一种基于压缩感知的计算多光谱成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 基于W上背景，本发明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。
[0007] 参考文献：
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[0010] [3]DonohoDL.Compressedsensing[J].IEEETransactionsonInformation Theory,2006,52(4) ; 1289-1306.
[0011] [4]CandesE，RombergJ，TaoT.Robustuncertaintyprinciples；exact signalreconstructionfromhighlyincompletefrequencyinformation[J].IEEE TransactionsonInformationTheory，2006,52(2) ;489-509.
[0012] [5]CandesE.Compressivesampling[C].InternationalCongressof Mathematics,2006 ； 1433-1452.
【发明内容】
[0013] 本发明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。
[0014] 本发明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。
[0015] 本发明提出的解决思路如下：
[0016] 如图1所示，该发明的系统包括：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。
[0017] 系统各模块之间的工作流程如下：
[0018]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；
[0019] 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；
[0020] 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；
[0021] 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);
[0023] 基于压缩感知理论，本发明的方法提出：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1024X768像素， 像素大小为13. 69 ym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。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】G01J3-28, G06T5-50
【公开号】CN104748852
【申请号】CN201510146193
【发明人】马彦鹏, 舒嵘, 亓洪兴, 葛明锋, 王义坤, 王雨曦
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月31日
【公告号】CN104154999A