[发明专利]一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪及其成像光谱重建方法

说明书

本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪及其成像光谱重建方法。所述光谱仪包括：视场成像组件、第一空间光调制器、第二空间光调制器、会聚收光部件、色散组件、色散投影成像透镜、光电阵列探测器、数据包存储器、光源组件、第一随机数发生器、第二随机数发生器、第一信号同步控制模块、第二信号同步控制模块、系统标定矩阵处理模块、高分辨色散投影压缩感知模块和计算层析成像光谱重建模块。本发明提供的光谱仪及其成像光谱重建方法，使用常规探测器对目标色散投影图像进行分块并行压缩测量，通过压缩感知重建算法从低分辨率结果中重建出高分辨色散投影图像；进一步从重建的高分辨色散投影图像中重建出光谱图像。

技术领域

本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪及其成像光谱重建方法。

背景技术

成像光谱是将光谱测量和成像过程相结合，构建出与空间二维和光谱一维数据关联的三维数据集数据立方体的技术。成像光谱提供了同时获取目标物质属性和空间形态信息的方法和手段，可以在探测到空间位置信息的同时，探测到对应每个像素点的物质光谱信息，其凭借“图谱合一”特性在医疗、军事、科研等领域大放异彩，得到广泛的应用和研究，并以极快的速度发展。其中，计算层析成像光谱仪有别于其他传统成像光谱，有效克服了扫描或推扫方式无法完成高速光谱成像限制，实现了对动态目标光谱立方体的快速获取。

计算层析成像光谱得益于计算机处理能力和元器件工艺的提高，以拉东变换(Radon Transform)直线投影采样模型和中心切片(Center Sliced Theorem)定理为理论依据，借鉴了计算层析(Computed Tomography，CT)技术，通过色散调制元件技术和焦平面阵列探测器实现了光谱层析色散的投影测量。计算层析成像光谱具有快速获取动态目标光谱和空间信息的优点，更有高通量测量的优势，能通过快照式投影测量重建出目标多光谱图像。

但是，随着更多复杂应用场景的引入，需要更高成像质量的光谱成像要求。根据计算层析成像光谱的理论基础和光学器件构成，其性能影响主要因素是色散投影角数量和色散投影可采集范围，即受限于色散元件和焦平面阵列，导致目标光谱图像质量较差。相关研究者从色散元件角度提出了余弦调制色散元件、多方向投影色散元件以及旋转色散元件等方式。相对而言，探测器的分辨率性能提升难度远大于色散元件的调制方式设计，相关研究较少。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术受限于色散投影角数量和色散投影可采集范围，导致光谱立方体质量较差的缺点，从而提供一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪及其成像光谱重建方法，本发明采用常规分辨率探测器结合并行压缩感知调制测量数据立方体色散投影图像，重建出高于探测器的高分辨率数据立方体色散投影图像，进一步重建出高质量的目标光谱图像。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案所提供的并行压缩感知计算层析成像光谱仪包括：光学单元I和电学单元II；其中，

所述光学单元I包括：视场成像组件1、第一空间光调制器2-1、第二空间光调制器2-2、会聚收光部件3、色散组件4和色散投影成像透镜5；

所述电学单元II包括：光电阵列探测器6、数据包存储器7、光源组件8、第一随机数发生器9-1、第二随机数发生器9-2、第一信号同步控制模块10-1、第二信号同步控制模块10-2、系统标定矩阵处理模块11、高分辨色散投影压缩感知模块12和计算层析成像光谱重建模块13；其中，

所述第一信号同步控制模块10-1，用于控制协调所述第一随机数发生器9-1、第一空间光调制器2-1、光电阵列探测器6和数据包存储器7同步工作；

所述第二信号同步控制模块10-2，用于控制协调所述第二随机数发生器9-2、第二空间光调制器2-2、光电阵列探测器6和数据包存储器7同步工作；

所述光源组件8，用于在标定过程中逐个输出单波长的标定光源，还用于在探测目标过程中输出成像光源；