CN114264370B - 一种压缩感知计算层析成像光谱仪系统和成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及成像光谱仪技术领域，特别涉及一种压缩感知计算层析成像光谱仪系统和成像方法，包括：光学单元(I)、电学单元(II)和后端数据处理单元(III)；光学单元(I)包括：视场成像组件(1)、空间光调制器(2)、二次成像组件(3)、CGH色散元件(4)和会聚收光部件(5)；电学单元(II)包括：光电阵列探测器(6)、数据采集缓存部件(7)、连续可调谐激光器(8)、标定点生成器(9)和信号同步控制模块(10)；后端数据处理单元(III)包括：投影标定矩阵处理部件(11)和压缩感知成像光谱重建部件(12)；本发明改善了传统成像光谱受FPA面阵规模和CGH色散元件有限投影角度与范围导致的有限信号测量失锥问题，并且光谱图像清晰。
Description
技术领域
本发明涉及成像光谱仪技术领域，特别涉及一种基于压缩感知采样模型的计算层析成像光谱仪系统和成像方法，和有别于传统基于拉东变换直线积分模型的计算层析成像光谱体制的成像方法。
背景技术
成像光谱技术是一种应用驱动的成像技术，集成了成像与光谱测量技术，它具有获取目标场景图谱信息，即二维空间位置信息以及对应空间位置物质的一维光谱分布信息，将空间维和光谱维度相关联，构建出三维数据立方体。成像光谱凭借“图谱合一”特性能提供目标空间分布和物质属性特征，广泛应用于医疗诊断、军事国防、环境监测与农林化工等领域。成像光谱仪按成像原理分为色散型、干涉型和层析型，按成像扫描方式分光机扫描、面阵推扫和凝视成像方式。
计算层析成像光谱Computed-Tomography Imaging Spectrometer，CTIS也称为计算机断层扫描成像光谱，它结合了计算机断层扫描(Computed-Tomography,CT)与焦平面阵列(Focal Pixel Array,FPA)成像光谱技术，有效克服了常规成像光谱仪只适用于静态目标的场合，且具有高通量测量、无运动扫描部件和性能稳定等优势；在显微、空间监测、运动目标跟踪等瞬态应用场景领域有着应用潜力。CTIS通过测量数据立方体经过计算生成全息图Compute Generated Hologram,CGH，色散元件在 FPA平面多个方向和衍射级次的分光投影图像，再使用CT算法从中重建出目标场景或数据立方体。CT技术旨在获取物体内部分布函数，不直接测量物体内部结构分布，而是依据直线积分变换间接测量从外部射线发射装置对物体的投影数据，再运用数学模型和算法从投影数据中重构出物体内部分布。CTIS则是将数据立方体看作CT技术中物体，通过投影方式探测并从投影数据中还原出光谱和空间信息。拉东Radon变换和中心切片定理Central Slice Theorem，又称Fourier切片定理是CTIS图像重建算法的理论基础。拉东变换是基于直线积分的投影变换，用来构建CTIS数据立方体多个方向投影积分测量模型。中心切片定理给出了空间分布和投影线积分的傅里叶映射关系，CTIS获得的色散图中每个2-D投影的傅里叶变换等于数据立方体3D频域空间的一个平面。
计算层析成像光谱CTIS的分光投影采样机制和光学原理导致其性能受限于FPA面阵探测器和CGH部件。根据中心切片定理，FPA面阵规模和CGH投影方向数量限定了分光投影采样范围的方位角和投影角上限，导致数据立方体投影数据在3D频域空间的投影平面呈现失锥Missing Cone问题，影响了光谱重建质量。
发明内容
本发明的目的是在于改善传统计算层析成像光谱受FPA面阵规模和CGH色散元件有限投影角度与范围导致的有限信号测量失锥问题。本发明采用压缩感知采样理论建立计算层析成像光谱的压缩感知投影测量模型，发挥压缩感知的亚采样优势，并使用连续谱激光器和空间光调制器完成并简化投影测量矩阵的逐波段逐点精确标定，有别于传统点光源和线性移不变标定过程，从而提供一种压缩感知计算层析成像光谱仪系统和成像方法，包括：光学单元(I)、电学单元(II)和后端数据处理单元 (III)；其特征在于，
所述光学单元I包括：视场成像组件1、空间光调制器2、二次成像组件3、CGH 色散元件4和会聚收光部件5；
所述电学单元II包括：光电阵列探测器6、数据采集缓存部件7、连续可调谐激光器8、标定点生成器9和信号同步控制模块10；
所述后端数据处理单元III包括：投影标定矩阵处理部件11和压缩感知成像光谱重建部件12；其中，
所述信号同步模块10，用于生成同步脉冲触发信号，以使空间光调制器2、数据采集缓存部件7和标定点生成器9同步；
所述连续可调谐激光器8，用于在标定过程中，逐个选择波段并依次输出，所述波段作为标定光源，依次照射到所述视场成像组件1，还用于在探测目标过程中输出成像光源；
所述视场成像组件1，用于在标定过程中收集标定光信号，并将其成像到所述空间光调制器2选定的成像区域；还在探测目标过程中收集由观测目标透射、反射或辐射出的成像光信号，并成像到所述空间光调制器2成像区域；
所述空间光调制器2包括若干个像素点，用于在标定过程中，所述成像区域内的像素点在所述标定点生成器9的控制下，依次开合，用于逐个调制每个像素点的所述标定光信号；其中，所述调制后的标定光信号反射到二次成像组件3后成像到 CGH色散元件处经调制形成分光投影，并通过所述标定点生成器9基于所述标定光信号对应的所述波段和像素点位置，对所述每个像素点的标定光信号进行标定，并将标定点信息发送至所述数据采集缓存部件7，以标定每个像素点的调制后的标定光信号的立方体投影关系；还用于在探测目标过程中全部打开成像区域内的像素点，对探测目标光信号进行调制，并全反射至所述二次成像组件3；
所述二次成像组件3，用于在标定过程中收集所述调制后的标定光信号，并进行准直处理，二次成像至所述CGH色散元件4，还用于在探测目标过程中，收集所述调制后的探测目标光信号，并进行准直处理，二次成像至所述CGH色散元件4；
所述CGH色散元件4，用于在标定过程中对所述二次成像标定光信号进行分光投影处理，以生成标定光谱色散投影光信号，并投射到所述会聚收光部件5，还用于在探测目标过程中，对二次成像探测目标光信号进行色散分光处理，以形成探测目标光谱色散投影光信号；
所述会聚收光部件5，用于在标定过程中，收集所述标定光谱色散投影光信号，并会聚到所述电学单元II的光电阵列探测器6；还用于在探测目标过程中，收集所述探测目标光谱色散投影光信号，并会聚到所述电学单元II的光电阵列探测器6；
所述光电阵列探测器6，用于在标定过程中，探测并收集所述会聚收光部件5收集到的所述标定光谱色散投影光信号，并将其转化为投影电信号，以生成标定色散投影图，并将其输入至所述数据采集缓存部件7储存；还用于在探测目标过程中，探测并收集所述会聚收光部件5收集到的所述探测目标光谱色散投影光信号，并将其转化为投影电信号，以生成目标色散投影图，并将其输入至所述数据采集缓存部件7储存；
所述投影标定矩阵处理部件11，用于在标定过程中，利用所述数据采集缓存部件7中的标定色散投影图和标定点信息，按照空间像素点位置序和波段序进行映射处理，以得到系统投影矩阵，并以稀疏阵形式存储；
所述压缩感知成像光谱重建部件12，在探测目标过程中，利用所述探测目标光谱色散投影光信号和系统投影矩阵，通过压缩感知重建算法进行光谱立方体重建，以获得光谱图像。
作为上述系统的一种改进，所述空间光调制器2的类型包括：数字微镜器件或液晶光阀；所述空间光调制器2包括：在空间上排列成一维或二维阵列的若干个独立镜片。
作为上述系统的一种改进，所述二次成像组件3包括：准直镜头、光阑和成像镜头；其中，所述光阑用于去除所述调制后的光信号的杂散光，所述经准直镜头用于将调制后的光信号准直；所述成像镜头，用于将准直后的光信号进行二次成像处理，并投射至CGH色散元件4。
作为上述系统的一种改进，所述CGH色散元件4对所述二次成像光信号进行分光投影处理，所述分光投影处理包括：相位调制。
作为上述系统的一种改进，所述会聚收光部件5包括：会聚透镜和光阑；其中，会聚透镜，用于将来自CGH色散元件4的光谱色散投影光信号会聚到光电阵列探测器；所述光阑，用于消除杂散光。
作为上述系统的一种改进，所述光电阵列探测器6采用工业相机。
作为上述系统的一种改进，所述视场成像组件包括：视场光阑和成像物镜镜头。
为实现本发明的再一目的，本发明提供一种压缩感知计算层析成像光谱仪系统的成像方法，基于上述光谱仪实现，
所述光谱仪包括光学单元I、电学单元II和后端数据处理单元III；其中，
所述光学单元I包括：视场成像组件1、空间光调制器2、二次成像组件3、CGH 色散元件4和会聚收光部件5；
所述电学单元II包括：光电阵列探测器6、数据采集缓存部件7、连续可调谐激光器8、标定点生成器9和信号同步控制模块10；
所述后端数据处理单元III包括：投影标定矩阵处理部件11和压缩感知成像光谱重建部件12；
所述成像方法具体包括：
步骤1)通过所述信号同步模块10生成同步脉冲触发信号，以使空间光调制器 2、数据采集缓存部件7和标定点生成器9同步；
步骤2)通过所述连续可调谐激光器8逐个选择波段并依次输出，所述波段作为标定光源，依次照射到所述视场成像组件1；
步骤3)通过所述视场成像组件1收集标定光信号，并成像到所述空间光调制器 2的成像区域内；
步骤4)所述空间光调制器2成像区域内的若干个像素点在所述标定点生成器9 的控制下，依次开合，用于逐个调制每个像素点的所述标定光信号；其中，所述调制后的标定光信号反射到二次成像组件3，并通过所述标定点生成器9基于所述标定光信号对应的所述波段和像素点位置，对所述每个像素点的标定光信号进行标定，并将标定点信息发送至所述数据采集缓存部件7，以标定每个像素点的调制后的标定光信号的立方体投影关系；
步骤5)通过所述二次成像组件3收集所述调制后的标定光信号，并进行准直处理，二次成像至所述CGH色散元件4；
步骤6)通过所述CGH色散元件4对二次成像标定光信号进行分光投影处理，以生成标定光谱色散投影光信号，并投射到所述会聚收光部件5；
步骤7)通过所述会聚收光部件5收集所述标定光谱色散投影光信号，并会聚到光电阵列探测器6；
步骤8)通过所述光电阵列探测器6探测所述会聚收光部件5收集到的所述标定光谱色散投影光信号，并将其转化为投影电信号，以生成标定色散投影图，并将其发送至所述数据采集缓存部件7储存
步骤9)重复所述步骤1～8，直至标定完所有波段的标定光源和空间光调制器2 的成像区域范围内的所有像素点，以重建出所有波段对应的成像区域范围内的所有像素点的标定色散投影图；
步骤10)通过所述投影标定矩阵处理部件11利用所述标定色散投影图和对应的标定点信息，按照空间像素点位置序和波段序进行映射处理，以得到系统投影矩阵，并以稀疏阵形式存储；
步骤11)通过所述连续可调谐激光器8输出成像光源，并照射到所述视场成像组件1；
步骤12)通过所述视场成像组件1收集探测目标光信号，并成像到所述空间光调制器2的成像区域内；
步骤13)所述空间光调制器2打开成像区域内的所有像素点，对所述探测目标光信号进行调制；
步骤14)通过所述二次成像组件3收集所述调制后的探测目标光信号，并进行准直处理，二次成像至所述CGH色散元件4；
步骤15)通过所述CGH色散元件4对二次成像探测目标光信号进行分光投影处理，以生成探测目标光谱色散投影光信号，并投射到所述会聚收光部件5；
步骤16)通过所述会聚收光部件5收集所述探测目标光谱色散投影光信号，并会聚到光电阵列探测器6；
步骤17)通过所述光电阵列探测器6探测所述会聚收光部件5收集到的所述探测目标光谱色散投影光信号，并将其转化为投影电信号，以生成探测目标色散投影图，并将其发送至所述数据采集缓存部件7储存；
步骤18)通过所述压缩感知成像光谱重建部件12利用所述探测目标光谱色散投影光信号和系统投影矩阵，通过压缩感知重建算法进行光谱立方体重建，以获得光谱图像。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明采用压缩感知采样理论，建立计算层析成像光谱仪色散投影的压缩感知线性测量模型，代替传统计算层析成像光谱仪基于拉东变换的直线积分投影测量模型，并使用压缩感知重建算法进行成像光谱重建，发挥压缩感知的亚采样优势，从而改善成像光谱测量的失锥问题提高成像光谱质量，实现单次曝光的快速高质量成像光谱。
2、本发明采用空间光调制器和连续谱激光器进行系统投影矩阵的逐个像素点精确标定，代替传统计算层析成像光谱仪点光源标定和依据线性移不变的投影矩阵构建过程，提高投影矩阵的标定精度。
3、本发明采用空间光调制器在系统标定时逐波段开合并进行逐个像素点标定，在光谱投影图像采集时作为成像面将物体成像反射进入二次成像组件，标定过程和图像采集过程不需要调整光学系统，光学系统更加紧凑，简化了光路系统，提高了实用性。
4、本发明采用基于压缩感知计算层析成像光谱重建所用标定矩阵使用稀疏矩阵存储，减少了标定得到的系统矩阵存储空间，降低了压缩感知光谱重建算法的运算复杂度、提高了重建速度。
附图说明
图1是本发明实施例1的压缩感知计算层析成像光谱仪的结构示意图；
图2(a)是本发明实施例2的光谱数据立方体经二维色散元件投影过程示意图；
图2(b)是图2(a)二维投影图像；
图3(a)是本发明实施例2提供的基于压缩感知计算层析成像光谱仪的第一光谱图像结果；
图3(b)是现有技术提供的第一光谱成像结果；
图3(c)是本发明实施例2提供的基于压缩感知计算层析成像光谱仪的第二光谱图像结果；
图3(d)现有技术提供的第二光谱成像结果。
附图标识
Ⅰ、光学单元 Ⅱ、电学单元 Ⅲ、后端数据处理单元
1、视场成像组件 2、空间光调制器 3、二次成像组件
4、CGH色散元件 5、会聚收光部件 6、光电阵列探测器
7、数据采集缓存 8、连续可调谐激光器 9、标定点生成器
10、信号同步控制模块 11、投影标定矩阵处理部件 12、压缩感知成像光谱重建部件
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
本发明公开了一种压缩感知计算层析成像光谱仪系统，所述系统包括光学单元I、电学单元II和后端数据处理单元III；其中，所述光学单元I，用于收集目标物体信号，以得到目标图像信号，并进行二次成像，将目标物体光谱分光后信号发送至电学单元II；所述电学单元II，用于系统矩阵的逐点逐波段标定和目标物体层析光谱二维投影图像信号采集，分别用于建立计算层析成像光谱压缩感知测量模型的测量矩阵和目标光谱压缩感知重建，将逐点逐波段光谱分光投影图像信号和目标光谱分光投影图像数据发送至后端数据处理单元III；所述后端数据处理单元III，用于建立系统标定矩阵和目标物体光谱重建。本发明采用光学单元、电学单元和后端数据处理部件，实现基于压缩感知测量模型的计算层析成像光谱压缩感知测量、基于空间光调制器的逐点逐波段系统矩阵精确标定和压缩感知计算层析成像光谱快速重建。
实施例1：
如图1所示，本发明的实例1提供了一种基于压缩感知的计算层析成像光谱仪，光谱数据立方体经CGH原件投影如图2所示测量，并采用了压缩感知线性测量模型。
本发明采用压缩感知测量模型的单次曝光计算层析成像光谱仪利用了压缩感知Compressed Sensing，CS原理；其中，所述的压缩感知原理是由Donoho、Tao和Candès 等人提出的全新信号处理体制，以亚采样的测量数量并通过信号随机调制的采样方式实现信号的压缩式地采样，在接收端通过数学算法完美恢复出原始信号。
本发明的光谱数据立方体投影变换压缩感知测量数学模型可表示为：
Yg＝ΦH(Xf)+e
表示光谱数据立方体f(x,y,λ)的向量形式；/> 表示焦平面阵列探测器上投影图像的向量形式；/> 表示数据立方体到焦平面探测器上投影图像的投影矩阵，e表示噪声误差。
参考图1，本发明提供了一种基于压缩感知的计算层析成像光谱仪，包括光学单元I、电学单元II和后端数据处理单元III；其中，光学单元I至少包括视场成像组件视场成像组件1，空间光调制器2，准直镜头、光阑和成像镜头组成的二次成像组件3，二维计算生成全息图CGH色散元件4，会聚收光部件5；电学单元II至少包括光电阵列探测器6，数据采集缓存部件7，连续可调谐激光器8，标定点生成器9，信号同步控制模块10；后台数据处理单元III至少包括投影标定矩阵处理部件11和压缩感知成像光谱重建部件12；
在光学单元Ⅰ中，目标透射、反射或辐射出的光信号由所述视场光阑和成像物镜镜头1收集，成像到所述空间光调制器2上；所述空间光调制器2在系统标定波段逐像素点开合调制，将不同位置像素点的光反射到二次成像组件以标定不同位置像素点的数据立方体投影关系，所述立方投影关系如图2(a)-图2(b)所示；所述二次成像组件3将成在空间光调制器2上像二次成像到计算生成全息图CGH色散元件 4上；计算生成全息图CGH色散元件4对二次成像目标进行二维光谱分光投射到所述会聚收光部件5；所述会聚收集到的光传输到所述电学单元II的光电阵列探测器6；
在电学单元II中，所述光电阵列探测器6探测到所述会聚收光部件5收集到的光谱分光投影光信号，转化为电信号输出，记录投影图像到所述数据采集缓存部件7；所述连续可调谐激光器8、标定点生成器9、信号同步控制10用于协作完成所述计算层析成像光谱仪的系统标定；所述连续可调谐激光器8逐个选择波段作为单色光源进行逐波段标定；标定点生成器9控制所述空间光调制器2逐像素点开合用于逐像素点标定；所述信号同步模块10对相机调制和采集记录进行控制协调，包括对光学单元和电学单元各部件的工作控制和同步脉冲触发信号，确保空间光调制器2和标定点生成器9之间的同步，控制协调着相机的所述光电阵列探测器6数据记录采集和所述标定点生成器9的标定点生成节拍；
在后端数据处理单元III中，所述投影标定矩阵处理部件11将逐点逐波段标定记录的数据按照空间位置序和波段序映射处理得到系统投影矩阵并以稀疏阵形式存储；所述压缩感知成像光谱重建部件12利用采集到的目标色散投影图和精确标定的系统投影矩阵，采用压缩感知测量模型建立关系和压缩感知重建算法进行光谱立方体重建。
以上是对本发明的总体结构描述，下面对各部件具体实现进一步描述。
所述视场光阑和成像物镜镜头1收集目标透射、反射或辐射出的光信号；
所述空间光调制器2含有许多独立单元，它们他们在空间上排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接收光学信号或电学信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，用于改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态和波长，或者用于把非相干光转化成相干光。由于它的这种性质，可作为实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统中构造单元或关键的器件，可以分为透射式和反射式，其种类有许多种，主要由数字微镜器件Digital Micro-mirror Device，DMD或液晶光阀实现。在本实施例中，所述空间光调制器为数字微镜器件，其他实施例中，也可以是其它类型的空间光调制器。
本实施例中所采用的数字微镜器件DMD是包含有大量安装在铰链上的微镜的阵列(主流的DMD由1024×768的阵列构成)，每一镜片的尺寸为13.68μm×13.68μ m，并可对每个像素上的光实现独立控制。通过对每一个镜片下的存储单元以二进制信号进行电子化寻址，便可让每个镜片在静电作用下向两侧翻转(本实施例中为+12°和-12°)，把这两种状态记为1和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。
所述二次成像组件3由准直镜头、光阑和成像镜头组成，其中，光阑用于去掉空间光调制器反射的杂散光，经准直镜头用于准直，再由成像镜头再次成像到计算生成全息图CGH色散元件4；
所述计算生成全息图CGH色散元件4对二次成像物体进行相位调制；
所述会聚收光部件5包括会聚透镜和光阑；其中，会聚透镜将来自CGH色散元件的光谱色散投影图像会聚到光电阵列探测器；光阑用于消除杂散光；
所述光电阵列探测器6采用常规阵列探测器，可根据波段响应范围调整，包括可见光波段和非可见光波段。本实施例中，光电阵列探测器采用工业相机CCD；
所述连续可调谐激光器8、标定点生成器9、信号同步控制10用于协作完成所述计算层析成像光谱仪的系统标定；所述连续可调谐激光器8逐个选择波段作为单色光源进行逐波段标定；标定点生成器9控制所述空间光调制器2逐点开合用于逐点标定；所述信号同步模块10对相机调制和采集记录进行控制协调，包括对光学单元和电学单元各部件的工作控制和同步脉冲触发信号，确保空间光调制器2和标定点生成器9之间的同步，控制协调着相机的所述光电阵列探测器6数据记录采集和所述标定点生成器9的标定点生成节拍；
所述投影标定矩阵处理部件11将逐点逐波段标定记录的数据按照空间位置序和波段序映射处理得到系统投影矩阵并以稀疏阵形式存储；所述压缩感知成像光谱重建部件12利用采集到的目标色散投影图和精确标定的系统投影矩阵，采用压缩感知测量模型建立关系和压缩感知重建算法进行光谱立方体重建。
实施例2
本发明的实施例2提供了一种基于压缩感知的计算层析成像光谱方法，基于实施例1的光谱仪进行，具体步骤如下：
1)系统标定与系统投影矩阵构建步骤
使用所述连续可调谐激光器8、标定点生成器9、信号同步控制10协作完成所述计算层析成像光谱仪的系统标定；所述连续可调谐激光器8逐个选择波段作为单色光源照射所述光学单元I中视场成像组件1；标定点生成器9控制所述空间光调制器2的像素点逐点开合用于逐个像素点标定；所述信号同步模块10对相机调制和采集记录进行控制协调，包括对光学单元和电学单元各部件的工作控制和同步脉冲触发信号，确保空间光调制器2和标定点生成器9之间的同步，控制协调着相机的所述光电阵列探测器6数据记录采集和所述标定点生成器9的标定点生成节拍；待使用所述连续可调谐激光器8选定波长的单色光源完成受所述标定点生成器9同步的所述空间光调制器2遍历完所有像素点；使用所述光电阵列探测器6记录所有波段的所有像素点的色散投影图像，并存储记录到所述数据采集缓存部件7；将所述数据采集缓存部件7记录到的数据使用所述投影标定矩阵处理部件11将逐点逐波段标定记录的数据按照空间位置序和波段序映射处理得到系统投影矩阵并以稀疏阵形式存储；
2)投影图像获取步骤
使用所述光学单元I中视场成像组件收集来自物体反射或透射的光；使用所发明的计算层析成像光谱仪的所述光电阵列探测器6记录物体色散投影图像并记录在所述数据缓存部件7；
3)光谱重建步骤
使用所述投影图像获取步骤中获取并存储在数据缓存部件7的投影图像，并使用所述系统标定与系统投影矩阵构建步骤得到的系统标定矩阵，使用所述压缩感知成像光谱重建部件12采用压缩感知测量模型建立关系和压缩感知重建算法进行光谱立方体重建，以获得光谱成像；
3(a)和图3(b)展示了第一组采用本发明提供的光谱仪和采用现有技术的光谱成像对比图，图3(c)和图3(d)展示了第两组采用本发明提供的光谱仪和采用现有技术的光谱成像对比图。从两组对比图可以看出，本发明提供的光谱仪重建的光谱成像，未出现失锥问题，并且具有清晰的分辨率，而现有技术中的光谱仪重建光谱图像模糊。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明采用压缩感知采样理论，建立计算层析成像光谱仪色散投影的压缩感知线性测量模型，代替传统计算层析成像光谱仪基于拉东变换的直线积分投影测量模型，并使用压缩感知重建算法进行成像光谱重建，发挥压缩感知的亚采样优势，从而改善成像光谱测量的失锥问题提高成像光谱质量，实现单次曝光的快速高质量成像光谱；采用空间光调制器和连续谱激光器进行系统投影矩阵的逐个像素点精确标定，代替传统计算层析成像光谱仪点光源标定和依据线性移不变的投影矩阵构建过程，提高了投影矩阵的标定精度；采用空间光调制器在系统标定时逐波段开合并进行逐个像素点标定，在光谱投影图像采集时作为成像面将物体成像反射进入二次成像组件，标定过程和图像采集过程不需要调整光学系统，光学系统更加紧凑，简化了光路系统，提高了实用性；采用基于压缩感知计算层析成像光谱重建所用标定矩阵使用稀疏矩阵存储，减少了标定得到的系统矩阵存储空间，降低了压缩感知光谱重建算法的运算复杂度、提高了重建速度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种压缩感知计算层析成像光谱仪系统，包括：光学单元（I）、电学单元（II）和后端数据处理单元（III）；其特征在于，
所述光学单元（I）包括：视场成像组件（1）、空间光调制器（2）、二次成像组件（3）、CGH色散元件（4）和会聚收光部件（5）；
所述电学单元II包括：光电阵列探测器（6）、数据采集缓存部件（7）、连续可调谐激光器（8）、标定点生成器（9）和信号同步控制模块（10）；
所述后端数据处理单元（III）包括：投影标定矩阵处理部件（11）和压缩感知成像光谱重建部件（12）；其中，
所述信号同步控制模块（10），用于生成同步脉冲触发信号，以使空间光调制器（2）、数据采集缓存部件（7）和标定点生成器（9）同步；
所述连续可调谐激光器（8），用于在标定过程中，逐个选择波段并依次输出，所述波段作为标定光源，依次照射到所述视场成像组件（1），还用于在探测目标过程中输出成像光源，并照射至所述视场成像组件（1）；
所述视场成像组件（1），用于在标定过程中收集标定光信号，并将其成像到所述空间光调制器（2）选定的成像区域；还用于在探测目标过程中收集由观测目标透射、反射或辐射出的探测目标光信号，并成像到所述空间光调制器（2）成像区域；
所述空间光调制器（2）包括若干个像素点，用于在标定过程中，所述成像区域内的像素点在所述标定点生成器（9）的控制下，依次开合，用于逐个调制每个像素点的所述标定光信号；其中，调制后的所述标定光信号反射到二次成像组件（3）后成像到CGH色散元件处经调制形成分光投影，并通过所述标定点生成器（9）基于所述标定光信号对应的所述波段和像素点位置，对所述每个像素点的标定光信号进行标定，并将标定点信息发送至所述数据采集缓存部件（7），以标定每个像素点的调制后的标定光信号的立方体投影关系；还用于在探测目标过程中全部打开成像区域内的像素点，对探测目标光信号进行调制，并全反射至所述二次成像组件（3）；
所述二次成像组件（3），用于在标定过程中收集所述调制后的标定光信号，并进行准直处理，二次成像至所述CGH色散元件（4），还用于在探测目标过程中，收集所述调制后的探测目标光信号，并进行准直处理，二次成像至所述CGH色散元件（4）；
所述CGH色散元件（4），用于在标定过程中，对二次成像标定光信号进行分光投影处理，以生成标定光谱色散投影光信号，并投射到所述会聚收光部件（5），还用于在探测目标过程中，对二次成像探测目标光信号进行色散分光处理，以形成探测目标光谱色散投影光信号；
所述会聚收光部件（5），用于在标定过程中，收集所述标定光谱色散投影光信号，并会聚到所述电学单元（II）的光电阵列探测器（6）；还用于在探测目标过程中，收集所述探测目标光谱色散投影光信号，并会聚到所述电学单元（II）的光电阵列探测器（6）；
所述光电阵列探测器（6），用于在标定过程中，探测并收集所述会聚收光部件（5）收集到的所述标定光谱色散投影光信号，并将其转化为投影电信号，以生成标定色散投影图，并将其输入至所述数据采集缓存部件（7）储存；还用于在探测目标过程中，探测并收集所述会聚收光部件（5）收集到的所述探测目标光谱色散投影光信号，并将其转化为投影电信号，以生成目标色散投影图，并将其输入至所述数据采集缓存部件（7）储存；
所述投影标定矩阵处理部件（11），用于在标定过程中，利用所述数据采集缓存部件（7）中的标定色散投影图和标定点信息，按照空间像素点位置序和波段序进行映射处理，以得到系统投影矩阵，并以稀疏阵形式存储；
所述压缩感知成像光谱重建部件（12），在探测目标过程中，利用所述探测目标光谱色散投影光信号和系统投影矩阵，通过压缩感知重建算法进行光谱立方体重建，以获得光谱图像。
2.根据权利要求1所述的压缩感知计算层析成像光谱仪系统，其特征在于，所述空间光调制器（2）的类型包括：数字微镜器件或液晶光阀；所述空间光调制器（2）包括：在空间上排列成一维或二维阵列的若干个独立镜片。
3.根据权利要求1所述的压缩感知计算层析成像光谱仪系统，其特征在于，所述二次成像组件（3）包括：准直镜头、光阑和成像镜头；其中，所述光阑用于去除所述调制后的光信号的杂散光，所述准直镜头用于将调制后的光信号准直；所述成像镜头，用于将准直后的光信号进行二次成像处理，并投射至CGH色散元件（4）。
4.根据权利要求1所述的压缩感知计算层析成像光谱仪系统，其特征在于，所述CGH色散元件（4）对所述二次成像光信号进行分光投影处理，所述分光投影处理包括：相位调制。
5.根据权利要求1所述的压缩感知计算层析成像光谱仪系统，其特征在于，所述会聚收光部件（5）包括：会聚透镜和光阑；其中，会聚透镜，用于将来自CGH色散元件（4）的光谱色散投影光信号会聚到光电阵列探测器；所述光阑，用于消除杂散光。
6.根据权利要求1所述的压缩感知计算层析成像光谱仪系统，其特征在于，所述光电阵列探测器（6）采用工业相机。
7.根据权利要求1所述的压缩感知计算层析成像光谱仪系统，其特征在于，所述视场成像组件包括：视场光阑和成像物镜镜头。
8.一种压缩感知计算层析成像光谱仪系统的成像方法，基于权利要求1-7任一所述光谱仪实现，其特征在于，
所述光谱仪包括光学单元（I）、电学单元（II）和后端数据处理单元（III）；其中，
所述光学单元I包括：视场成像组件（1）、空间光调制器（2）、二次成像组件（3）、CGH色散元件（4）和会聚收光部件（5）；
所述电学单元II包括：光电阵列探测器（6）、数据采集缓存部件（7）、连续可调谐激光器（8）、标定点生成器（9）和信号同步控制模块（10）；
所述后端数据处理单元（III）包括：投影标定矩阵处理部件（11）和压缩感知成像光谱重建部件（12）；
所述成像方法具体包括：
步骤1）通过所述信号同步控制模块（10）生成同步脉冲触发信号，以使空间光调制器（2）、数据采集缓存部件（7）和标定点生成器（9）同步；
步骤2）通过所述连续可调谐激光器（8）逐个选择波段并依次输出，所述波段作为标定光源，依次照射到所述视场成像组件（1）；
步骤3）通过所述视场成像组件（1）收集标定光信号，并成像到所述空间光调制器（2）的成像区域内；
步骤4）所述空间光调制器（2）成像区域内的若干个像素点在所述标定点生成器（9）的控制下，依次开合，用于逐个调制每个像素点的所述标定光信号；其中，所述调制后的标定光信号反射到二次成像组件（3），并通过所述标定点生成器（9）基于所述标定光信号对应的所述波段和像素点位置，对所述每个像素点的标定光信号进行标定，并将标定点信息发送至所述数据采集缓存部件（7），以标定每个像素点的调制后的标定光信号的立方体投影关系；
步骤5）通过所述二次成像组件（3）收集所述调制后的标定光信号，并进行准直处理，二次成像至所述CGH色散元件（4）；
步骤6）通过所述CGH色散元件（4）对二次成像标定光信号进行分光投影处理，以生成标定光谱色散投影光信号，并投射到所述会聚收光部件（5）；
步骤7）通过所述会聚收光部件（5）收集所述标定光谱色散投影光信号，并会聚到光电阵列探测器（6）；
步骤8）通过所述光电阵列探测器（6）探测所述会聚收光部件（5）收集到的所述标定光谱色散投影光信号，并将其转化为投影电信号，以生成标定色散投影图，并将其发送至所述数据采集缓存部件（7）储存；
步骤9）重复所述步骤1）～8），直至标定完所有波段的标定光源和空间光调制器（2）的成像区域范围内的所有像素点，以重建出所有波段对应的成像区域范围内的所有像素点的标定色散投影图；
步骤10）通过所述投影标定矩阵处理部件（11）利用所述标定色散投影图和对应的标定点信息，按照空间像素点位置序和波段序进行映射处理，以得到系统投影矩阵，并以稀疏阵形式存储；
步骤11）通过所述连续可调谐激光器（8）输出成像光源，并照射到所述视场成像组件（1）；
步骤12）通过所述视场成像组件（1）收集探测目标光信号，并成像到所述空间光调制器（2）的成像区域内；
步骤13）所述空间光调制器（2）打开成像区域内的所有像素点，对所述探测目标光信号进行调制；
步骤14）通过所述二次成像组件（3）收集所述调制后的探测目标光信号，并进行准直处理，二次成像至所述CGH色散元件（4）；
步骤15）通过所述CGH色散元件（4）对二次成像探测目标光信号进行分光投影处理，以生成探测目标光谱色散投影光信号，并投射到所述会聚收光部件（5）；
步骤16）通过所述会聚收光部件（5）收集所述探测目标光谱色散投影光信号，并会聚到光电阵列探测器（6）；
步骤17）通过所述光电阵列探测器（6）探测所述会聚收光部件（5）收集到的所述探测目标光谱色散投影光信号，并将其转化为投影电信号，以生成探测目标色散投影图，并将其发送至所述数据采集缓存部件（7）储存；
步骤18）通过所述压缩感知成像光谱重建部件（12）利用所述探测目标光谱色散投影光信号和系统投影矩阵，通过压缩感知重建算法进行光谱立方体重建，以获得光谱图像。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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