一种快照式光谱成像系统及光谱重构方法技术方案

本发明专利技术涉及光谱重构系统及光谱重构方法，具体涉及一种快照式光谱成像系统及光谱重构方法，解决了光谱重构速度慢、抗噪能力弱、分辨率低的技术问题。本发明专利技术提供的光谱成像系统包括图像采集模块和数据处理模块，图像采集模块采用表面集成了周期性微纳滤光结构的图像传感器的快照式光谱成像芯片，数据处理模块借助奇异值分解缩减L2正则化最优化算法迭代次数，将光谱重构运算时间极大缩短，从而使得快照式光谱成像芯片达到趋近实时图谱重构的效果。本发明专利技术提供的光谱重构方法基于正则化与L2正则化最优化过程，在其中加入奇异值分解优化的步骤，以较小的光谱分辨率下降换取重构速度的大幅提高。幅提高。幅提高。

【技术实现步骤摘要】
一种快照式光谱成像系统及光谱重构方法


[0001]本专利技术涉及光谱重构系统及光谱重构方法，具体涉及一种快照式光谱成像系统及光谱重构方法。

技术介绍

[0002]快照式光谱成像芯片通过在图像传感器表面集成像素级滤光结构，可以对传感器接受的光信号进行调制，形成含有光谱信息的马赛克图像，随后利用算法重构出光谱图像。
[0003]快照式光谱成像芯片的光调制结构按照设计顺序周期性排列，目标的光谱信号经周期性结构调制后被传感器采集，以电信号的形式传递给数据处理系统，得到周期性调制的马赛克图像，每一周期内包含等同于结构像元通道数的马赛克色块，即灰度信号，灰度信号代表入射光谱与调制信号乘积的积分。光谱成像芯片的光谱传递过程为病态方程，且存在难以消除的扰动，包括但不限于测量偏差、结构加工偏差、传感器噪声等。扰动在病态矩阵中会被放大，使得重建数据极易过拟合。因此常基于正则化最优化算法进行结果逼近，例如压缩感知等，该类方法能够较为精准地重构光谱曲线，但重构速度较慢，对马赛克图像的众多数据点逐个重建耗时较长，使得快照式光谱成像系统实时采集的优势难以发挥。
[0004]因此，本领域技术人员亟需开发一种耗时短、抗噪能力强、分辨率高的光谱重构方法，重构运算速度快且保真度高，对于未来快照式光谱成像芯片在目标识别、避障等应用的发展来说十分关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决光谱重构速度慢、抗噪能力弱、分辨率低的技术问题，而提供一种快照式光谱成像系统及光谱重构方法。
[0006]本专利技术的设计思路是：
[0007]本专利技术借助奇异值分解缩减L2正则化最优化算法迭代次数，将光谱重构运算时间极大缩短，从而使得快照式光谱成像芯片达到趋近实时图谱重构的效果。本专利技术基于正则化与L2正则化最优化过程，在其中加入奇异值分解优化的步骤，以较小的光谱分辨率下降换取重构速度的大幅提高，从而与快照式光谱成像芯片在光谱识别、避障等领域的应用需求相契合。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种快照式光谱成像系统，其特殊在之处在于：包括通过电连接的图像采集模块201和数据处理模块801；
[0010]所述图像采集模块201包括沿光路依次设置的带通滤波片211、成像透镜组212和光谱成像芯片213；
[0011]所述光谱成像芯片213与数据处理模块801电连接；
[0012]所述光谱成像芯片213包括图像传感器701，以及集成在图像传感器701表面的周期性微纳滤光结构601；
[0013]所述周期性微纳滤光结构601包括多个具有不同形状微纳结构的滤光像元通道；所述多个滤光像元通道的规格尺寸一致，且均匀排列，其长宽为图像传感器701内像素尺寸的整数倍；
[0014]所述不同形状微纳结构的滤光像元通道对应不同的光谱滤波系数，不同光谱滤光系数的微纳结构按固定顺序组合后周期性排列，以实现马赛克快照式成像。
[0015]进一步地，所述周期性微纳滤光结构601和图像传感器701通过物理粘贴或机械结构固连；
[0016]所述滤光像元通道与对应面积图像传感器701的像素对齐。
[0017]进一步地，所述周期性微纳滤光结构601为超表面微纳结构或光子晶体微纳结构；
[0018]所述图像传感器701为CMOS探测器或CCD探测器。
[0019]进一步地，所述周期性排列具体为以3*3、4*4或5*5周期性排列。
[0020]进一步地，还包括单色仪111、积分球121和光照度计901；
[0021]所述单色仪111设置在积分球121的入射光路上，所述带通滤波片211、成像透镜组212和光谱成像芯片213依次设置在积分球121的出射光路上；
[0022]所述积分球121用于使单色光以多种角度入射带通滤波片211；
[0023]所述光照度计901设置在积分球121的出射光路上，位于成像透镜组212之后，用于对光谱成像芯片213定标时替换光谱成像芯片213，获取单色仪光强度曲线。
[0024]一种快照式光谱成像系统的光谱重构方法，基于上述的快照式光谱成像系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0025]步骤1、获得光谱成像芯片213对不同谱段光信号的透过率曲线；
[0026]步骤2、采集待测目标的光谱信息，根据步骤1获得的透过率曲线，获得n个滤光像元通道的光谱传递系数，并构造光谱成像芯片213的光谱传递矩阵A；
[0027]步骤3、对周期性微纳滤光结构601一个滤光周期中的n个不同滤光像元通道接收到的待测目标光谱信息f(λ)进行调制，图像传感器701将经调制的待测目标光谱信息f(λ)转换为电信号，所述电信号的强度I
N
为：
[0028][0029]其中，λ1和λ2分别为图像传感器701可探测带宽的下限和上限，P(λ)为图像传感器701的量子效率函数，R(λ)为成像透镜组212的色散曲线，h(λ)为光谱成像芯片213不同滤光像元通道的光谱传递系数；
[0030]步骤4、对光谱成像芯片213的光谱传递矩阵A进行奇异值分解，利用L2正则化最优化算法，得到最优化方程：
[0031][0032]其中，U和V是正交矩阵，S为矩形对角阵，S＝s.*I，s为对角向量，I为矩形单位矩阵，L为正则化系数，.*表示点乘；
[0033]X表示该滤光周期接收到的待测光光谱，为具有m行的列向量，m＝(λ2‑
λ1)/d，d为重构待测光光谱选用的步长；
[0034]b为光谱成像芯片213在该滤光周期接收到的电信号强度矩阵，b＝(I1，I2，
…
，I
n
)；
[0035]步骤5、根据二范数性质、矩阵变换性质以及不等式原理对步骤4获得的公式进行化简，求解得到该滤光周期接收到的待测光谱X：
[0036]X＝(V*I)*(s.*(U
T
*b))/(s2+L2)
[0037]步骤6、重复步骤2
‑
步骤5，直至获得每一滤光周期接收到的待测光光谱，从而构建出光谱数据立方，完成光谱重构；所述滤光周期的周期数由滤光像元通道所占的像素数和分辨率决定。
[0038]进一步地，所述步骤4具体为：
[0039]步骤4.1、将n个不同像元通道电信号的强度I
N
组成具有N个方程的齐次方程组，并将其转化为矩阵线性关系式：
[0040]A*X＝b
[0041]其中，A为光谱传递矩阵，是大小为n*m的二维向量；
[0042]X表示该滤光周期接收到的待测光光谱，为具有m行的列向量，m＝(λ2‑
λ1)/d，d为重构待测光光谱选用的步长；
[0043]b为光谱成像芯片213接收到的电信号强度矩阵，b＝(I1，I2，
…
，I
n
)；
[0044]步骤4.2、利用L2正则化最优化算法将步骤4.1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快照式光谱成像系统，其特征在于：包括通过电连接的图像采集模块(201)和数据处理模块(801)；所述图像采集模块(201)包括沿光路依次设置的带通滤波片(211)、成像透镜组(212)和光谱成像芯片(213)；所述光谱成像芯片(213)与数据处理模块(801)电连接；所述光谱成像芯片(213)包括图像传感器(701)，以及集成在图像传感器(701)表面的周期性微纳滤光结构(601)；所述周期性微纳滤光结构(601)包括多个具有不同形状微纳结构的滤光像元通道；所述多个滤光像元通道的规格尺寸一致，且均匀排列，其长宽为图像传感器(701)内像素尺寸的整数倍；所述不同形状微纳结构的滤光像元通道对应不同的光谱滤波系数，不同光谱滤光系数的微纳结构按固定顺序组合后周期性排列。2.根据权利要求1所述的快照式光谱成像系统，其特征在于：所述周期性微纳滤光结构(601)和图像传感器(701)通过物理粘贴或机械结构固连；所述滤光像元通道与对应面积图像传感器(701)的像素对齐。3.根据权利要求2所述的快照式光谱成像系统，其特征在于：所述周期性微纳滤光结构(601)为超表面微纳结构或光子晶体微纳结构；所述图像传感器(701)为CMOS探测器或CCD探测器。4.根据权利要求3所述的快照式光谱成像系统，其特征在于：所述周期性排列具体为，以3*3、4*4或5*5周期性排列。5.根据权利要求1
‑
4任一所述的一种快照式光谱成像系统，其特征在于：还包括单色仪(111)、积分球(121)和光照度计(901)；所述单色仪(111)设置在积分球(121)的入射光路上，所述带通滤波片(211)、成像透镜组(212)和光谱成像芯片(213)依次设置在积分球(121)的出射光路上；所述积分球(121)用于使单色光以多种角度入射带通滤波片(211)；所述光照度计(901)设置在积分球(121)的出射光路上，位于成像透镜组(212)之后，用于对光谱成像芯片(213)定标时替换光谱成像芯片(213)，获取单色仪光强度曲线。6.一种快照式光谱成像系统的光谱重构方法，基于权利要求1
‑
5任一所述的快照式光谱成像系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获得光谱成像芯片(213)对不同谱段光信号的透过率曲线；步骤2、采集待测目标的光谱信息，根据步骤1获得的透过率曲线，获得n个滤光像元通道的光谱传递系数，并构造光谱成像芯片(213)的光谱传递矩阵A；步骤3、对周期性微纳滤光结构(601)一个滤光周期中的n个不同滤光像元通道接收到的待测目标光谱信息f(λ)进行调制，图像传感器(701)将经调制的待测目标光谱信息f(λ)转换为电信号，所述电信号的强度I
N
为：
其中，λ1和λ2分别为图像传感器(701)可探测带宽的下限和上限，P(λ)为图像传感器(701)的量子效率函数，R(λ)为成像透镜组(212)的色散曲线，h(λ)为光谱成像芯片(213)不同滤光像元通道的光谱传递系数；步骤4、对光谱成像芯片(213)的光谱传递矩阵A进行奇异值分解，利用L2正则化最优化算法，得到最优化方程：其中，U和V是正交矩阵，S为矩形对角阵，S＝s.*I，s为对角向量，I为矩形单位矩阵，L为正则化系数，.*表示点乘；X表示该滤光周期接收到的待测光光谱，为具有m行的列向量，m为选取的光谱波段数，m＝(λ2‑
λ1)/d，d为重构待测光光谱选用的步长；b为光谱成像芯片(213)在该滤光周期接收到的电信号强度矩阵，b＝(I1，I2，
…
，I
n
)；步骤5、根据二范数性质、矩阵变换性质以及不等式原理对步骤4获得的公式进行化简、求解得到该滤光周期接收到的待测光谱X：X＝(V*I)*(s.*(U
T
*b))/(s2+L2)；步骤6、重复步骤2
‑
步骤5，直至获得每一滤光周期接收到的待测光光谱，从而构建出光谱数据立方，完成光谱重构。7.根据权利要求6所述的一种快照式光谱成像系统的光谱重...

【专利技术属性】
技术研发人员：鱼卫星，王智海，王帅，袁瑞松，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：