[发明专利]一种基于压缩感知的频域谱成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于压缩感知的频域多分辨率成像方法，包括如下步骤：S01：压缩感知矩阵模块产生图像感知矩阵，将其传输至图像采样模块进行图像采样；S02：压缩感知矩阵模块产生光谱感知矩阵，并将其传输至光谱采样模块进行光谱采样，得到各个采样像素点的光谱采样数据S_p；S03：基于各个采样像素点的光谱采样数据S_p进行光谱数据重建，得到对应采样像素点的光谱曲线S_p.r；S04：确定重建图像的光谱分辨率b_m，并在各个采样像素点的光谱曲线中确定光谱分辨率b_m下的光谱数据S_p.r(b_m)，基于光谱数据S_p.r(b_m)重建得到光谱图像I(S(b_m))。本发明提出了图像稀疏采样结合光谱稀疏采样的双重稀疏采样方案，显著缩短数据采样时间。

技术领域

本发明涉及光学应用技术领域，具体涉及一种基于压缩感知的频域谱成像装置及方法。

背景技术

在光谱领域，谱成像是指利用被测物质的光谱信息进行成像，由于光谱信息位于独立于图像二维空间信息的一个维度中，所以可以根据不同的光谱位置(频率)的频谱强度对目标进行成像，谱成像可以提供远多于普通成像的物质信息，普通的二维成像实际为谱成像在可见光频段的一个特例。谱成像在成像同时可以实现对被测目标的谱分析，而谱分析与物质的结构及物理、化学性质紧密相关，具有很好的实用价值，谱成像检测具有无接触、无损伤等特点，目前已经在生物医学检测、安防安检和食品监控等各大民用、工业等领域广泛使用。

在光谱检测领域，物质结构骨架振动、分子谐振、化学键拉伸变形等特征均存在其对应的特征频率，这些特征频率普遍分布于红外、尤其是远红外频段，该频段的光谱检测技术受到光源和探测器的限制，最初普遍采用的光谱技术主要为时域光谱技术，时域光谱技术基于迈克尔逊干涉原理，通过分光延时相干的基本光学机构提取频带内的对应频点的光谱强度，通过扫描不同频点最后得到相应频段内的光谱信息，由于存在时间延迟线等机械移动结构，速度慢，稳定性低，通过系统优化，光谱测量技术逐渐采用频域光谱系统，通过调节具有频差的双种子光源的发射频率和光程，获取差频相干光谱信息，频域系统消除了时间延迟线机械模块，光谱测试速度和稳定性得到一定程度提高，通常10T带宽的光谱数据需要几秒至几十秒不等的时间，但是对于谱成像而言，频域系统消耗时间会更长，所以较难满足实际谱成像需求。

压缩感知技术是近年来出现的一种新的信号采样技术，基于信号自身的稀疏性(或在某个变换域中的稀疏性)，信号可以以远低于Nyquist频率的采样率完成采样，并将信号重建转化为线性凸优化问题进行求解，Candes、Tao和Donoho等科学家已经证明信号可以被高概率准确重建。鉴于普通信号普遍具有稀疏性，压缩感知技术为各个技术领域带来了新的突破空间，相关领域技术的时间成本、硬件资源消耗可以大幅降低，而性能几乎不受影响。压缩感知技术以其独特的魅力在世界范围内引起了广泛的研究热潮，若能将其应用在谱成像领域，必然会弥补传统频域光谱系统谱成像的缺陷，对谱成像光学技术领域的发展具有积极的推动作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压缩感知的频域谱成像装置及方法，提出了图像稀疏采样结合谱稀疏采样的双重稀疏采样方案，显著缩短数据采样时间并实现更高的谱分辨率，在不改变所使用的光谱设备的前提下，更加高效的实现谱成像功能，弥补传统频域光谱系统低时效性缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于压缩感知的频域谱成像方法，包括如下步骤：

S01：压缩感知矩阵模块根据图像采样单元产生图像感知矩阵，并将其传输至图像采样模块，所述图像采样模块按照图像感知矩阵对被测目标进行图像采样，得到M_i个采样像素点；其中，所述图像感知矩阵的行数对应图像采样个数M_i；