CN104121990B - 基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像*** - Google Patents

Abstract

一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***，该***包括前置成像部分、分光部分及两个以上的支路和计算机，各支路由相应的出瞳转换部分及压缩光谱成像部分。该***基于压缩感知理论，利用谱之间的关联性，提高光谱维的压缩率，实现对宽波段光谱图像数据进行三维压缩采集，大大降低了数据采集量。该成像***可以单次曝光测量宽波段上的光谱图像信息，且可以通过设计各分光路上的随机光栅获得高空间分辨率和高光谱分辨率。

Description

基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***

技术领域

本发明涉及压缩感知宽波段高光谱成像***，特别是一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***。

背景技术

宽波段高光谱成像是同时获取物体的两维空间图像信息和一维光谱信息的过程，是采集三维图像数据的过程，其数据形式如图1所示。由于现有探测器是两维的，所以在传统宽波段高光谱成像***中，都需要时间扫描来获得三维光谱图像数据。由于宽波段高光谱成像包括对从紫外光到中远红外光波段进行光谱成像，波段数多，数据量大，在获得高空间分辨率及高光谱分辨率的基础上，如何降低探测单元数目以及降低扫描时间是光谱成像技术领域亟需解决的问题。

压缩感知理论是一种全新的信号采集、编解码理论。它在信号采集阶段对数据进行压缩，降低了数据采集量，为宽波段高光谱成像技术中要求降低探测数据量的问题提供了一个良好的解决途径。其基本原理如下：假设待测信号X的长度为N，存在某组正交基Ψ＝[Ψ₁Ψ₂…Ψ_N]，使得X在该组正交基下展开，即X＝ΨX′，满足X′只含有少数几个非零元素，或者X′中大部分元素值相对于其他元素值很小。也就是说，信号X在此正交基Ψ下是稀疏或可压缩的。在此条件下，采用与Ψ不相关的测量矩阵Φ对X进行投影测量，得到长度为M的矢量Y，即Y＝ΦΨX′。通过求解非线性优化问题：

$\underset{X^{\′}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|Y-{\mathrm{\Φ\ΨX}}^{\′}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\τ}{\left|\right|X^{\′}\left|\right|}_1---\left(1\right)$

可以在M<<N的条件下，以很大概率重构出X。其中M是所需采集的数据点数，N是恢复出的数据点数。可以看出，采用该理论可以大大降低数据采集量。与传统信号采集过程不同，基于该理论的信号采集过程包括两个步骤。第一个步骤是用与信号的稀疏表达基不相关的测量基，对信号作投影测量；第二个步骤是通过非线性优化算法，重构信号。根据压缩感知理论，可以对信号进行压缩采集的条件是信号X在某一表达基Ψ下是稀疏的，且测量矩阵Φ与表达矩阵Ψ是不相关的。自然界中大部分物体的图像信息在某一正交基(比如小波变换基)下展开是稀疏的，且邻近谱段之间的图像信息冗余较高，因此可以实现三维光谱图像信息的压缩。此外，高斯随机测量矩阵与任意正交基都不相关，是一个良好的测量矩阵。这为压缩感知理论在宽波段高光谱成像中的应用奠定了理论基础。

基于压缩感知理论，美国Rice大学的Baraniuk小组实现了“压缩感知单像素相机”成像。该相机只用一个单像素探测器进行多次测量，即可对物体进行二维成像。它通过利用DMD(digitalmicrodevice)，使一部分空间位置处的光透过，其他位置处的光损失掉，对待测物体的空间图像进行空间随机振幅调制，来实现将包含物体的二维空间图像信息的数据在互不相关的随机测量基下进行投影测量，用单像素探测器记录该投影测量结果，再通过非线性优化算法重构出图像。把该单像素相机结合传统的光谱分光***，比如由光栅或棱镜及线阵探测器构成的分光***，就可实现光谱成像。受到DMD窗口材料透射谱段及尺寸的限制，该压缩成像方案在中、远红外成像领域存在困难。此外，该成像***基于振幅调制，其中约一半光能量损失掉，光能利用率低。

美国Duke大学的Brady小组将压缩感知与光谱成像结合，实现了基于幅度掩膜板的准单次曝光压缩光谱成像。它先将物体成像于第一成像面上，在该成像面上放置二元振幅掩模板对物体的像进行振幅调制，将调制后的像通过一个分光棱镜后成像于第二成像面上，通过面阵探测器对第二成像面进行探测。在该成像光谱仪中，只在光谱维进行全局投影测量，并实现压缩采集。在空间维并没有使用全局投影测量，因此在空间维并没有实现压缩采集。另外，该***要通过移动振幅掩模来实现较高的空间分辨率，并且同样基于振幅调制，光能利用率低。

中科院上海光机所的韩生申研究组提出了基于随机波前相位调制器的压缩光谱成像***。该***采用随机波前相位调制器对光场进行随机波前相位调制，它对包含物体二维空间图像信息和一维光谱信息的数据全体在互不相关的随机测量基下进行投影测量，实现压缩采集三维空间图像数据。然而，由于随机波前相位调制器在不同谱段的调制效果不同，且光电探测器的响应光谱范围及动态范围有限，该***无法实现高空间分辨率及高光谱分辨率的宽波段高光谱成像。而且，该***没有利用二维空间图像信息在光谱维上的关联性，因此没有实现光谱维的数据压缩。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***，以实现单次曝光获得高空间分辨率和高光谱分辨率的从紫外光到中远红外光的宽波段光谱图像信息，提高探测速度和灵敏度，同时减少探测单元数。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***，其特点在于该***的构成包括前置成像***、分光***、两个以上的支路和计算机，所述的支路由出瞳转换***、随机光栅和光电探测***构成，沿入射光束依次是所述的前置成像***和分光***，所述的分光***将宽波段光束分为2个以上的光谱段连续的分光谱段光束支路，在每一支路依次设置出瞳转换***、随机光栅和光电探测***，所有的光电探测***与计算机相连，所述的每一支路的出瞳转换***位于物体通过前置成像***在该支路的成像面上，所述的每一支路的随机光栅位于前置成像***的出瞳经过该支路的出瞳转换***后的成像面上，所述的每一支路的光电探测***位于该支路的随机光栅后。

所述的前置成像***是望远***、照相***或显微***。

所述的分光***是二向色滤波片或带通滤波片。

所述的各支路的出瞳转换***是成像透镜组。

所述的各支路的光电探测***由放大成像***和光电探测器构成，所述的各支路的光电探测器置于所述的该支路的放大成像***的成像面上。

所述的光电探测器是各探测单元随意分布的CCD阵列。

在不同谱段支路上，选择不同参数的随机光栅元件及相应的光电探测器。

二向色滤波片或带通滤波片将从紫外光到中远红外光的宽波段光场在光谱维上分为多个光谱段连续的分光光束。随机光栅实现对光场的随机波前相位调制，一方面在探测面生成随机光强分布，另一方面实现在光谱维的色散。该***的测量矩阵的某一列对应的是物面上某个位置上、某个中心波长的窄带点源形成的一个散斑场。由于随机光栅的随机分布，该测量矩阵也是一个随机矩阵。物面上不同位置或不同中心波长的窄带点源形成的散斑场是不相关的，相应地，测量矩阵的不同列也是不相关的。因此，该***的测量***满足压缩感知的条件。从数据获取角度来看，该***分两步来完成数据获取。

第一步为***标定：把包含待测物体的二维空间图像信息和一维光谱信息的数据全体在互不相关的随机测量基下作投影测量，用光电探测器记录各投影测量结果，从而获得***的标定矩阵。

第二步为数据重构：利用邻近光谱之间关联性，通过线性或非线性优化算法，从测量信号中重构出待测物体的三维光谱图像信息。

本发明的一种典型***构成包括：前置成像***、1个以上二向色滤波片、各支路的出瞳转换***、各支路的随机光栅、各支路的成像放大***、各支路的光电探测器、计算机。

所述前置成像***，用于将物体成像于各支路的第一成像面上。

所述1个以上二向色滤波片，用于将宽波段光谱分为多个光谱段连续的分光光束。各支路采用相应合适的随机光栅和光电探测器以提高成像***的空间分辨率、光谱分辨率及探测灵敏度。而且，分光***使得能够在各个谱段获得更高的***信噪比，进一步提高光谱成像质量。

所述各支路的出瞳转换***，用于将前置成像***的出瞳成像到该支路的随机光栅上，使得各个方向入射的光场都能够通过该支路的随机光栅中心，实现扩大成像范围的目的。

所述各支路的随机光栅，对从物面发出的该支路传播谱段的光场进行随机波前相位调制及色散。使得从物面上某一点发出的该支路传播谱段的光场，在该随机光栅后方的一段空间区域内形成较高对比度的散斑场。由于物面上的光场在空间上是非相干的，整个探测面上的光强分布是物面上不同点发出的光形成的散斑场的强度叠加。根据所分的谱段的不同，选择不同参数的随机光栅器件。例如，在可见及近红外波段，可选取起伏较小、颗粒较大的毛玻璃作为随机光栅器件。在中、远红外波段，可选取起伏较大、颗粒较小的毛玻璃作为随机光栅器件。同时，不同波段选取具有高透射率的相应材质制作随机光栅器件。

所述各支路的放大成像***将经过该支路的随机光栅后某一距离处的散斑场成像到该支路的光电探测器上，对成像后的散斑场进行采样测量。

本发明的技术效果：

1、本发明提出了一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***。该***基于随机光栅进行相位调制，对物体的三维光谱图像数据(二维空间图像信息及一维光谱信息)在互不相关的随机测量基下进行投影测量，实现对三维光谱图像数据的压缩采集。该***在调制阶段不损失光能，与基于幅度调制的压缩成像***相比，具有更高的能量利用率。与基于随机空间相位调制的压缩成像***相比，该***通过利用邻近光谱之间的关联性，实现了对光谱维的图像数据的进一步压缩采集，进一步减少了数据采集量，从而进一步降低了对探测器像元数目和测量时间的要求。而且，随机光栅对光场的色散效应，进一步提高了***的光谱分辨率。

2、该***采用的出瞳转换***，大大增加了***的成像范围。各支路的出瞳转换***将前置成像***的出瞳成像到该支路的随机光栅上，使得各个方向入射的光场都通过随机光栅中心，在不增加探测像元数目的基础上，增大了***的成像范围。

3、该***可以单次测量获得宽波段的光谱图像信息，探测时间大大缩短，而且空间分辨率及光谱分辨率大大提高。分光***使得随机光栅及光电探测器能够对各分路光谱成像进行优化设计，进一步提高了***的探测灵敏度、空间分辨率及光谱分辨率，从而实现宽波段高光谱成像。

附图说明

图1为光谱成像所获取的数据形式。

图中每个立方代表一个数据点。(x,y)代表空间位置，λ代表波长

图2为本发明基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***实施例1的结构框图。

图中：1-前置成像***2-二向色滤波片3-出瞳转换***4-随机光栅5-光电探测器6-计算机7-出瞳转换***8-随机光栅9-光电探测器

①-物面②-前置成像***出瞳③-第一成像面④-原始探测面⑤-第一成像面⑥-原始探测面

图3为本发明基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***实施例2的结构框图。

图中：1-前置成像***2-二向色滤波片3-出瞳转换***4-随机光栅5-光电探测器6-计算机7-出瞳转换***8-随机光栅9-光电探测器10-放大成像***11-放大成像***12-二向色滤波片13-出瞳转换***

14-随机光栅15-放大成像***16-光电探测器

①-物面②-前置成像***出瞳③-第一成像面④-原始探测面⑤-第一成像面⑥-原始探测面⑦-第一成像面⑧-原始探测面

具体实施方式

下面结合图2来说明本基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***是如何得到物体的高光谱图像信息的。图2为本发明基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***实施例1的结构框图。该***的构成包括前置成像***1、二向色滤波片2，以及a和b两支路上的出瞳转换***3、7、随机光栅4、8和光电探测器5、9。沿入射光束依次是前置成像***1和二向色滤波片2，二向色滤波片2将入射宽波段光束分为a和b两个的光谱段连续的分光谱段光束支路，在a和b两支路依次设置出瞳转换***3、7、随机光栅4、8和光电探测器5、9，a和b两支路的光电探测器5、9均与计算机6相连。对于a支路，出瞳转换***3位于物体①通过前置成像***1在该支路的成像面③上，随机光栅4位于前置成像***的出瞳②通过该支路的出瞳转换***3的成像面上，光电探测器5位于该支路的随机光栅4后一段距离。对于b支路，出瞳转换***7位于物体①通过前置成像***1在该支路的成像面⑤上，随机光栅8位于前置成像***的出瞳②通过该支路的出瞳转换***7的成像面上，光电探测器9位于该支路的随机光栅8后一段距离。

根据光场的衍射效应，支路a的随机光栅4和支路b的随机光栅8把物面①上不同位置、不同中心波长的各个窄带点光源分别映射成原始探测面④、⑥上的一个较高对比度的散斑场。不同空间位置或不同中心波长的点源，所对应的散斑场不同，且散斑场的关联性随着点源的空间间隔或中心波长间隔增大而降低。通过相关运算或非线性优化算法可以把不同的散斑场区分开。物面①上的光谱图像可以看作不同空间位置、不同中心波长的点源的叠加。由于物面①的光场是非相干光，原始探测面④、⑥上的光强分布是这些不同点源对应的散斑场的强度叠加。假定宽波段的光谱谱段数为L，单个波长上物体空间图像像素大小为N，探测点数为M，整个光谱成像过程可以用数学语言描述如下：

${\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ ...\\ y_M\end{array}\right)}_M={\left(\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& ...& A_{1L}\\ ...& ...& ...& ...\\ ...& ...& ...& ...\\ A_{M1}& A_{M2}& ...& A_{\mathrm{ML}}\end{array}\right)}_{M\&times;(L\&times;N)}{\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ ...\\ x_L\end{array}\right)}_{L\&times;N}---\left(2\right)$

其中： $x_i=\left(\begin{array}{c}{x}_{i1}\\ x_{i1}\\ ...\\ x_{\mathrm{iN}}\end{array}\right),i=1,...,L;---\left(3\right)$

它表示物体在第i个谱段上的图像信息。

A_ij＝(A_ij1A_ij2...A_ijN),i＝1,...,M；j＝1,...,L。(4)

A矩阵是一个M行、L×N列的矩阵，它的某一列代表物面①上某一位置、某一中心波长处的窄带光在探测面上所形成散斑场的光强分布。

在进行宽波段高光谱成像前，该***要先通过标定测量获得A矩阵。首先在物面①上的不同位置(x,y)处，分别放置不同中心波长λ的窄带点光源，用固定于各支路的探测面上的多个探测单元记录下对应的光强值。对这些光强值归一化，作为测量矩阵的某一列。不同(x,y,λ)对应的散斑光强分布构成测量矩阵的不同列，从而获得标定测量矩阵A。在进行成像测量时，只通过一次曝光记录下各支路探测单元所探测到的光强值，作为矢量Y。这样就通过测量得到了矩阵A和Y。再利用光场的谱间关联性，通过线性或非线性优化算法，就可以恢复出物体的光谱图像信息。

图3为本发明基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***实施例2的结构框图。图3对应的标定、成像过程与图2类似。差别在于，在图3中，宽波段光场在光谱维上分为3个光谱段连续的分光光束，且光电探测器5记录的是a支路上原始探测面④经过放大成像***10后所成的像，光电探测器9记录的是b支路上原始探测面⑥经过放大成像***11后所成的像，光电探测器16记录的是c支路上原始探测面⑧经过放大成像***15后所成的像。

Claims (7)

1.一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***，其特征在于该***的构成包括前置成像***、分光***、两个以上的支路和计算机，各支路由出瞳转换***、随机光栅和光电探测***构成，沿入射光束依次是所述的前置成像***和分光***，所述的分光***将宽波段光束分为2个以上的光谱段连续的分光谱段光束支路，在每一支路依次设置出瞳转换***、随机光栅和光电探测***，所有的光电探测***与计算机相连，所述的每一支路的出瞳转换***位于物体通过前置成像***在该支路的成像面上，所述的每一支路的随机光栅位于前置成像***的出瞳经过该支路的出瞳转换***后的成像面上，所述的每一支路的光电探测***位于该支路的随机光栅后。

2.根据权利要求1所述的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***，其特征在于：所述的前置成像***是望远***、照相***或显微***。

3.根据权利要求1所述的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***，其特征在于：所述的分光***是二向色滤波片或带通滤波片。

4.根据权利要求1所述的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***，其特征在于：所述的各支路的出瞳转换***是成像透镜组。

5.根据权利要求1所述的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像***，其特征在于：在所述的各支路的光电探测***由放大成像***和光电探测器构成，所述的各支路的光电探测器置于所述的该支路的放大成像***的成像面上。

6.根据权利要求1所述的压缩感知宽波段高光谱成像***，其特征在于：所述的光电探测器是各探测单元随意分布的CCD阵列。

7.根据权利要求1至6任一项所述的压缩感知宽波段高光谱成像***，其特征在于：在不同谱段支路上，选择不同参数的随机光栅元件及相应的光电探测器。