一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统。本系统由望远镜成像模块，数字微反射镜DMD及控制模块，光学汇聚透镜，滤光片轮，光电倍增管PMT，数据采集模块，多光谱图像重构模块组成。系统按照预先所设置调制模板的数学形式调制目标场景的空间信息，再经由后续数据计算方法反演得到目标场景的多光谱图像。本发明专利技术的优点是：无需任何扫描，目标图像重构所需的数据量少，探测灵敏度高，结构简单。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及计算光谱成像技术W及多光谱图像的重构算法，信号处理等领域。特 别设及一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统。
技术介绍
多光谱，高光谱成像技术（参见文献1)W物质的光谱分析理论为基础，设及光学 系统设计、成像技术、光电探测、信号处理与信息挖掘、光谱信息传输理论、地物波谱特性研 究等领域，是当前重要的空间对地观测技术手段之一。由于高光谱成像技术能同时获取目 标场景的二维空间信息和光谱信息，因此在食品安全检测、地物目标的检测识别、±壤中的 金属污染的检测、矿物种类分析、洪溃灾害预测、刑事侦查、艺术品诊断、军事应用等领域都 有广泛的应用。 传统的高光谱成像仪的成像按光栅分光方式主要有光机扫描式、推靑式两种。光 机扫描式成像光谱仪W光机扫描方式工作，扫描镜从刈幅的一端扫至另一端，从而使不同 位置的地物目标发出的光进入光学系统成像。推靑式成像光谱仪W固体自扫描方式，使用 面阵探测器单元对二维地物目标进行扫描，其空间维像元数与地面给定刈幅的采样元相 同，光谱维像元数与给定光谱通道数相符。光机扫描式成像光谱仪由于具有扫描的运动部 件，从而容易导致系统的不稳定性。同时光机扫描过程中穿轨空间像元不同时获取将导致 图谱后处理难度极大。另外，探测积分时间短将极大地限制空间分辨率和光谱分辨率。推 靑式成像仪由于其光学系统结构的原因，成像视场很小，同时定标非常难，光学系统复杂， 存在光谱弯曲的情况。而且，由于两种成像方式都是采用光栅分光，单一狭缝的使用将会不 可避免的带来空间分辨率和光谱分辨率之间的矛盾。 多光谱成像系统相比较高光谱成像，牺牲了光谱分辨率，但系统结构非常简单，在 一些不需要高光谱分辨的场合仍然具有广泛的应用。传统多光谱成像大多采用面阵或者线 阵探测器，利用滤光片实现多光谱成像。如果采用线阵或者单元探测器，需要在空间上进行 扫描才能得到目标场景的完整像。就目前半导体技术而言，可见谱段的面阵探测器已经非 常成熟。但红外谱段，尤其是中远红外谱段的国产化探测器还无法大规模集成。而且目前 国际上最先进的红外谱段的面阵探测器仍然存在非均匀性等问题。 计算光谱成像技术（参见文献2)是近几年国内外提出的一口新兴的成像技术，相 比较于传统的光谱成像系统，计算光谱成像使用特殊的空间光调制器作为编码孔径对景 物目标进行编码，按照预先所设置编码孔径的数学形式调制、捕捉景物空间信息和光谱信 息成像。最后基于压缩感知理论（参见文献3、4、5)，再经由后续数据计算方法反演得到最 终多光谱图像。能够采用单像素探测器获取数据。将其应用在红外或者中远红外谱段具有 重要的研究意义。 基于W上背景，本专利技术提出一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统及图谱重构 方法。 参考文献： 王建宇，舒峡，刘银年，马艳华.成像光谱技术导论.北京：科学出版社，2011. GehmME,JohnR,BradyJD,WillettMR,SchulzJT. 20080pt. Expressl714013. DonohoDL.Compressedsensing.IEEETransactionsonInformation Theory,2006,52(4) ; 1289-1306. CandesE，RombergJ，TaoT.Robustuncertaintyprinciples；exact signalreconstructionfromhighlyincompletefrequencyinformation.IEEE TransactionsonInformationTheory，2006,52(2) ;489-509. CandesE.Compressivesampling.InternationalCongressof Mathematics,2006 ； 1433-1452.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统。在探测器方面， 采用单元探测器，解决国产中远红外谱段探测器无法大规模集成W及探测器自身非均匀差 等瓶颈问题。在数据获取方面，基于压缩感知理论，采用少量的数据即可重构得到目标的多 光谱图像，在采样的过程中就已经压缩了数据，缓解传统多光谱成像中大数据量的采集、传 输、存储压力。 本专利技术的方法使用数字微反射镜DMD作为编码孔径对景物目标进行编码，按照预 先所设置调制模板的数学形式调制、捕捉景物空间信息和光谱信息成像。最后基于压缩感 知理论，再经由后续数据计算方法反演得到最终目标场景的多光谱图像。 本专利技术提出的解决思路如下： 如图1所示，该专利技术的系统包括：望远镜成像模块1，数字微反射镜DMD及控制模 块2,光学汇聚透镜3,滤光片轮4,单像素光电倍增管PMT5,数据采集模块6,多光谱图像重 构模块7。其特征在于；望远镜成像模块1采用的望远镜焦距为304. 8mm，口径为101. 6mm; 数字微反射镜DMD及控制模块2采用的DMD其技术指标为；1024X768像素，像素大小为 13. 69微米；光学汇聚透镜3采用的焦距为40mm;滤光片轮4根据谱段需要组合不同的滤 光片；单像素光电倍增管PMT5工作谱段在300nm-900nm，像元大小8mm，输出最大暗电压 20mv;数据采集模块6采用的采集卡其量化位数为16位，采样率25化S/s。 系统各模块之间的工作流程如下：目标场景通过望远镜成像模块1成像于数字微反射镜DMD上。设定目标场景 的空间信息被划分为mXn像素，光谱信息被划分为L个谱段，其图谱信息依次表示为 4 (X，y，^ 1)，4 (X，y，^ 2).. ? 4 (X，y，^i)，该些函数的取值等于目标场景上特定像素点的 对应谱段的强度值； 数字微反射镜DMD及控制模块2每次加载一个调制模板，通过调制模板改变DMD 上每个小微镜的翻转状态从而达到调制目标场景的目的； DMD第一次调制，令调制模板为01(m，n)，具体取值为一个事先设定好的mXn阶 随机矩阵，矩阵元素的取值为0或者1，所有的元素服从高斯随机分布。保持调制模板不 变，调制后的场景经过光学汇聚透镜3汇聚，控制滤光片轮4,使其允许通过的谱段依次为 入1，^2...A,。对于每一个谱段的光信号被单像素光电倍增管PMT5探测后，经数据采集 模块6采集，得到的电压信号依次用fi(X，y,A1),fi(x,y, ^2). . .fi(x,y,Al)表示； 依次类推，DMD第k次调制，记调制模板为0k(m，n)，同第一次调制的过程，经数据 采集模块6采集，得到的电压信号依次为：[002引fk (X，y，^ 1)，fk (X，y，^ 2)... fk (X，y，入L); 基于压缩感知理论，本专利技术的方法提出：调制模板的个数即k，同时也就是观测矩 阵的行数，取值由目标场景重构所需要的空间分辨率和目标场景的稀疏度决定，k远远小于 N，取值范围为【主权项】1. 一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统，它包括：望远镜成像模块（I)，数字微反 射镜DMD及控制模块（2)，光学汇聚透镜（3)，滤光片轮（4)，单像素光电倍增管PMT (5)，数 据采集模块（6)，多光谱图像重构模块（7);其特征在于： 所述的望远镜成像模块（1)采用焦距为304. 8mm，口径为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统，它包括：望远镜成像模块(1)，数字微反射镜DMD及控制模块(2)，光学汇聚透镜(3)，滤光片轮(4)，单像素光电倍增管PMT(5)，数据采集模块(6)，多光谱图像重构模块(7)；其特征在于：所述的望远镜成像模块(1)采用焦距为304.8mm，口径为101.6mm的望远镜；所述的数字微反射镜DMD及控制模块(2)中的数字微反射镜DMD采用1024×768像素，像素大小为13.69μm的DMD；所述的数据采集模块(6)采用的采集卡量化位数为16位，采样率250kS/s；望远镜成像模块(1)将目标场景成像于数字微反射镜DMD上，通过数字微反射镜DMD及控制模块(2)调制后，调制后的场景经过光学汇聚透镜(3)汇聚，控制滤光片轮(4)使其允许通过不同波段的信号。对于每一个波段的信号被单像素光电倍增管PMT(5)探测后，经数据采集模块(6)采集，最后通过多光谱图像重构模块(7)得到目标场景的多光谱图像。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马彦鹏，舒嵘，亓洪兴，葛明锋，王义坤，王雨曦，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31