利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法技术方案

一种利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法，包括以下步骤：获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵及采样数据；生成大气湍流传输矩阵；生成总体测量矩阵；重构多光谱图像；判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性；修正大气湍流传输矩阵；生成总体测量矩阵；重构多光谱图像；判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性；获取消除大气湍流影响的图像。本发明专利技术利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统信息获取效率较高、单次曝光获取宽波段上的光谱图像信息的特点，同时利用大气湍流在不同光谱的响应不同的特点，实现消除大气湍流的影响。

A method of eliminating atmospheric turbulence using a compressed sensing band wide hyperspectral imaging system based on random gratings

Using a random grating compressed sensing of wide band hyperspectral imaging system based on the method of eliminating atmospheric turbulence, which comprises the following steps: acquiring random grating compressed sensing measurement matrix of wide band hyperspectral imaging system based on data sampling and transmission matrix generation; atmospheric turbulence; generating overall measurement matrix reconstruction of multi spectral image; judgment; whether the reconstruction of multi spectral image to meet the characteristics of multi spectral image correction; turbulence generating matrix; general measurement matrix; reconstruction of multi spectral image; multi spectral image reconstruction to determine whether to meet the multi spectral image characteristics; obtaining image to eliminate the influence of atmospheric turbulence. The invention uses random grating compressed sensing of wide band hyperspectral imaging system to obtain information with high efficiency, single exposure to obtain spectrum image information of wide band based on the atmospheric turbulence characteristics in different responses of different spectra, eliminate the influence of atmospheric turbulence flow to achieve.

【技术实现步骤摘要】
利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法
本专利技术涉及消除大气湍流的方法，特别是一种利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法。
技术介绍
大气湍流是一种无规则涡旋运动现象，它的各个分量在时间和空间上表现出随机性。其中，大气湍流引起的振幅起伏导致光强闪烁现象，增加信号中的噪声，降低信噪比；大气湍流引起的相位起伏会严重破坏光波的时-空相干性，造成像点的弥散和抖动。因此，如何消除大气湍流的影响是大气成像
亟需解决的问题。为此，自上世纪五六十年代起，一系列成像技术提出并成功应用到空间探测中以消除大气湍流的影响。最为常见两种方法是散斑成像和自适应光学技术。散斑成像是一种通过对大量短曝光图像数据进行系综平均，而重建目标信息的图像后处理方法。其基本原理为：在物体短暂的曝光时间内，像面上的光强尚未进行平均累积，其中包含许多分辨率受限的细节，通过多次曝光采集，由计算机对大量图像数据进行Fourier变换、统计平均和反Fourier变换等处理，再现物体细节信息。计算处理包括图像Fourier变换模的反演和位相的恢复，结合获得模和位相进行Fourier反变换，最终重建物体图像。由于需要进行模和位相两步数据处理，因此所需计算量大，耗时长，图像的时效性不高。自适应光学是一种通过硬件消除大气湍流效应的技术。其主要由波前探测器、波前校正器和波前控制器三部分组成。自适应光学系统在工作时，需要已知的参照物(一般是比较明亮的恒星)。通过对参照星的探测，由波前探测器计算出大气湍流对波前的影响，常用的有空间光调制器，变形反射镜、薄膜反射镜等。由波前控制器对探测到信号进行分析处理，并控制波前校正器对波前进行修正。在对目标探测时，可以有效的消除大气湍流导致的波前扰动，获得高质量的图像。然而自适应光学系统制造困难，造价昂贵，功能复杂。中科院上海光机所的韩生申研究组提出的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统(专利号：ZL201410348475.X)能够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，为实现消除大气湍流的影响提供了新的硬件平台。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法，利用大气湍流在不同光谱的响应不同以及多光谱图像的相似性、低峭度特性，结合硬件成像系统及软件重构算法，提供一种系统复杂度低、成本低的实现消除大气湍流的方法。本专利技术的基本思想是：预先标定基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵，通过基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统获得受到大气湍流影响的采样数据。通过选取不同的大气湍流结构常数，生成不同的大气湍流传输矩阵，并与预制的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵相乘，生成总体测量矩阵。利用压缩感知算法和生成的总体测量矩阵，将基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统获取的采样数据重构为多光谱图像，并将多光谱图像的相似性、低峭度特性作为判断条件，选取出消除大气湍流影响的多光谱图像，合成为全色图像，获取消除大气湍流影响的图像。本专利技术的技术解决方案如下：步骤1、获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵及采样数据，具体是：S1.1.预先标定基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵；S1.2.利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据；步骤2、生成大气湍流传输矩阵，具体是：S2.1.建立包含大气湍流结构常数、成像系统等效透镜焦距、波长及传播距离参数的大气湍流的光学传递函数；S2.2.选取大气湍流结构常数的初始值，并获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的等效透镜焦距、成像波段及传播距离的具体值；S2.3.对各个成像波段下的光学传递函数分别进行Fourier变换，按照矩阵对角方向排列生成大气湍流传输矩阵；步骤3、生成总体测量矩阵，具体是：将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵与步骤2生成的大气湍流传输矩阵相乘，生成受大气湍流影响的总体测量矩阵；步骤4、重构多光谱图像，具体是：利用压缩感知算法和步骤3生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统受到大气湍流影响的采样数据重构为多光谱图像；步骤5、判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性，具体是：判断步骤4的重构多光谱图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足则进入步骤10，否则进入步骤6；步骤6、修正大气湍流传输矩阵，具体是：修正大气湍流的光学传递函数的大气湍流结构常数，再分别对各个波段下的光学传递函数进行Fourier变换，按照矩阵对角方向排列生成修正的大气湍流传输矩阵；步骤7、生成总体测量矩阵，具体是：将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵与步骤6修正的大气湍流传输矩阵相乘，生成受大气湍流影响的总体测量矩阵；步骤8、重构多光谱图像，具体是：利用压缩感知算法和步骤7生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统受到大气湍流影响的采样数据重构为多光谱图像；步骤9、判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性，具体是：判断重构步骤8的多光谱图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足则进入步骤10，否则进入步骤6；步骤10、获取消除大气湍流影响的图像，具体是：将重构的多光谱图像结果合成为全色图像，获取消除大气湍流影响的图像。所述的步骤1获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵及采样数据，具体是：利用专利“压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法”(专利号：ZL201410161282.3)预先标定基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵；利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据；所述的步骤2生成大气湍流传输矩阵，具体是：根据Kolmogrov和Obukhov发展的湍流统计理论，建立包含大气湍流结构常数、成像系统等效透镜焦距、波长及传播距离参数的大气湍流的光学传递函数；根据实际大气情况，以大气湍流结构常数的典型值作为其初始值，并将成像系统的等效透镜焦距及传播距离带入大气湍流的光学传递函数中，获取不同成像波段下的大气湍流的光学传递函数；对各个成像波段下的光学传递函数分别进行Fourier变换，结果按照矩阵对角方向排列，即是大气湍流传输矩阵；所述的步骤3生成总体测量矩阵，具体是：将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统测量矩阵与步骤2生成的大气湍流传输矩阵相乘，结果即是受大气湍流影响的总体测量矩阵；所述的步骤4重构多光谱图像，具体是：利用线性或非线性的压缩感知算法和步骤3生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据重构为多光谱图像结果；所述的步骤5判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性，具体是：不受大气湍流影响的多光谱图像满足相似性和低峭度特性，判断步骤4重构图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足则进入步骤10获取消除大气湍流影响的图像，否则进入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵及采样数据，具体是：S1.1.预先标定基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵；S1.2.利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据；步骤2、生成大气湍流传输矩阵，具体是：S2.1.建立包含大气湍流结构常数、成像系统等效透镜焦距、波长及传播距离参数的大气湍流的光学传递函数；S2.2.选取大气湍流结构常数的初始值，并获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的等效透镜焦距、成像波段及传播距离的具体值；S2.3.对各个成像波段下的光学传递函数分别进行Fourier变换，按照矩阵对角方向排列生成大气湍流传输矩阵；步骤3、生成总体测量矩阵，具体是：将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵与步骤2生成的大气湍流传输矩阵相乘，生成受大气湍流影响的总体测量矩阵；步骤4、重构多光谱图像，具体是：利用压缩感知算法和步骤3生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统受到大气湍流影响的采样数据重构为多光谱图像；步骤5、判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性，具体是：判断步骤4的重构多光谱图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足则进入步骤10，否则进入步骤6；步骤6、修正大气湍流传输矩阵，具体是：修正大气湍流的光学传递函数的大气湍流结构常数，再分别对各个波段下的光学传递函数进行Fourier变换，按照矩阵对角方向排列生成修正的大气湍流传输矩阵；步骤7、生成总体测量矩阵，具体是：将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵与步骤6修正的大气湍流传输矩阵相乘，生成受大气湍流影响的总体测量矩阵；步骤8、重构多光谱图像，具体是：利用压缩感知算法和步骤7生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统受到大气湍流影响的采样数据重构为多光谱图像；步骤9、判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性，具体是：判断重构步骤8的多光谱图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足则进入步骤10，否则进入步骤6；步骤10、获取消除大气湍流影响的图像，具体是：将重构的多光谱图像结果合成为全色图像，获取消除大气湍流影响的图像。...

【技术特征摘要】
1.一种利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵及采样数据，具体是：S1.1.预先标定基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵；S1.2.利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据；步骤2、生成大气湍流传输矩阵，具体是：S2.1.建立包含大气湍流结构常数、成像系统等效透镜焦距、波长及传播距离参数的大气湍流的光学传递函数；S2.2.选取大气湍流结构常数的初始值，并获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的等效透镜焦距、成像波段及传播距离的具体值；S2.3.对各个成像波段下的光学传递函数分别进行Fourier变换，按照矩阵对角方向排列生成大气湍流传输矩阵；步骤3、生成总体测量矩阵，具体是：将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵与步骤2生成的大气湍流传输矩阵相乘，生成受大气湍流影响的总体测量矩阵；步骤4、重构多光谱图像，具体是：利用压缩感知算法和步骤3生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩申生，刘震涛，刘盛盈，吴建荣，李恩荣，谭诗语，沈夏，童智申，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31