法，根据上述子立方体学习出稀疏表示的空间‑光谱字典，将字典用于提高高光谱数据立方体的光谱分辨率。

技术领域

本发明涉及高光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于LED的低成本主动式高光谱检测系统。

背景技术

在现代科研过程中，多数情况下必须对空间不均匀样品的分布特性加以分析和确认，使用传统的光谱仪仅仅能够以聚焦的镜头扫描样品或者获得整个样品的平均特性，这种光谱和空间信息不可兼得的局限性促使高光谱成像技术应运而生。高光谱成像技术以物质的光谱分析理论为基础，涉及光学方法及装置设计、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，该技术具有空间可识别性、超多波段、高的光谱分辨率、光谱范围广和图谱合一等众多优点，其在发展之初便备受关注，应用范围十分广泛。在民用领域，高光谱成像技术可用于重要性或危险性较高的安全监控，例如危险气体泄漏监测、食品安全检测等。在军事领域方面，高光谱成像技术在目标识别方面具有很大的优势，因此在军事应用方面广泛用于侦查用途，例如战场详细侦查、伪装目标识别、打击毁伤分析等。

根据成像方式的不同，现今的高光谱成像方法及装置大致分为两类：主动式和被动式。被动式高光谱成像技术经历了数代的发展应用，在天气预报、环境监测、城市规划、资源探查、水文监测、洪涝与火灾、天文探测、军事侦察等领域逐渐发挥了非常重要的作用。然而在一些新兴技术领域如生物、医学、材料学等领域内，被动式高光谱成像技术存在自身的局限性与不适用性，主要包括①太阳光源的限制②光谱受周围环境的影响较大。故而，在小范围、室内环境、近物测量等应用环境下主动式高光谱成像可以发挥其依赖自身光源、不存在自然照射条件的限制等优势。

目前，国内外现有的主动式高光谱成像检测系统主要有两类。第一种主动式高光谱成像检测系统依赖于光学分光系统，由光学分光系统获取成像系统所需的单色光，来进行高光谱图像立方体的获取。第二种是基于量子级联激光器(QCL)的主动式高光谱成像检测系统。现有的量子级联激光器是主要发射光谱在中红外和远红外频段激光的半导体激光器，无法应用与可见光阶段。应用范围较窄，并且价格过于昂贵，在此不多做讨论。

基于分光系统的主动式高光谱成像检测系统是民用高光谱成像仪的主要研究方向。光栅、棱镜和电动可调滤波器是光学分光系统的关键器件。电动可调滤波器主要有AOTF(声光可调谐滤波器)或LCTF(液晶可调谐滤波器)两类。复色光经光栅或棱镜衍射为成像系统提供单色光，可调滤波器通过电调谐的方式从复色光中滤出所需波长的单色光。无论哪种分光方式，每次成像皆只需一种单色光，复色光的大部分能量被滤掉，因此光源的利用率过低，能源过渡浪费。除此之外，上述检测方法依赖分光器件，结构较为复杂，并且成本过于昂贵，无法满足高光谱成像检测系统产业化、民用化的迫切需要。无法大批量生产服务民众，为我们的生活提供便利。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LED的低成本高光谱检测系统，光源选用LED阵列，其发射光束均为单色光窄带波，本系统通过对光源的调制来控制光路中LED光源阵列的波长，进而获取不同波段照明下样品的二维图像，即可得到样品的高光谱图像立方体，详见下文描述：

一种基于LED的低成本高光谱检测系统，所述检测系统包括：

光源模块，提供系统所需单色光阵列，并进行LED的光束光强分布校准，得到横截面光强均匀分布的光束；