CN108627465A - 一种基于压缩感知高光谱成像的快速无损监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩感知的高光谱成像装置，其目的在于提供一种通过单探测器进行压缩采样的高光谱相机对植物进行快速无损监测。包括成照明系统、成像物镜、空间光调制装置(数字微镜设备)、准直镜组、光栅、旋转台、可调狭缝、单探测器、模/数转换设备及便携式计算机。目标通过成像物镜成像到空间光调制装置后，通过准直镜组，平行地照射到固定在旋转台的光栅上进行分光，得到的光谱通过狭缝被单探测器接收。可通过旋转光栅对光谱谱段进行选择，通过设置可调节狭缝的宽度来保证光谱分辨率。本发明的基于单像素技术的高光谱相机，代替传统的二维阵列传感器，能够以远低于奈奎斯特采样定理的采样率实现压缩高光谱成像，大幅度地提高了灵敏度和动态范围，同时能够灵活选择成像谱段，实现快速无损监测。

Description

一种基于压缩感知高光谱成像的快速无损监测装置

所属技术领域

本发明涉及光谱成像领域，具体是指一种高光谱成像装置，它基于单像素技术仅使用单探测器进行快速光谱成像，并能够实现高光谱分辨率。

技术背景

高光谱成像技术是近年来光谱成像领域发展起来的一项新技术，它最初主要被应用到航天遥感。该技术能够通过窄而连续的光谱通道对地物持续地进行光谱成像，光谱通道数多达数十甚至上百个，而且各个光谱通道间往往是连续的，因而其能够同时获取待测样品的空间和光谱信息，进而得到样品的材料信息和化学组成。相比于传统的光谱成像技术不能同时兼顾共线性消除和信息充分获取的矛盾，高光谱成像不仅具有图谱合一的优势，还可以通过建立高光谱数据立方体及其本身所具有的高分辨率增强对物品的探测能力。由此，其不仅极大地推进了航天航空探测技术地发展，同时在水体资源控制、大气环境监控、金属分布探测、生物医药与医疗、生物荧光检测、生物无损监测等领域均有广泛应用。但是，由于高光谱数据本身具有因相邻波段的相关性较高所带来的较高的数据冗余度、高光谱特征值多变以及由维数束缚的特征，因此现有的高光谱成像技术也存在一些亟待解决的问题，包括：第一，如何减少高光谱成像仪器收集的数据量。目前高光谱系统捕捉了大量的光谱数据，过多的数据不仅对数据处理带来了沉重的负担，也对芯片数据的实时处理提出了较高的要求。第二，是如何将尺寸由大转型到小，并实现设备性能、分辨率、视场大小与设备尺寸之间的权衡。

现在，光谱成像的方法通常是将待测物体以各种方式耦合入光谱仪中，然后通过二维探测器阵列进行成像。由于耦合效率限定了成像方式，只能是远距离成像或是显微成像，也导致了冗余的数据。因此成像光谱仪的发展不仅要突破成像方式的限制，还依赖于探测器焦平面技术的发展。焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。未来红外系统(如热成像系统、导引系统、监视系统)中的信与探测几乎都将建立在红外探测器焦平面阵列的基础上，利用红外焦平面阵列(1RFPR)可简化或取消光机扫描以改善系统性能。虽然目前光谱成像已经越来越多地应用到红外波段，且近红外波段的硅焦平面探测器技术已经十分成熟，但是由于制作工艺的瓶颈很难突破，其集成度很难再进一步提高，也就是说依赖焦平面探测器集成来提高成像的分辨率已十分困难，且价格昂贵。同时，由于焦平面探测器是由多个探测器组成共同接收信号，因而其对光信号的检测灵敏度和动态范围难以提高。

为了解决高光谱成像技术的海量数据问题，很多研究者进行了压缩高光谱成像的研究，利用各种方式和材料进行空间调制和光谱调制，其中有数码孔径和液晶材料。其中数码孔径为光学掩模，一旦制作完成就不能更改，只能在测量过程中进行替换，极大地降低了成像系统的性能，降低了系统的动态范围。而光谱调制的材米对光谱的调制，依然没有克服掉探测器的昂贵代价及需要一次性获取冗余光谱后再进行特征光谱提取的缺陷。因此，简单、快速、高效地获取和处理大量的高光谱数据仍是非常困难的。

发明内容

本发明的目的是针对上述情况，提出一种基于压缩感知的高光谱成像装置，提供一种结构简单、低采样率、高光谱分辨率、高灵敏度和动态范围并容易扩展到近红外及红外成像的高光谱成像装置。

本发明所述的高光谱相机是一种将单像素技术与光谱成像相结合的成像相机，通过与压缩感知理论相结合，能够以较低的采样率实现高光谱成像，可以用来进行无损监测。其中包括照明系统、成像物镜、空间光调制装置(数字微镜设备)、准直镜组、光栅、旋转台、可调狭缝、单探测器、模/数转换设备及便携式计算机。目标通过成像物镜成像到空间光调制装置，实现光学图像的线性编码，之后通过准直镜组，平行地照射到固定在旋转台的光栅上进行分光，得到的光谱通过狭缝被单探测器接收，测量被编码光谱信息的和值。可通过旋转光栅对光谱谱段进行选择，通过设置可调节狭缝的宽度来保证光谱分辨率。然后通过数字采集设备和计算机进行信号的模数转换和重构。

本发明具有如下优点：

1)将光谱成像与单像素技术相结合，大大地压缩了需要采集的高光谱数据，可以以远低于奈奎斯特采样定理的采样率进行采样，并精确地重构出图像。

2)使用DMD进行空间调制，实现光学图像线性编码，增强了编码的动态范围，有利于提高相机的整体性能。

3)将动态编码后的调制光准直后直接通过光栅分光得到光谱，而不是选择耦合进光纤，这样一方面，可以避免因耦合效率不高而造成的成像失真，提高成像效果；同时，也能够扩大成像范围，对非远距离和非显微物体的成像也能够实现。

4)代替焦平面探测器，采用单探测器进行高分辨率光谱探测，这也是实现单像素技术的关键，通过获取，进一步保证了只需采集少量的数据。采用单探测器，也能够提高检测灵敏度和动态范围，降低成本且容易扩展到红外光谱成像。

5)本发明的高光谱相机可以有选择地对需要的特征波长进行光谱成像，大大地降低了高光谱数据冗余度，结构简单、操作方便。

附图说明

图1是本发明的基于压缩感知高光谱成像的快速无损监测装置的结构框图；

图2是本发明对不同波长LED灯采集重构的光谱图；

图3是通过数码相机获取的在不同时间段香蕉的RGB图像；

图4是本发明采集重构波长为559nm，不同时间段香蕉的光谱图像；

图5是本发明采集重构波长为587nm，不同时间段香蕉的光谱图像；

图6是不同时间段内将559nm与587nm的光谱图像进行差分处理后的热度图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明所说的一种基于单像素技术的高光谱相机(参见说明书附图1)是通过将单像素技术与光谱成像相结合，将物体通过成像物镜1成像到数字微镜设备2上进行空间调制，编码后的光通过准直镜组3平行地照射到固定在旋转台4的光栅5上进行分光，分光后的光谱由成像透镜5成像，通过可调狭缝7后由单探测器8进行探测。探测器将光信号转换成电信号后由模数转换设备9转换并采集到计算机10上进行重构，进而得到光谱图像。通过旋转光栅来选择待测波长，调节可调狭缝到既能获取高光谱分辨率又能保证成像效果的宽度，将待测物体的信息转换为二维空间光强信息和一维光谱信息，构造三维数据立方体，实现物体的无损检测。

下面通过实例对本发明进行说明。

实施例1：

基于单像素技术的高光谱相机的标定实验

1)标定样品准备

取六个不同波长的LED灯，通过光谱仪测定其波长分别为380nm，383nm，389nm，399nm，407nm，419nm，将其按波长变化固定并点亮待测。

2)基于单像素高光谱相机的准备

按照附图1进行相机准备，调整好标定物到物镜的距离后，接通数字微镜设备、探测器、模数转换器及计算机电源，准备完成。

3)高光谱成像

旋转光栅至合适位置，通过软件对数字微镜设备的翻转状态进行控制，以较低采样率进行采样，将探测到的信号进行采集并通过相关算法由计算机重构，得到对应波长的光谱图像。连续地旋转光栅，得到不同波长下的光谱图像。

4)结果标定

通过将得到的连续的光谱图像进行对比，可以清晰地看到不同波长的LED灯分别成像在不同的光谱图像中，成像质量较好，因而说明基于单像素技术的高光谱相机能够在较低采样率下对物体进行光谱成像，且能够实现高光谱分辨率。

实施例2：

植物无损监测

在上面的基于压缩感知的高光谱成像装置的标定实验实施步骤1中，将标定样品换成待测物香蕉进行光谱成像。根据不同物不同谱，同谱必定同物的原理对香蕉的成熟度进行无损监测。对香蕉每隔半小时，进行RGB成像(图3)和分别对其两个特征波长(559nm和587nm)进行光谱成像(图4、图5)。随着香蕉的成熟度不同，其波长559nm下的光谱强度越来越小，波长为587下的光谱强度越来越大，因而采用每个时间点下两个波长的光谱强度相减来表述这一变化(图6)，可以明显的看到香蕉成熟度的变化。通过对其进行监测，我们可以了解其成熟度，进而精确的控制采摘和售卖时间。

虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，不过本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变形和等效装置。

Claims (5)

1.一种基于压缩感知高光谱成像的快速无损监测装置，它由旋转光栅、空间光调制装置(数字微镜设备)、可调狭缝、单探测器、模/数转换设备、便携式计算机以及相关光学元件等组成，其特征在于将单像素技术与光谱技术相结合，通过单探测器以远低于奈奎斯特采样率进行采样，在高光谱分辨率下实现植物的快速无损监测。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的高光谱成像装置，其特征在于，所述的内部结构不需要将物体耦合到光纤中，可以应用到非远距离和显微成像，在采样率为25％，像素大小为256×256时，光谱分辨率好于10nm。

3.根据权利要求1所述的数字微镜设备，其特征在于，具有较好的动态编码性能。

4.根据权利要求1所述的单探测器，其特征在于，具有较高的检测灵敏度和动态范围，并易于扩展到红外成像领域。

5.根据权利要求1和2所述的基于压缩感知的高光谱成像装置，其特征在于，通过旋转光栅与狭缝可以实现对光谱通道的选择，直接实现对特征谱的监测，而无需将所有通道全部获取，进一步缩短了采样时间，实现快速无损监测。