[发明专利]基于液晶高光谱计算成像系统的三维自适应压缩重构方法

说明书

本发明公开了一种基于液晶高光谱计算成像系统的三维自适应压缩重构方法，液晶高光谱计算成像系统包括LCTF、编码孔径、探测器和光学透镜。方法包括：采集LCTF在各光谱通道下的低分辨率图像，获得低分辨率数据立方体；进行插值操作，快速得到高分辨率的高光谱数据立方体；利用自适应编码规则，基于高光谱数据立方体生成各滤波波段所需的自适应编码孔径；通过自适应编码孔径分别获取各光谱通道下的压缩测量值；基于压缩感知理论，根据系统的观测矩阵、稀疏基和压缩测量值，重构出高分辨率的目标光谱数据立方体。本发明利用先验信息设计自适应编码孔径和空‑谱联合字典，使得本发明对目标场景有很强的适应性，能够提升成像质量。

技术领域

本发明涉及高光谱成像技术领域，尤其是一种基于液晶高光谱计算成像系统的三维自适应压缩重构方法。

背景技术

目前光谱技术已在地质矿产、生物医药、环境保护等领域得到了广泛的应用。而高光谱成像技术将光谱技术与传统的成像技术相结合，能够获取目标的三维数据立方体，包括二维空间信息及一维高分辨率光谱信息，其重要性不言而喻。

液晶可调谐滤波器(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)是一种通过改变外加电压实现中心波长调谐的光谱滤波器件。由于LCTF具有快速可调谐、灵活选择滤波范围、体积小成本低等优点，基于LCTF的高光谱成像系统已成为一种重要的高光谱仪结构型式。

对于传统的基于LCTF的高光谱成像系统而言，其光谱分辨率受限于液晶可调谐滤波器的带宽。常用的做法是增加LCTF中滤光片的级次使其带宽变窄，从而提高光谱分辨率。然而此种做法会降低LCTF的透过率，导致系统的光通量减少，影响成像质量。所以，传统的基于LCTF的高光谱成像系统存在一个固有缺点，即光谱分辨率和光通量相互制约。

此外，传统的基于LCTF的高光谱成像系统的空间分辨率受限于探测器的分辨率。虽然工艺的不断提升使得制造高分辨率探测器不再那么困难，然而在一些特殊领域，例如探测红外波段信息，高分辨率探测器依然面临着制造成本高等问题。同时，高光谱数据体量巨大，会带来存储、传输的极大压力。

另外，在高光谱成像中，设计了液晶高光谱计算成像系统，液晶高光谱计算成像系统是利用随机编码孔径对光谱图像进行空间维上的调制的。然而，随机编码孔径并不是最优选择，它无法充分利用目标场景的结构特征，因此数据立方体的空间维成像效果尚有提升的空间。并且液晶高光谱计算成像系统很容易获得目标场景的先验信息，无需增加额外探测器和系统复杂度。这些先验信息可用于进一步提升液晶高光谱计算成像系统在空间维和光谱维的重构质量。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于液晶高光谱计算成像系统的三维自适应压缩重构方法，以充分利用先验信息，在实现基于LCTF的高光谱成像系统三维超分辨的同时提高数据立方体的重构质量。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于液晶高光谱计算成像系统的三维自适应压缩重构方法，所述液晶高光谱计算成像系统包括LCTF、编码孔径、探测器和光学透镜，LCTF对目标场景进行光谱滤波，滤波后的图像经由编码孔径进行空间调制，然后经光学透镜成像在探测器上；本发明的压缩重构方法包括：

加载快照式编码孔径；逐次调谐LCTF滤波的中心波长，采集LCTF在各光谱通道下的低分辨率图像，获得低分辨率数据立方体；

对低分辨率数据立方体进行插值操作，得到高分辨率的高光谱数据立方体，该高光谱数据立方体与目标场景的分辨率相同；

利用自适应编码规则，基于高光谱数据立方体生成各滤波波段所需的自适应编码孔径；

通过自适应编码孔径分别获取各光谱通道下的压缩测量值；