一种基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法，包括：编码光谱阵列模块，类光场式成像模块和分段式压缩感知处理模块。编码光谱阵列模块作为前置模块进行滤光片阵列的结构排布与谱段编码设计；类光场式成像模块作为光学系统联合编码光谱阵列模块进行压缩采样；分段式压缩感知处理模块采用抗噪聚类及贪婪迭代算法对采样图像进行重构，最终得到高光谱数据。该方法不需要复杂的光路设计，简化系统，降低成本；且其编码解算更为简单，精度更高，可通过结构设计大幅度拓宽探测谱段。谱段。谱段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法


[0001]本专利技术涉及计算光学成像
，特别涉及一种基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法，主要是通过设计有特定分布的编码滤光片对目标光谱信息在波长维度进行编码调制，然后由压缩感知算法从调制信息中恢复出原始高光谱信息。

技术介绍

[0002]随着成像技术的发展，光谱成像开始兴起并在医疗检测、地质勘测、目标识别以及生物监测等诸多领域有了广泛的应用。高光谱成像技术通过概念与技术的双重创新，将光谱信息与影像信息结合，获取了具有地物光谱特性的影像信息数据。这种同时获取光谱信息与影像信息的技术，为人们深层次的研究地物的特性提供了手段。
[0003]传统的光谱成像仪器虽然有较高的精度，但其内部具有移动部件，造价高昂且不适用于动态场景；目前常用的光谱成像技术有快照式与计算式两种，其中，快照式可以一次曝光获取三维数据立方体，实现动态场景探测，但其光谱通道数受制于带通滤波片的数量而无法达到高光谱分辨率的要求；计算式中比较常见的方法有孔径编码与深度学习，其中，孔径编码法需要使入射光在空间经过编码后再经由色散棱镜进行波长编码，探测器感知的是二维混叠信息，重建难度大，深度学习的方法虽然有较快的重建速度，但其存在一个致命缺陷即在样本难以采集的情况下完全无法运用。
[0004]针对上述问题本专利技术提出一种基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法，首先建立起滤光片阵列的数学模型并通过优化得到最佳参数，然后将其应用于设计的光学系统，实现低成本宽谱段的高光谱探测。<br/>
技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法，基于多腔法布里
‑
珀罗干涉结构构建最优化光谱，并基于该阵列作为观测矩阵实现宽谱段高分辨率的光谱探测。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法，该方法利用的系统包括：编码光谱阵列模块1，类光场式成像模块2和分段式压缩感知处理模块3，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤1：利用编码光谱阵列模块1与类光场式成像模块2的组合系统获取目标场景的特征图像；
[0008]步骤2：利用分段式压缩感知处理模块3提取特征图像，首先使用聚类算法加滤波算法将空间地物进行分类并去噪；然后采用分段式压缩感知重建出宽谱段的高光谱信息。
[0009]进一步地，建立编码光谱阵列模块1包括：根据薄膜透射理论，建立干涉编码滤光片透射率的数学模型，该编码光谱阵列模型可根据材料层数与厚度的变化而变化，从而通过由高低折射率的材料交替镀制构建具有不同特征编码谱段分布的滤光片结构；根据RIP理论的变式，以相关性最小为目标函数，利用PSO优化算法找出最优光谱编码结构。构建可
具有最优成像效果的滤光片阵列。
[0010]进一步地，建立类光场式成像模块2包括：设计系统光路，主镜头的焦平面附近放置微透镜阵列，微透镜阵列的焦平面处放置CCD探测器；其中，微透镜阵列起到图像分割与空间信息复制的作用。
[0011]进一步地，建立分段式压缩感知处理模块3包括：读取特征图像，聚类算法与滤波算法结合去除传感噪声；提取去噪后的地物特征点，采用分段式编码提高每一段的计算稳定度，分别使用贪婪迭代法重建，最后进行各子谱段的融合得到目标场景的宽谱段高光谱图像。
[0012]本专利技术原理在于：一种基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法，从对计算光谱成像技术分析来看，该方法是通过对原始冗余数据先进行编码采样，而后进行解码重构而完成的。由于物质光谱信息各个波段之间具有极高的相关性，我们可以利用此冗余信息将其投影至稀疏高维空间，并设计有特定分布的滤光片对此信息在波长单维度进行编码，再利用相关解码算法重构出原始信息。这样可以去除系统中用于色散的棱镜或光栅，简化系统，提高系统的可靠性。
[0013]本专利技术与现有方法相比具有如下优点：
[0014](1)本专利技术同传统扫描式成像光谱仪相比，简化了系统，降低了成本，并且更适用于动态场景。
[0015](2)本专利技术同快照式光谱成像系统相比，有更多的光谱通道，可以实现更高的光谱分辨率。
[0016](3)本专利技术同孔径编码CASSI系统相比，减少了系统元件数量，减小了计算复杂度。
[0017](4)本专利技术同基于深度学习的光谱成像系统相比，更适用于复杂场景下的高光谱探测。
[0018](5)本专利技术可以在低成本条件下实现宽谱段的高光谱探测，最少仅需16个滤光片。操作简单易于实现。
附图说明
[0019]图1是本专利技术的基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法原理图；
[0020]图2是本专利技术的基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法流程图。
具体实施方式
[0021]以下结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细说明：
[0022]如图1所示，基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法，利用的系统包括：编码光谱阵列模块1，类光场式成像模块2，分段式压缩感知处理模块3。
[0023]首先，依据薄膜理论建立多腔法布里
‑
珀罗腔干涉结构的数学模型。入射光经过介质膜会发生干涉，特定波长的光被选出通过，在每一个界面两侧运用Maxwell边界关系，将两侧的电磁场联系起来，进而建立起等效介质的等效导纳与真实膜系参数之间的对应关系。单层介质膜的特征矩阵为：
[0024][0025]其中，Y1为单层介质膜的等效导纳，为薄膜的位相厚度，N1是介质折射率，d1是介质层厚度，θ1是入射角，λ1是入射光波长，η1是膜的导纳，η2为下界面外介质的导纳，E0和E2为介质膜的入射与出射电场强度。
[0026]多层膜情况下，类似于单层膜，连续使用等效界面法，若共有k层膜：
[0027][0028]其中，Y为多层介质膜的等效导纳，为各层薄膜的位相厚度，N
j
是第j层介质折射率，d
j
是第j层介质层厚度，θ
j
是第j层入射角，λ是入射光波长，η
j
是第j层薄膜的导纳，η
k+1
是最后一层薄膜外介质的导纳。E
01
和E
k+1
为多层介质膜的入射与出射电场强度。
[0029]根据上述公式建立多层膜的数学模型，然后构建编码光谱阵列模型；再以矩阵相关性最小为目标函数，采用PSO算法寻找最优分布的编码滤光片结构。参见图1中编码光谱阵列模块1。之后搭建实验光路，滤光片阵列置于物镜前，实现对入射光的编码调制；微透镜阵列置于物镜焦平面附近，实现空间信息复制与图像分割的作用；于探测器上得到待处理图像。参见图1中的类光场式成像模块2。最后将待处理图像输入计算机，提取空间各点对应的多个编码通道数值进行还原，最终获得重构的高光谱数据。参见图1中的分段式压缩感知处理模块3。
[0030]如图2所示，基于编码光谱装置实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法，其特征在于：该方法利用的系统包括：编码光谱阵列模块(1)，类光场式成像模块(2)和分段式压缩感知处理模块(3)，该方法包括以下步骤：步骤1：利用编码光谱阵列模块(1)与类光场式成像模块(2)的组合系统获取目标场景的特征图像；步骤2：利用分段式压缩感知处理模块(3)提取特征图像，首先使用聚类算法加滤波算法将空间地物进行分类并去噪；然后采用分段式压缩感知重建出宽谱段的高光谱信息。2.根据权利要求1所述的基于编码光谱装置实现宽谱段的高光谱探测的方法，其特征在于，建立编码光谱阵列模块(1)包括：根据薄膜透射理论，建立干涉编码滤光片透射率的数学模型，该编码光谱阵列模型可根据材料层数与厚度的变化而变化，从而通过由高低折射率的材料交替镀制构建具有不同特征编码谱段分...

【专利技术属性】
技术研发人员：储君秋，谷炎达，马浩统，李祥熙，刘星伶，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：