CN106404171B - 一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置与测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的提供一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置，包括前置透镜2、波段选择与分光模块3、空间编码模块4、准直透镜5、面阵探测器6、数据存储模块7、计算重构模块8；该测量仪基于三维编码，对物体的三维光谱数据，包括二维空间信息及一维光谱信息在随机编码信息下进行投影测量，在数据采集阶段即可对高光谱数据进行降维，得到选定中心波长的压缩高光谱数据。与传统的高光谱成像系统相比，本发明不仅在空间上实现了压缩采样，同时在数据采集阶段进行光谱选择，实现数据降维，避免了数据冗余，减少了数据量，提高了信息利用率，便于后端传输、存储。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，尤其涉及一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置与测量方法。
背景技术
光谱成像技术是一种将成像技术和光谱技术结合为一体的技术，能够同时获取目标场景的图像信息和光谱信息，在研究地物空间结构的同时，能够获取其物理特性，便于地物的探测、识别。在高光谱成像中，不仅需要获得目标场景高分辨率的二维空间信息，同时也要获得高分辨率的光谱信息，因此高光谱数据的数据量巨大，为存储、传输及数据处理带来了很大的压力。如何对高光谱数据进行高效的压缩，降低数据维数成为高光谱数据处理的重要研究内容。
压缩感知理论的提出，为快速获取高光谱数据提供了理论基础。使得成像系统在数据采集过程中可以明显减少数据量，并利用自然图像的稀疏性进行重构。其基本原理如下：如果长度为N的信号x在某个变换基Ψ下是稀疏的(即系数中只有少量的非零元素)，若把其投影到另一个与变换基Ψ不相关的观测矩阵Φ上，得到观测信号y:M×1，通过求解优化问题：
在M＜＜N的情况下，信号x可由观测信号y高概率重构。该问题的求解方法主要有基追踪法、梯度投影法和迭代阈值收缩法等。正交匹配追踪算法是一种典型的基追踪法，其基本思路是从过完备原子库中，选择一个与信号最匹配的原子构建一个稀疏逼近，并求出信号残差，然后继续选择与信号残差最匹配的原子，反复迭代，信号可以由这些原子来线性和，再加上最后的残差值来表示。
在现有的高光谱成像及数据处理中，高光谱图像的降维通常是在获取到数据之后进行的，即在已经采集到的大量数据中挑选出能够用于后续处理的有效数据，抛弃掉大量冗余数据，这样必然会造成探测器性能和数据采集时间的浪费。
传统的光谱成像系统以棱镜或光栅作为分光元件，想要获得全部场景的光谱信息需要通过扫描，而且通常使用线阵探测器再进行拼接才能得到，成像系统由于配备了光机扫描的运动部件，其稳定性难以保证，且体积大，不便于携带。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量仪。该测量仪基于三维编码，对物体的三维光谱数据，包括二维空间信息及一维光谱信息在随机编码信息下进行投影测量，在数据采集阶段即可对高光谱数据进行降维，得到选定中心波长的压缩高光谱数据。
一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置，包括前置透镜2、波段选择与分光模块3、空间编码模块4、准直透镜5、面阵探测器6、数据存储模块7、计算重构模块8；
所述前置透镜2将目标场景1的光线会聚；
所述波段选择与分光模块3接收前置透镜2的透射光，并使透射光中的选定的一系列中心波长的光通过，完成光谱维的编码；
由于在目标场景1中相邻波段间有着较高的相关性和冗余性，并非所有中心波长的光都对图像的处理都有同样重要的作用，所以需要通过某种波段选择算法，从目标场景1中选取出所需的最优中心波长去完成目标场景1高光谱图像空间的重构。最优中心波长的选取不仅减少了目标场景1中的数据维数，而且保留了感兴趣的场景目标信息。
因此所述选定的一系列中心波长的光满足如下条件：
1)包含目标场景1信息量最大；
2)使目标场景1的可区分性最好；
3)彼此间相关性最弱；
4)使目标场景1的光谱特征差异性最大；
所述空间编码模块4接收通过波段选择与分光模块3的出射光；在空间编码模块4通过0/1调制模板对入射光实现二维空间信息的调制，其中，0/1调制模板是互不相关的二维随机矩阵，且随着每次调制的入射光中心波长不同，二维随机矩阵也不同；且每一个矩阵元的取值为0或1，服从高斯随机分布；同时，当矩阵元为0时，该矩阵元处的入射光不能透射；当矩阵元为1时，该矩阵元处的入射光能透射；
所述准直透镜5将调制后的包含二维空间信息的光线进行缩束和准直，得到平行光束；
所述面阵探测器6接收准直透镜5输出的包含二维空间信息的平行光束，并将二维空间信息转换为调制图像；
所述数据存储模块7将面阵探测器6的输出的调制图像进行采集存储；
所述计算重构模块8接收数据存储模块7存储的调制图像，并通过调制图像计算得到目标场景1中选定中心波长的光的图像信息和光谱信息，完成选定中心波长的高光谱计算成像。
所述波段选择与分光模块3包括液晶可调滤光器31和液晶可调滤光器控制器32，其中液晶可调滤光器控制器32通过改变加载在液晶可调滤光器31上的控制电压来改变通过波段选择与分光模块3的入射光的中心波长。
所述空间编码模块4采用透射式编码模块，其中透射式编码模块包括透射式液晶空间光调制器41和空间光调制器控制器42；其中空间光调制器控制器42控制透射式液晶空间光调制器41上加载的二维随机矩阵，对入射光进行二维空间信息的调制。
所述空间编码模块4采用反射式编码模块，其中反射式编码模块包括反射式空间光调制器43和空间光调制器控制器42；其中空间光调制器控制器42控制反射式空间光调制器43上加载的二维随机矩阵，对入射光进行二维空间信息的调制。
反射式空间光调制器43为反射式硅上液晶器件LCOS或者反射式数字微镜器件DMD。
一种基于三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：目标场景1的空间光密度为f0(x,y,λ)，其中x,y表示目标场景1在二维空间中的坐标，λ表示目标场景1光谱维的波长；目标场景f0(x,y,λ)通过前置透镜2入射到波段选择与分光模块3，波段选择与分光模块3上加载控制电压使得通过该模块的入射光为特定中心波长的准单色光，且该特定中心波长处的透过率函数为T1(λ)；经过波段选择与分光模块3后，入射光光强分布f1(x,y,λ)为：
f1(x,y,λ)＝T1(λ)f0(x,y,λ)；
步骤2：空间编码模块4上加载的0/1调制模板对通过波段选择与分光模块3的入射光的光强分布进行调制，得到二维空间信息；其中，空间编码模块4的透过率函数为T2(x,y)，经过空间编码模块4后，入射光强度f2(x,y,λ)为：
f2(x,y,λ)＝∫∫f1(x',y',λ)T2(x',y')×h(x-x',y-y')dx'dy'
其中h(x-x',y-y')表示成像测量装置的脉冲响应函数；
步骤3：准直透镜5将调制后的包含二维空间信息的入射光进行缩束、准直，得到平行光束；
步骤4：面阵探测器6接收接收准直透镜5输出的包含二维空间信息的平行光束，并将其转换为调制图像；其中，面阵探测器6上的光强分布g(x,y)为：
g(x,y)＝∫∫∫T(x',y',λ)f0(x',y',λ)×h(x-x',y-y')dx'dy'dλ
其中，T(x,y,λ)＝T1(λ)T2(x,y)；
步骤5：数据存储模块7采集并存储面阵探测器6的调制图像；
步骤6：改变加载在波段选择与分光模块3上的控制电压，将进入空间编码模块4的入射光的中心波长调节至选定的下一个中心波长，重复步骤1到步骤5，直至完成全部选定中心波长的光的采集；
步骤7：计算重构模块8利用数据存储模块7的调制图像，并通过调制图像计算得到目标场景1中选定中心波长的光的图像信息和光谱信息，完成选定中心波长的高光谱计算成像。
有益效果：
1、本发明提出了一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置，该测量装置基于三维编码，对物体的三维光谱数据，包括二维空间信息及一维光谱信息在随机编码信息下进行投影测量，在数据采集阶段即可对高光谱数据进行降维，得到选定中心波长的压缩高光谱数据。与传统的高光谱成像系统相比，本发明不仅在空间上实现了压缩采样，同时在数据采集阶段进行光谱选择，实现数据降维，避免了数据冗余，减少了数据量，提高了信息利用率，便于后端传输、存储。
2、该测量装置的波段选择与分光模块，利用液晶可调滤光器在数据采集阶段即可进行波段选择，实现了高光谱图像的降维，避免了数据采集时间的浪费。
3、该测量装置的空间编码模块对目标场景进行空间维的编码，在空间上实现了压缩采样，大大减少了数据量，提高了面阵探测器的利用率。
4、该测量装置采用液晶可调滤光器对透过光波段进行精确选取，从而得到入射光辐射某一中心波长的准单色光能量，通过改变加载电压，可快速实现透过中心波长的连续可调谐。与传统的棱镜、光栅作为分光元件相比，具有体积小、重量轻、便携带、无色散等优势。
5、该测量装置采用液晶可调滤光器和面阵探测器相结合的方式获取数据，一次采集得到目标场景的整个视场内的信息，无需进行扫描拼接即可得到的图像，因此成像装置中没有运动部件，提高了成像装置的稳定性和可靠性，减小了体积。
附图说明
图1为本发明一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置具体实施例1的结构框图。
图2为本发明一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置具体实施例2的结构框图。
1-目标场景，2-前置透镜，3-波段选择与分光模块，31-液晶可调滤光器，32-液晶可调滤光器控制器，4-空间编码模块，41-透射式空间光调制器，42-空间光调制器控制器，43-反射式空间光调制器，5-准直透镜，6-面阵探测器，7-数据存储模块，8-计算重构模块。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明进一步详细说明。
图1为本发明一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置具体实施例1的结构框图。一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置，包括前置透镜2、波段选择与分光模块3、空间编码模块4、准直透镜5、面阵探测器6、数据存储模块7、计算重构模块8；
所述前置透镜2将目标场景1的光线会聚；
所述波段选择与分光模块3接收前置透镜2的透射光，并使透射光中的选定的一系列中心波长的光通过，完成光谱维的编码；
由于在目标场景1中相邻波段间有着较高的相关性和冗余性，并非所有中心波长的光都对图像的处理都有同样重要的作用，所以需要通过某种波段选择算法，从目标场景1中选取出所需的最优中心波长去完成目标场景1高光谱图像空间的重构。最优中心波长的选取不仅减少了目标场景1中的数据维数，而且保留了感兴趣的场景目标信息。
因此所述选定的一系列中心波长的光满足如下条件：
1)包含目标场景1信息量最大；
2)使目标场景1的可区分性最好；
3)彼此间相关性最弱；
4)使目标场景1的光谱特征差异性最大；
所述空间编码模块4接收通过波段选择与分光模块3的出射光；在空间编码模块4通过0/1调制模板对入射光实现二维空间信息的调制，其中，0/1调制模板是互不相关的二维随机矩阵，且随着每次调制的入射光中心波长不同，二维随机矩阵也不同；且每一个矩阵元的取值为0或1，服从高斯随机分布；同时，当矩阵元为0时，该矩阵元处的入射光不能透射；当矩阵元为1时，该矩阵元处的入射光能透射；
所述准直透镜5将调制后的包含二维空间信息的光线进行缩束和准直，得到平行光束；
所述面阵探测器6接收准直透镜5输出的包含二维空间信息的平行光束，并将二维空间信息转换为调制图像；
所述数据存储模块7将面阵探测器6的输出的调制图像进行采集存储；
所述计算重构模块8接收数据存储模块7存储的调制图像，并通过调制图像计算得到目标场景1中选定中心波长的光的图像信息和光谱信息，完成选定中心波长的高光谱计算成像。
所述波段选择与分光模块3包括液晶可调滤光器31和液晶可调滤光器控制器32，其中液晶可调滤光器控制器32通过改变加载在液晶可调滤光器31上的控制电压来改变通过波段选择与分光模块3的入射光的中心波长。
所述空间编码模块4采用透射式编码模块，其中透射式编码模块包括透射式液晶空间光调制器41和空间光调制器控制器42；其中空间光调制器控制器42控制透射式液晶空间光调制器41上加载的二维随机矩阵，对入射光进行二维空间信息的调制。
所述空间编码模块4采用反射式编码模块，其中反射式编码模块包括反射式空间光调制器43和空间光调制器控制器42；其中空间光调制器控制器42控制反射式空间光调制器43上加载的二维随机矩阵，对入射光进行二维空间信息的调制。
反射式空间光调制器43为反射式硅上液晶器件LCOS或者反射式数字微镜器件DMD。
一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置的具体测试方法如下：
步骤1：目标场景1的空间光密度为f0(x,y,λ)，其中x,y表示目标场景1在二维空间中的坐标，λ表示目标场景1光谱维的波长；目标场景f0(x,y,λ)通过前置透镜2进入波段选择与分光模块3，波段选择与分光模块3上加载控制电压使得透过该模块的光为特定中心波长的准单色光；液晶可调滤光器31在该特定中心波长处的透过率为T1(λ)，经过波段选择与分光模块3后，光强分布f1(x,y,λ)为：
f1(x,y,λ)＝T1(λ)f0(x,y,λ)；
步骤2：空间编码模块4上加载的二维随机编码信息对经过液晶可调滤光器31的准单色光目标场景1的光强分布图像进行调制；空间编码模块4的透过率函数为T2(x,y)，经过空间编码模块4后，光谱强度f2(x,y,λ)为：
f2(x,y,λ)＝∫∫f1(x',y',λ)T2(x',y')×h(x-x',y-y')dx'dy'
其中h(x-x',y-y')表示整个成像测量装置的脉冲响应函数；
步骤3：准直透镜5将调制后的包含二维空间信息的入射光进行缩束和准直，得到平行光束；
步骤4：面阵探测器6接收接收准直透镜5输出的包含二维空间信息的平行光束，并将其转换为调制图像；其中，面阵探测器6上的光强分布g(x,y)为：
g(x,y)＝∫∫∫T(x',y',λ)f0(x',y',λ)×h(x-x',y-y')dx'dy'dλ
其中，T(x,y,λ)＝T1(λ)T2(x,y)；
步骤5：数据存储模块7采集并存储面阵探测器6压缩的调制图像；
步骤6：改变加载在波段选择与分光模块3上的控制电压，将进入空间编码模块4的透过光的中心波长调节至选定的下一个中心波长，重复步骤1到步骤5，直至完成全部选定中心波长的光的采集；
步骤7：计算重构模块8利用光谱维与空间维的编码信息以及数据存储模块7的调制图像，通过正交匹配追踪算法进行重构，计算得到目标场景1中选定的中心波长的高光谱数据。
图2为本发明一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置具体实施例2的结构框图，对应的成像过程与图1类似。差别在于，在图2中，透射式空间光调制器41为反射式空间光调制器43，得到具体实施例2，系统光路在空间光调制器之后发生了反射，改变了光路方向。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置，其特征在于，包括前置透镜(2)、波段选择与分光模块(3)、空间编码模块(4)、准直透镜(5)、面阵探测器(6)、数据存储模块(7)、计算重构模块(8)；
所述前置透镜(2)将目标场景(1)的光线会聚；
所述波段选择与分光模块(3)接收前置透镜(2)的透射光，并使透射光中选定的一系列中心波长的光通过，完成光谱维的编码，具体的：
所述波段选择与分光模块(3)包括液晶可调滤光器(31)和液晶可调滤光器控制器(32)，其中液晶可调滤光器控制器(32)通过改变加载在液晶可调滤光器(31)上的控制电压来改变通过波段选择与分光模块(3)的入射光的中心波长；
所述选定的一系列中心波长的光满足如下其中一个条件：
1)包含目标场景(1)信息量最大；
2)使目标场景(1)的可区分性最好；
3)彼此间相关性最弱；
4)使目标场景(1)的光谱特征差异性最大；
所述空间编码模块(4)接收通过波段选择与分光模块(3)的出射光；在空间编码模块(4)通过0/1调制模板对入射光实现二维空间信息的调制，其中，0/1调制模板是互不相关的二维随机矩阵，且随着每次调制的入射光中心波长不同，二维随机矩阵也不同；且每一个矩阵元的取值为0或1，服从高斯随机分布；同时，当矩阵元为0时，该矩阵元处的入射光不能透射；当矩阵元为1时，该矩阵元处的入射光能透射；
所述准直透镜(5)将调制后的包含二维空间信息的光线进行缩束和准直，得到平行光束；
所述面阵探测器(6)接收准直透镜(5)输出的包含二维空间信息的平行光束，并将二维空间信息转换为调制图像；
所述数据存储模块(7)将面阵探测器(6)的输出的调制图像进行采集存储；
所述计算重构模块(8)接收数据存储模块(7)存储的调制图像，并通过调制图像计算得到目标场景(1)中选定中心波长的光的图像信息和光谱信息，完成选定中心波长的高光谱计算成像。
2.如权利要求1所述的一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置，其特征在于，所述空间编码模块(4)采用透射式编码模块，其中透射式编码模块包括透射式液晶空间光调制器(41)和空间光调制器控制器(42)；其中空间光调制器控制器(42)控制透射式液晶空间光调制器(41)上加载的二维随机矩阵，对入射光进行二维空间信息的调制。
3.如权利要求1所述的一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置，其特征在于，所述空间编码模块(4)采用反射式编码模块，其中反射式编码模块包括反射式空间光调制器(43)和空间光调制器控制器(42)；其中空间光调制器控制器(42)控制反射式空间光调制器(43)上加载的二维随机矩阵，对入射光进行二维空间信息的调制。
4.如权利要求3所述的一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置，其特征在于，反射式空间光调制器(43)为反射式硅上液晶器件LCOS或者反射式数字微镜器件DMD。
5.一种基于权利要求1的三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：目标场景(1)的空间光密度为f0(x,y,λ)，其中x,y表示目标场景(1)在二维空间中的坐标，λ表示目标场景(1)光谱维的波长；目标场景f0(x,y,λ)通过前置透镜(2)入射到波段选择与分光模块(3)，波段选择与分光模块(3)上加载控制电压使得通过该模块的入射光为特定中心波长的准单色光，且该特定中心波长处的透过率函数为T1(λ)；经过波段选择与分光模块(3)后，入射光光强分布f1(x,y,λ)为：
f1(x,y,λ)＝T1(λ)f0(x,y,λ)；
步骤2：空间编码模块(4)上加载的0/1调制模板对通过波段选择与分光模块(3)的入射光的光强分布进行调制，得到二维空间信息；其中，空间编码模块(4)的透过率函数为T2(x,y)，经过空间编码模块(4)后，入射光强度f2(x,y,λ)为：
f2(x,y,λ)＝∫∫f1(x',y',λ)T2(x',y')×h(x-x',y-y')dx'dy'
其中h(x-x',y-y')表示整个成像测量装置的脉冲响应函数；
步骤3：准直透镜(5)将调制后的包含二维空间信息的入射光进行缩束、准直，得到平行光束；
步骤4：面阵探测器(6)接收接收准直透镜(5)输出的包含二维空间信息的平行光束，并将其转换为调制图像；其中，面阵探测器(6)上的光强分布g(x,y)为：
g(x,y)＝∫∫∫T(x',y',λ)f0(x',y',λ)×h(x-x',y-y')dx'dy'dλ
其中，T(x,y,λ)＝T1(λ)T2(x,y)；
步骤5：数据存储模块(7)采集并存储面阵探测器(6)的调制图像；
步骤6：改变加载在波段选择与分光模块(3)上的控制电压，将进入空间编码模块(4)的入射光的中心波长调节至选定的下一个中心波长，重复步骤1到步骤5，直至完成全部选定中心波长的光的采集；
步骤7：计算重构模块(8)利用数据存储模块(7)的调制图像，并通过调制图像计算得到目标场景(1)中选定中心波长的光的图像信息和光谱信息，完成所需中心波长的高光谱计算成像。
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