本发明专利技术提供一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统及方法，属于光学领域。该目标探测识别系统包括可编程滤光片、面阵光电探测器、数据采集卡、计算机以及成像光学元件。该目标探测识别方法通过调节可编程滤光片的光谱透过率对目标的高光谱图像数据进行编码滤波，进而将高光谱图像数据后处理融入到高光谱图像数据采集过程中，有效地避免了传统高光谱成像技术中耗时的高光谱图像数据采集及后处理过程，可实现采集数据对于待测目标的直接探测与识别，极大地减轻高光谱图像数据传输系统、处理系统和存储系统的负担。
【技术实现步骤摘要】
一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统及方法
本专利技术涉及一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统及方法，属于光学领域。
技术介绍
高光谱成像是一种将成像与光谱测量相结合的技术，其通过探测目标的二维几何空间信息和随波长分布的一维光谱信息，获取光谱连续、窄波段的图像，即三维光谱数据立方体。与传统成像技术相比，高光谱成像技术可以获取到电磁波谱紫外、可见光、近红外等波段内大量连续的光谱信息，可为每个像元提供几十个到几百个光谱宽度小于10nm的窄带光谱数据，进而绘制出完整而连续的光谱曲线。因此，高光谱成像技术不仅可以利用所获得的目标影像信息作为图像识别的基础，还可以利用丰富的光谱特征反映目标的内部结构及组成成分，发现用纹理、边缘等空间特征无法或难以探测的目标。因此，高光谱成像技术在卫星遥测、公共预警、食品安全、生物医学等众多领域具有重要的应用价值。根据成像方式的不同，高光谱成像技术可分为扫描式高光谱成像技术和快照式高光谱成像技术。其中扫描式高光谱成像技术通过点扫描、线扫描或凝视式扫描等方式，一次采集只能获取完整三维数据立方体的一个一维或二维子集。因此，为了获取目标完整的高光谱图像，扫描式高光谱成像技术通常需要进行多次不同时间的扫描。当空间分辨率和光谱分辨率要求较高时，扫描式高光谱成像技术的成像速度相对较慢且需要大规模光谱数据传输。而快照式高光谱成像技术依据高光谱图像数据的稀疏性，通过光路变换方法对高光谱图像数据进行压缩，并通过计算反演方法恢复高信噪比的高光谱图像。因此，快照式高光谱成像技术可通过单次或少量二维测量获取完整的三维高光谱图像，极大地提高了高光谱图像的采集效率。然而，快照式高光谱成像技术通常需要较高分辨率的探测器或较长耗时的高光谱图像数据恢复过程等，不利于对目标实施实时的探测与识别。另外，无论是扫描式高光谱成像技术还是快照式高光谱成像技术，其最终获得的高光谱图像数据体量巨大，不仅给高光谱图像数据后处理带来巨大的运算量以及较高的处理复杂度，也导致高光谱图像数据的传输和储存系统的负荷量大幅增加。为解决上述问题，我们提出了一种基于可编程滤光片的可编程高光谱成像及数据后处理方法，其中可编程滤光片指一种通过编程控制的可实现任意光谱透过率的新型滤光片技术。该方法通过调节可编程滤光片的光谱透过率对目标的高光谱图像数据进行编码滤波，进而将高光谱图像数据后处理融入到高光谱图像数据采集过程中，有效地避免了传统高光谱成像技术中耗时的高光谱图像数据采集及后处理过程，可实现采集数据对于待测目标的直接探测与识别。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统及方法，该方法通过将高光谱图像数据后处理融入到高光谱图像数据采集过程中，可极大地提高高光谱成像及高光谱图像数据后处理的时间效率。为了实现上述目标，本专利技术采用如下技术方案：一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统，该系统包括可编程滤光片、面阵光电探测器7、数据采集卡8、计算机9以及成像光学元件。所述的可编程滤光片包括第一光栅3、第二光栅6、透镜4和数字微镜器件5，其中数字微镜器件5设置于透镜4上方的焦平面上，第一光栅3和第二光栅6并排设置于透镜4下方的焦平面上，所述的物镜2设置于第一光栅3的下方，样品1放于物镜2下方的载物台上；所述的面阵光电探测器7设置于第二光栅6的下方；所述的数据采集卡8分别与数字微镜器件5、面阵光电探测器7和计算机9相连。一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别方法，步骤如下：步骤一、通过物镜2的入射平行光束经第一光栅3分光并通过透镜4后，源自相同波长的光将汇聚在数字微镜器件5的同一微镜单元上。步骤二、通过计算机9及数据采集卡8控制数字微镜器件5上各微镜单元的旋转角度，反射指定波长的光，并再次通过透镜4被成像到第二光栅6上。由于光路的可逆性，指定波长的光通过第二光栅6后形成特定波长组合的平行光束。步骤三、通过计算机9及数据采集卡8控制数字微镜器件5中各微镜单元的开关时间以及面阵光电探测器7的曝光时间，实现对于待测目标的特定光谱透过率的编码滤波，并由面阵光电探测器7采集光信号后成像，得到宽带测量图像；步骤四、利用采集的宽带测量图像中各像素点的值，对待测目标及背景进行分类，实现采集数据对于待测目标的直接探测与识别。所述步骤三中，特定光谱透过率是利用高光谱图像数据编码滤波算法获得，具体步骤如下：1)首先，利用主成分分析方法，根据公式(1)计算待测目标高光谱图像数据H的协方差矩阵D。其中，为待测目标高光谱图像数据H标准化后的矩阵，上标“T”表示矩阵的转置。然后，将协方差矩阵D的特征向量按特征值由大到小排列后，取其中前k个组成特征向量矩阵U1。随后，通过公式(2)计算并获得高光谱图像的特征值S，即降维后的高光谱图像数据。S＝HU1(2)2)利用线性判别算法，计算变换向量U2。首先，设待测目标分别对应m个类别，计算第i类样本的散列度矩阵其中，Si为特征值S中第i类样本的元素，μi为第i类样本特征值的均值。然后，计算类内离散度矩阵Sω。随后，计算类间离散度矩阵SB其中，μ为所有样本特征值的均值。最后，求出的最大特征值，最大特征值对应的特征向量即为变换向量U2。3)根据公式(6)，计算对待测目标的高光谱图像数据编码滤波的光谱透过率T，其中，T中光谱透过率的个数与待测目标的类别数m相同。T＝U1U2(6)4)由于可编程高光谱目标探测识别系统只能实现非负的光谱透过率，故利用光谱成像透过率T1及、补偿光谱透过率T2与T及的关系求得T1和T2，满足下述公式(7)T＝T1-T2(7)其中，T2矩阵由T矩阵中最小值的绝对值所构成，T1、T2的维数与T相同。5)对待测目标的通过光谱成像透过率T1和补偿光谱透过率T2分别进行两次编码滤波，并利用面阵光电探测器7采集图像I1及I2后相减，获得高光谱数据后处理后的最终图像I。最终图像I等效于通过光谱透过率T编码滤波后的图像。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统及方法，通过主成分分析与线性判别算法获得用于高光谱图像数据编码滤波的光谱透过率，利用可编程滤光片实现上述特定的光谱透过率并通过面阵光电探测器采集宽带测量图像，从而将高光谱图像数据后处理融入到高光谱图像数据采集过程中。本专利技术所述的基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统及方法，可避免高光谱图像数据的采集及后处理过程，可极大地减轻高光谱图像数据传输系统、存储系统和处理系统的负担。附图说明图1是本专利技术基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统的示意图；图中：1样品；2物镜；3第一光栅；4透镜；5数字微镜器件；6第二光栅；7面阵光电探测器；8数据采集卡；9计算机。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施做详细说明。本专利技术的装置示意图如图1所示，一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统，该系统包括可编程滤光片、面阵光电探测器7、数据采集卡8、计算机9以及成像光学元件。所述的可编程滤光片包括第一光栅3、第二光栅6、透镜4和数字微镜器件5，其中数字微镜器件5设置于透镜4上方的焦平面上，第一光栅3和第二光栅6并排设置于透镜4下方的焦平面上，所述的物镜2设置于第一光栅3的下方，样品1放于物镜2下方的载物台上；本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统，其特征在于，该目标探测识别系统包括可编程滤光片、面阵光电探测器(7)、数据采集卡(8)、计算机(9)以及成像光学元件；所述的可编程滤光片包括第一光栅(3)、第二光栅(6)、透镜(4)和数字微镜器件(5)，其中数字微镜器件(5)设置于透镜(4)上方的焦平面上，第一光栅(3)和第二光栅(6)并排设置于透镜(4)下方的焦平面上，所述的物镜(2)设置于第一光栅(3)的下方，样品(1)放于物镜(2)下方的载物台上；所述的面阵光电探测器(7)设置于第二光栅(6)的下方；所述的数据采集卡(8)分别与数字微镜器件(5)、面阵光电探测器(7)和计算机(9)相连。
【技术特征摘要】
1.一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统，其特征在于，该目标探测识别系统包括可编程滤光片、面阵光电探测器(7)、数据采集卡(8)、计算机(9)以及成像光学元件；所述的可编程滤光片包括第一光栅(3)、第二光栅(6)、透镜(4)和数字微镜器件(5)，其中数字微镜器件(5)设置于透镜(4)上方的焦平面上，第一光栅(3)和第二光栅(6)并排设置于透镜(4)下方的焦平面上，所述的物镜(2)设置于第一光栅(3)的下方，样品(1)放于物镜(2)下方的载物台上；所述的面阵光电探测器(7)设置于第二光栅(6)的下方；所述的数据采集卡(8)分别与数字微镜器件(5)、面阵光电探测器(7)和计算机(9)相连。2.采用权利要求1所述的一种基于可编程高光谱成像的目标探测识别系统的探测识别方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、通过物镜(2)的入射平行光束经第一光栅(3)分光并通过透镜(4)后，源自相同波长的光将汇聚在数字微镜器件(5)的同一微镜单元上；步骤二、通过计算机(9)及数据采集卡(8)控制数字微镜器件(5)上各微镜单元的旋转角度，反射指定波长的光，并再次通过透镜(4)被成像到第二光栅(6)上；由于光路的可逆性，指定波长的光通过第二光栅(6)后形成特定波长组合的平行光束；步骤三、通过计算机(9)及数据采集卡(8)控制数字微镜器件(5)中各微镜单元的开关时间以及面阵光电探测器(7)的曝光时间，实现对于待测目标的特定光谱透过率的编码滤波，并由面阵光电探测器(7)采集光信号后成像，得到宽带测量图像；步骤四、利用采集的宽带测量图像中各像素点的值，对待测目标及背景进行分类，实现采集数据对于待测目标的直接...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈硕，路交，任月天，陈梓昂，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。