CN114279564B - 一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪及其成像光谱重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪及其成像光谱重建方法。所述光谱仪包括：视场成像组件、第一空间光调制器、第二空间光调制器、会聚收光部件、色散组件、色散投影成像透镜、光电阵列探测器、数据包存储器、光源组件、第一随机数发生器、第二随机数发生器、第一信号同步控制模块、第二信号同步控制模块、系统标定矩阵处理模块、高分辨色散投影压缩感知模块和计算层析成像光谱重建模块。本发明提供的光谱仪及其成像光谱重建方法，使用常规探测器对目标色散投影图像进行分块并行压缩测量，通过压缩感知重建算法从低分辨率结果中重建出高分辨色散投影图像；进一步从重建的高分辨色散投影图像中重建出光谱图像。
Description
技术领域
本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪及其成像光谱重建方法。
背景技术
成像光谱是将光谱测量和成像过程相结合，构建出与空间二维和光谱一维数据关联的三维数据集数据立方体的技术。成像光谱提供了同时获取目标物质属性和空间形态信息的方法和手段，可以在探测到空间位置信息的同时，探测到对应每个像素点的物质光谱信息，其凭借“图谱合一”特性在医疗、军事、科研等领域大放异彩，得到广泛的应用和研究，并以极快的速度发展。其中，计算层析成像光谱仪有别于其他传统成像光谱，有效克服了扫描或推扫方式无法完成高速光谱成像限制，实现了对动态目标光谱立方体的快速获取。
计算层析成像光谱得益于计算机处理能力和元器件工艺的提高，以拉东变换(Radon Transform)直线投影采样模型和中心切片(Center Sliced Theorem)定理为理论依据，借鉴了计算层析(Computed Tomography，CT)技术，通过色散调制元件技术和焦平面阵列探测器实现了光谱层析色散的投影测量。计算层析成像光谱具有快速获取动态目标光谱和空间信息的优点，更有高通量测量的优势，能通过快照式投影测量重建出目标多光谱图像。
但是，随着更多复杂应用场景的引入，需要更高成像质量的光谱成像要求。根据计算层析成像光谱的理论基础和光学器件构成，其性能影响主要因素是色散投影角数量和色散投影可采集范围，即受限于色散元件和焦平面阵列，导致目标光谱图像质量较差。相关研究者从色散元件角度提出了余弦调制色散元件、多方向投影色散元件以及旋转色散元件等方式。相对而言，探测器的分辨率性能提升难度远大于色散元件的调制方式设计，相关研究较少。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术受限于色散投影角数量和色散投影可采集范围，导致光谱立方体质量较差的缺点，从而提供一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪及其成像光谱重建方法，本发明采用常规分辨率探测器结合并行压缩感知调制测量数据立方体色散投影图像，重建出高于探测器的高分辨率数据立方体色散投影图像，进一步重建出高质量的目标光谱图像。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案所提供的并行压缩感知计算层析成像光谱仪包括：光学单元I和电学单元II；其中，
所述光学单元I包括：视场成像组件1、第一空间光调制器2-1、第二空间光调制器2-2、会聚收光部件3、色散组件4和色散投影成像透镜5；
所述电学单元II包括：光电阵列探测器6、数据包存储器7、光源组件8、第一随机数发生器9-1、第二随机数发生器9-2、第一信号同步控制模块10-1、第二信号同步控制模块10-2、系统标定矩阵处理模块11、高分辨色散投影压缩感知模块12和计算层析成像光谱重建模块13；其中，
所述第一信号同步控制模块10-1，用于控制协调所述第一随机数发生器9-1、第一空间光调制器2-1、光电阵列探测器6和数据包存储器7同步工作；
所述第二信号同步控制模块10-2，用于控制协调所述第二随机数发生器9-2、第二空间光调制器2-2、光电阵列探测器6和数据包存储器7同步工作；
所述光源组件8，用于在标定过程中逐个输出单波长的标定光源，还用于在探测目标过程中输出成像光源；
成像区域范围成像区域范围所述视场成像组件1，用于在标定过程中收集标定光信号，并将其成像到所述第一空间光调制器2-1选定的成像区域，还用于在探测目标过程中收集由探测目标透射、反射或辐射出的光信号，并将其成像到所述第一空间光调制器2-1选定的成像区域；
所述第一随机数发生器部件9-1，用于在标定过程中产生第一空间光调制器2-1的成像区域范围内标定点位置向量，还用于将所述标定点位置向量发送至所述数据包存储器7进行储存；
所述第一空间光调制器2-1，用于在标定过程中，基于所述标定点位置向量逐个打开成像区域范围内的对应单元，对标定光信号进行逐点调制，并将不同位置的光反射到所述会聚收光部件3；还用于在探测目标过程中全部打开成像区域范围内的单元，对探测目标光信号进行调制，并全反射至所述会聚收光部件3；
所述会聚收光部件3，用于在标定过程中将收集的调制后的标定光信号进行准直和再聚焦处理，并二次成像到所述色散组件4；还用于在探测目标过程中将收集的调制后探测目标成像光信号进行经准直和再聚焦处理，并二次成像到所述色散组件4；
所述色散组件4，用于在标定过程中对标定二次成像光信号进行色散分光处理，以形成标定色散投影光信号，并聚焦成像到所述第二空间光调制器2-2；还用于在探测目标过程中，对探测目标二次成像光信号进行色散分光处理，以形成探测目标色散投影光信号，并聚焦成像到所述第二空间光调制器2-2；
所述第二随机数发生器部件9-2，用于在标定过程中和探测目标过程中产生并行分块编码调制向量；还用于将并行分块编码调制向量发送至所述数据包存储器7进行储存；其中，所述并行分块编码调制向量在所述数据包存储器7中组织成并行压缩感知测量矩阵；
所述第二空间光调制器2-2，用于在标定过程中，基于并行分块编码调制向量，对标定色散投影光信号进行分块并行编码调制，并将分块并行编码调制后的标定色散投影光信号反射到所述色散投影成像透镜5；还用于在探测过程中，基于并行分块编码调制向量，对所述探测目标色散投影光信号进行分块并行编码调制，并将分块并行编码调制后的探测目标色散投影光信号反射到所述色散投影成像透镜5；
所述色散投影成像透镜5，用于在标定过程中，将分块并行编码调制后的标定色散投影光信号聚焦到所述电学单元II；还用于在探测目标过程中，将探测目标色散投影光信号聚焦到所述电学单元II；
所述光电阵列探测器6，用于在标定过程中，将收集的分块并行编码调制后的标定色散投影光信号转化为电信号后，输出标定色散投影图像到所述数据包存储器7；还用于在探测目标过程中，将收集的探测目标色散投影光信号转化为电信号后，输出探测目标色散投影图像到所述数据包存储器7；
成像区域范围成像区域范围所述高分辨色散投影压缩感知模块12，用于在标定过程中，利用所述数据包存储器7中存储的标定色散投影图像和并行压缩感知测量矩阵，进行压缩感知重建，以生成高分辨标定色散投影图像；还用于在探测目标过程中，利用所述数据包存储器7中存储的探测目标色散投影图像和并行压缩感知测量矩阵进行压缩感知重建，以生成高分辨探测目标色散投影图像；
所述系统标定矩阵处理模块11，用于在标定过程中，通过所述数据包存储器7储存的标定点位置向量和高分辨标定色散投影图像，构建高分辨系统标定矩阵；
所述计算层析成像光谱重建模块13，用于在探测目标过程中利用所述高分辨系统标定矩阵和所述高分辨探测目标色散投影图像进行光谱重建，以得到计算层析成像光谱。
作为上述装置的一种改进，所述视场成像组件1包括：视场光阑和成像物镜镜头。
作为上述装置的一种改进，所述第一空间光调制器2-1和所述第二空间光调制器2-2采用数字微镜器件，其中，第一空间光调制器2-1和所述第二空间光调制器2-2包括若干个在空间上排列成一维或二维阵列的独立单元，用于独立地接收光学信号，并进行调制。
作为上述装置的一种改进，所述会聚收光部件3包括：会聚透镜和光阑；其中，所述会聚透镜，用于将空间光调制器2-1反射的调制后的标定光信号进行准直处理，并二次成像到色散组件；所述光阑用于消除杂散光。
作为上述装置的一种改进，所述色散组件4采用2维光栅。
作为上述装置的一种改进，光电阵列探测器采用工业相机。
为实现本发明的再一目的，本发明提供的一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪的成像光谱重建方法，基于上述并行压缩感知计算层析成像光谱仪实现，包括以下步骤：
步骤1)通过所述光源组件8选择预定波长集合中某一单一波长激光，作为标定光信号照射至所述视场成像组件1；通过所述视场成像组件1聚焦标定光信号并成像到所述第一空间光调制器2-1的成像区域；
步骤2)通过所述第一信号同步控制模块10-1，控制协调所述第一随机数发生器9-1、第一空间光调制器2-1、光电阵列探测器6和数据包存储器7同步工作；通过所述第一随机数发生器9-1生成标定点位置向量，并将所述标定点位置向量发送至所述数据包存储器7进行储存；所述第一空间光调制器2-1，基于标定点位置向量的控制，逐个打开成像区域范围中的对应单元成像区域范围；通过所述单元对标定光信号进行调制，并将调制后的定标光信号反射到所述会聚收光部件3；通过所述会聚收光部件3对调制后的标定光信号进行准直和再聚焦处理，以形成平行光束并二次成像到所述色散组件4；通过所述色散组件4对标定二次成像光信号进行色散分光处理，形成具有多个方向的标定色散投影光信号；所述投影图像经所述色散投影成像透镜5到达所述第二空间光调制器2-2，其中，所述第一空间光调制器2-1的成像区域范围为w×h；所述第二空间光调制器2-2分辨率为M×N；
步骤3)通过所述第二信号同步控制模块10-2，协调控制所述第二随机数发生器9-2、第二空间光调制器2-2、光电阵列探测器6和数据包存储器7同步工作；通过所述第二随机数发生器9-2生成分块并行编码调制向量，并将其发送至所述数据包存储器7进行储存，其中，所述并行分块编码调制向量在所述数据包存储器7中组织成并行压缩感知测量矩阵；通过所述第二空间光调制器2-2，基于分块编码调制向量的控制，对标定色散投影光信号进行分块并行编码调制，并将其发送至所述色散投影成像透镜5；其中，所述第二空间光调制器2-2的成像区域成比例分为若干块，每块尺寸为C×C；
步骤4)通过所述色散投影成像透镜5，利用会聚透镜将分块并行编码调制后的标定色散投影光信号会聚到所述光电阵列探测器6；通过所述光电阵列探测器6将标定色散投影光信号转化为电信号后，作为标定色散投影图像输入到所述数据包存储器7进行储存，以实现压缩测量；其中，所述标定色散投影图像的分辨率为m×n；
步骤5)通过所述高分辨色散投影压缩感知模块12，利用所述数据包存储器7中的并行压缩感知测量矩阵和压缩测量到的标定色散投影图像进行压缩感知重建，以生成高分辨标定色散投影图像，其中，所述高分辨标定色散投影图像的分辨率为M×N，M＝m×C，N＝n×C；
步骤6)重复所述步骤1)～5)，直至标定完所有预定波长集合中的波长激光和第一空间光调制器2-1的成像区域范围内的所有单元，以重建出所有波长对应的成像区域范围内的所有标定点的高分辨标定色散投影图像；其中，预定波长集合包括b个不同波长激光；
步骤7)通过所述系统标定矩阵处理模块11，基于所述数据包存储器7中存储的标定点位置向量，将所述数据包存储器7中的高分辨标定色散投影图像按列优先拉伸为列向量MN×1，共计拉伸w×h×b个列向量MN×1，并将其组织为MN×whb的高分辨系统标定矩阵；
步骤8)通过所述光源组件8输出成像光源；通过视场成像组件1收集由探测目标透射、反射或辐射出的光信号，并将其成像到所述第一空间光调制器2-1的成像区域；所述第一空间光调制器2-1打开全部成像区域范围内的单元，对探测目标光信号进行调制，并全反射至所述会聚收光部件3；通过所述会聚收光部件3收集的调制后的探测目标成像光信号，进行经准直和再聚焦处理，并二次成像到所述色散组件4；通过所述色散组件4对探测目标二次成像光信号进行色散分光处理，以形成探测目标色散投影光信号，并聚焦成像到所述第二空间光调制器2-2；
步骤9)通过所述第二随机数发生器9-2生成并行编码调制向量，并将所述并行编码调制向量发送至所述数据包存储器7进行储存；
步骤10)所述第二空间光调制器2-2，基于所述并行编码调制向量的控制，对所述探测目标色散投影光信号进行分块并行编码调制，并将分块并行编码调制后的探测目标色散投影光信号反射到所述色散投影成像透镜5；通过所述色散投影成像透镜5将所述探测目标色散投影光信号聚焦到所述光电阵列探测器6；通过所述电阵列探测器6将收集的探测目标色散投影光信号转化为电信号后，作为探测目标色散投影图像输入到所述数据包存储器7；
步骤11)切换所述第二随机数发生器9-2生成的并行编码调制向量，重复所述步骤9)～步骤10)，以得到并行编码测量矩阵和并行压缩色散投影测量值；
步骤12)通过所述高分辨色散投影压缩感知模块12，利用所述数据包存储器7储存的并行编码测量矩阵和并行压缩色散投影测量值，重建高分辨探测目标色散投影图像；
步骤13)通过所述计算层析成像光谱重建模块13，利用所述高分辨探测目标色散投影图像和高分辨系统标定矩阵进行光谱重建，以得到计算层析成像光谱。
作为上述方法的一种改进，所述光源组件8通过单色仪或连续谱可调谐激光器结合使用滤波器得到单波长激光光源；成像光源为日常用的光源。
作为上述方法的一种改进，所述第二空间光调制器2-2上M×N成像区域分成若干块，每个块的尺寸为C×C，并行成像到光电阵列探测器6的M/C×N/C像素上，记为m×n，则光电阵列探测器(6)上获取的对应第i个观察向量列Y(i)满足下式：
Y(i)＝Φ(i)(X(i))+E(i)
其中，X(i)为以列优先方式表示第二空间光调制器2-2中的第i分块，Φ(i)为第i分块子场景图像的投影算子，E(i)为随机噪声。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明将并行压缩感知理论用于计算层析成像光谱仪的数据立方体色散投影图像测量：使用常规探测器对目标色散投影图像进行分块并行压缩测量，通过压缩感知重建算法从低分辨率结果中重建出高分辨色散投影图像；进一步从重建的高分辨色散投影图像中重建出光谱图像；
2、采用双空间光调制器，实现光学系统紧凑和简化：第一空间光调制器2-1在标定时逐个开合成像区域单元进行标定，成像时打开全部成像区域用作反射镜组件；第二空间光调制器2-2用来完成色散投影图像的并行压缩感知采样；
3、第一空间光调制器2-1选定成像区域并结合单色光源进行逐点逐波长扫描标定，并对每个点通过第二空间光调制器2-2进行压缩调制测量，使用重建的高分辨率点，实现光学系统色散投影矩阵的精确标定。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的并行压缩感知计算层析成像光谱仪的结构示意图；
图2是本发明实施例2提供的并行压缩感知计算层析成像光谱仪的标定与成像光谱处理流程图；
图3是本发明实施例1和2提供的目标数据立方体色散投影成像示意图；
图4是本发明实施例2提供的空间光调制器2-2并行编码调制色散投影示意图；
图5是本发明实施例2提供的第一空间光调制器2-1成像区域范围内一个标定点的单波长色散投影示意图；
图6(A)是传统计算层析成像光谱仪提供的低分辨色散投影重建光谱；
图6(B)为本发明实施例3提供的高分辨色散投影重建光谱。
附图标识
Ⅰ、光学单元 Ⅱ、电学单元
1、视场成像组件 2-1、第一空间光调制器
2-2、第二空间光调制器 3、会聚收光部件
4、色散组件 5、色散投影成像透镜
6、光电阵列探测器 7、数据包存储器
8、光源组件 9-1、第一随机数发生器
9-2、第二随机数发生器 10-1、第一信号同步控制模块
10-2、第二信号同步控制模块 11、系统标定矩阵处理模块
12、高分辨色散投影压缩感知模块 13、计算层析成像光谱重建模块
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提供了一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪。
本发明的采用分块并行压缩感知成像系统利用了压缩感知(CompressedSensing，CS)原理，所述的压缩感知原理是由Donoho、Tao和Candès等人提出的信号处理体制，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。并行压缩感知采用算法分制思想(Divide andConquer)将完整信号的压缩感知测量与重建问题分解为多个独立的子信号压缩测量与重建问题，最后将重建得到的多个原始子信号合并得到原始信号，以此来降低测量矩阵构建复杂度和测量矩阵内存空间要求和重建算法复杂度，并提高系统并行性。
完整的压缩感知测量数学模型可表示为并行压缩感知将进行信号向量/>分块。
其中，xi表示信号的第i个元素，(·)T是转置运算符。将该信号分为互不重叠的M段，即
其中，x[j]表示信号的第j个长度为lj的分段，则有/>
并行待测信号测量矩阵以对角矩阵形式表达：
测量过程以矩阵形式表达为：
并行压缩感知成像过程可模型化为使用对角化测量矩阵的光信号并行测量和并行重建。
参考图1，本发明提供了一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪，包括光学单元I、电学单元II；其中，光学单元I至少包括视场成像组件1、第一空间光调制器2-1、第二空间光调制器2-2、会聚收光部件3、色散组件4、色散投影成像透镜5；电学单元II至少包括光电阵列探测器6、数据包存储器7、光源组件8、第一随机数发生器9-1、第二随机数发生器9-2、第一信号同步控制模块10-1、第二信号同步控制模块10-2；系统标定矩阵生成模块11、高分辨色散投影压缩感知模块12、计算层析成像光谱重建模块13；
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成像组件1收集，成像到所述第一空间光调制器2-1选定的成像感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)；所述第一空间光调制器2-1将逐点标定光信号或目标成像光信号反射到所述会聚收光部件3；所述会聚收光部件将收集到的光信号经准直、再聚焦、二次成像到所述色散组件4；所述色散组件4将成像光信号色散分光为色散投影光信号并聚焦成像到所述第二空间光调制器2-2；第二空间光调制器2-2对色散投影光信号进行分块并行编码调制后反射到所述色散投影成像透镜5；所述色散投影成像透镜5将分块并行编码调制后的色散分光信号聚焦到所述电学单元II中的所述光电阵列探测器6；
在电学单元Ⅱ中，所述光电阵列探测器6将收集到的调制后色散分光信号转化为电信号并输出色散投影图像到所述数据包存储器7；所述数据包存储器存储所述第一随机数发生器9-1生成的标定点位置向量、所述第二随机数发生器9-2生成的分块并行编码调制向量、所述光电阵列探测器6采集到的色散投影图像以及高分辨色散投影压缩感知模块12重建的高分辨色散投影图像；所述光源组件8为标定光源或成像光源，标定光源通常使用单色仪或连续谱可调谐激光器结合使用滤波器得到单波长激光光源，成像光源可为常用光源；所述随机数发生器部件9-1用于产生成像区域范围内标定点位置向量，用于控制第一空间光调制器2-1打开成像区域范围内标定点单元；所述第一空间光调制器2-1根据生成的标定点位置向量逐个打开成像区域范围内的对应单元使用单波长光源照射进行标定，或全开成像区域范围内单元用于全反射目标到后续光学单元用于采集目标色散投影图像；所述随机数发生器部件9-2用于产生并行分块编码调制向量用于控制第二空间光调制器2-2；所述第二空间光调制器2-2根据并行分块编码调制向量对光信号进行分块独立并行调制；所述信号同步控制模块10-1和所述信号同步控制模块10-2对光谱仪的系统标定过程和光谱成像过程进行控制协调，包括对各部件的工作控制和同步脉冲触发信号发射，所述信号同步控制模块10-1控制协调确保所述随机数发生器9-1、所述空间光调制器2-1、光电阵列探测器6和数据包存储器7同步工作，所述信号同步控制模块10-2控制协调确保所述随机数发生器9-2、所述空间光调制器2-2、光电阵列探测器6数据包存储器7同步工作；所述光电阵列探测器6记录的色散色散投影图像，包括标定过程中的标定点色散投影图像和成像过程中的目标色散投影图像；所述第一随机数发生器9-1生成的标定点向量序列、所述第二随机数发生器9-2生成的分块并行编码压缩调制矩阵全部存入所述数据包存储器7中；所述系统标定矩阵处理模块11使用所述第一随机数发生器9-1生成并存储到所述数据包存储器7中的标定向量序列和所述光电阵列探测器6记录并存储到所述数据包存储器7中的标定点色散投影图像并由所述高分辨色散投影压缩感知模块12重建的高分辨标定点色散投影图像构建出高分辨系统标定矩阵；所述高分辨色散投影压缩感知模块12利用所述数据包存储器7中的色散投影图像(包括标定点色散投影图像和目标色散投影图像)以及对应的并行压缩调制矩阵，并选取稀疏基实现高分辨色散投影图像的重建(包括高分辨标定点色散投影图像的重建和高分辨目标色散投影图像的重建)；所述计算层析成像光谱重建模块13利用所述系统标定矩阵处理模块11生成的高分辨系统标定矩阵和所述高分辨色散投影压缩感知模块12生成的高分辨目标色散投影投影进行光谱重建，得到最终的计算层析成像光谱。
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。
所述视场成像组件1，通常包括视场光阑和成像物镜镜头，用于收集目标透射、反射或辐射出的光信号；
所述第一空间光调制器2-1和所述空间光调制器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，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者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，主要有数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silion，LCoS)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。
所述第一空间光调制器2-1在选定成像区域范围w×h内进行成像，用于成像区域范围内逐点标定或在限定成像区域范围内全反射成像的光信号，将逐点标定光信号或成像光信号反射到所述会聚收光部件3；
本实施例中所采用的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×13.68μm，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。
所述会聚收光部件3包括：会聚透镜和光阑；会聚透镜将第一空间光调制器2-1反射的光信号准直再二次成像到色散组件；光阑用于消除杂散光。
所述色散组件4用于生成计算层析全息图(Computer-Generated Holograms，CGH)，根据目标信号光谱分布进行相位调制；本实施例中，色散元件采用2维光栅。
所述色散投影成像透镜5用于聚焦经并行分块编码调制后的色散投影光信号到所述光电阵列探测器6；
光束透射到所述第二空间光调制器2-2中，并将调制后的色散光信号反射，由会聚透镜将收集到所述光电阵列探测器6中。
如图4所示，所述第二空间光调制器2-2上M×N有效成像区域分成若干块，每个块的大小为C×C，并行成像到光电阵列探测器(6)的M/C×N/C像素上，记为m×n，则光电阵列探测器(6)上获取的对应第i个观察向量列Y(i)满足下式：
Y(i)＝Φ(i)(X(i))+E(i) (5)
其中，X(i)为以列优先方式表示空间光调制器(2-2)中的第i分块，Φ(i)为第i分块子场景图像的投影算子；
所述光电阵列探测器6采用低成本的常规阵列探测器，色散投影成像透镜5将色散光信号成比例分块收集到该光电阵列探测器。该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。本发明采用低分辨图像重建高分辨图像，解决现阶段高分辨率中红外探测器、单光子探测器、太赫兹探测器缺乏的问题。
所述光源组件8发出包括标定用光源和目标成像光源，标定光源通常使用单色仪或连续谱可调谐激光器结合使用滤波器得到单波长激光光源，标定时逐个选择波长的光源进行标定，共b个波长；成像光源可为日常用的光源。
所述第一随机数发生器9-1用于生成控制所述第一空间光调制器2-1成像区域范围内的标定点向量，配合逐个选择单波长标定用光源，控制空间光调制器成像区域依次打开成像区域范围内的单元。
所述系统标定矩阵处理模块11使用所述第一随机数发生器9-1生成并存储到所述数据包存储器7中的标定序列和所述光电阵列探测器6记录并存储到所述数据包存储器7中的标定点色散投影图像并由所述高分辨色散投影压缩感知模块12重建的高分辨标定点色散投影图像构建出高分辨系统标定矩阵；
所述高分辨色散投影压缩感知模块12利用所述数据包存储器7中的色散投影图像(包括标定点色散投影图像和目标色散投影图像)以及对应的并行压缩调制矩阵，并选取稀疏基实现高分辨色散投影图像的重建(包括高分辨标定点色散投影图像的重建和高分辨目标色散投影图像的重建)；
所述计算层析成像光谱重建模块13利用所述系统标定矩阵处理模块11生成的高分辨系统标定矩阵和所述高分辨色散投影压缩感知模块12生成的高分辨目标色散投影投影进行光谱重建，得到最终的计算层析成像光谱。
实施例2
本发明的实施例2提供了一种并行压缩计算层析成像光谱仪的成像光谱重建方法中的标定过程，基于实施例1的系统进行，参照示意图2，具体步骤如下：
步骤1)连续谱激光器选定波长系统标定
所述光源组件8选用连续谱可调谐激光器，调节滤波器选择预定波长集合中某一波长，该波长激光照射所述视场成像组件1并聚焦到所述第一空间光调制器2-1；
步骤2)空间光调制器选定成像区域系统标定
所述第一随机数发生器9-1生成控制序列，控制第一空间光调制器2-1逐个打开选定成像区域(Region of Interest，ROI)中的单元，成像区域范围大小记为w×h；该单元将标定激光反射到所述会聚收光部件3形成平行光束并再次成像到所述色散组件4，成像物体经色散组件形成多个方向的二维色散投影(如示意图3所示)，投影图像经所述色散投影成像透镜5到达所述第二空间光调制器2-2，分辨率为M×N；
步骤3)空间光调制器压缩调制标定点色散图像
如图5所示，所述第二随机数发生器9-2生成分块并行编码调制向量，控制第二空间光调制器2-2对色散投影光信号进行分块并行编码调制，生成调制后的色散投影光信号。
所述第二信号同步控制模块10-2协调控制所述第二随机数发生器9-2、第二空间光调制器2-2和数据包存储器7，同步。所述第二随机数发生器9-2生成的调制向量和所述光电阵列探测器6记录的并行调制后的标定点色散投影图像，将所述数据包存储器7记录的所述第二随机数发生器9-2生成的并行调制向量组织成并行压缩感知测量矩阵。
步骤4)光电阵列探测器压缩测量标定点色散投影图像
并行调制后的色散投影光信号经所述色散投影成像透镜5反射，由会聚透镜将调制后光信号的成比例分块(C×C)会聚到所述光电阵列探测器，将光信号转化为电信号输出存储到所述数据包存储器7，实现压缩测量，分辨率为m×n。
步骤5)压缩感知重建高分辨标定点色散投影图像
所述高分辨色散投影压缩感知模块12使用所述数据包存储器7记录的并行压缩感知测量矩阵和压缩测量到的标定点色散投影图像(分辨率为m×n)进行压缩感知重建，重建出超过系统光电阵列探测器的高分辨标定点色散投影图像(分辨率为M×N，M＝m×C，N＝n×C)。
步骤6)遍历连续谱激光器标定波长和空间光调制器I成像区域
重复步骤1)～5)直至标定完所有既定波长(波长数目为b)和空间光调制器I成像区域(分辨率为w×h)所有单元，重建出所有波长和成像区域所有标定点的高分辨色散投影图像(分辨率为M×N)。
步骤7)构建成像区域数据立方体到高分辨色散区域映射关系标定矩阵
所述高分辨色散投影压缩感知模块12重建的高分辨标定点色散投影图像(M×N)按列优先拉伸为列向量(MN×1)，所述系统标定矩阵处理模块11将共计(w×b×b)个列向量(MN×1)，组织为(MN×whb)的标定矩阵。
实施例3
本发明的实施例3提供了一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪的成像光谱重建方法的目标探测过程，基于实施例1的系统进行，参照示意图2，具体步骤如下：
步骤1)目标物体成像到空间光调制器选定区域
使用所述光源组件8照射、透射物体的光信号，或目标辐射的光信号，通过视场成像组件1成像到所述第一空间光调制器2-1的ROI区域，分辨率为w×h，所述第一空间光调制器2-1的ROI区域反射光信号到所述会聚收光部件3，二次成像到所述色散组件4形成色散投影，色散投影光信号聚焦到所述第二空间光调制器2-2；
步骤2)并行调制目标色散投影
所述随机数发生器9-2生成并行编码调制向量控制所述第二空间光调制器2-2(分辨率为M×N)对色散投影光信号进行并行调制，将并行编码调制向量保存到所述数据包存储器7；
步骤3)并行压缩测量目标色散投影
由所述第二空间光调制器2-2将分块编码调制后的色散投影光信号经所述色散投影成像透镜5聚焦到所述光电阵列探测器6转化为电信号存储到所述数据包存储器7；切换所述随机数发生器9-2生成的并行编码调制向量；
步骤4)重复步骤2)～步骤3)得到并行编码测量矩阵和并行压缩色散投影测量值；
步骤5)压缩感知重建高分辨目标色散投影
所述高分辨色散投影压缩感知模块12使用所述数据包存储器记录的并行编码测量矩阵和并行压缩色散投影测量值，重建出高分辨色散投影图像；
步骤6)重建成像光谱
所述计算层析成像光谱重建模块13使用重建出的高分辨色散投影图像和系统投影标定矩阵进行光谱重建。
从图6可以看出所述发明并行压缩感知计算层析成像光谱仪重建结果要优于传统成像光谱仪重建结果，本发明准确重建出了490nm、530nm、570nm和610nm的光谱物体，并具有清晰的空间分辨率，相比较传统计算层析成像光谱仪重建出的光谱物体模糊，并出现波长间的串扰信号。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明将并行压缩感知理论用于计算层析成像光谱仪的数据立方体色散投影图像测量：使用常规探测器对目标色散投影图像进行分块并行压缩测量，通过压缩感知重建算法从低分辨率结果中重建出高分辨色散投影图像；进一步从重建的高分辨色散投影图像中重建出光谱图像；采用双空间光调制器，实现光学系统紧凑和简化：第一空间光调制器2-1在标定时逐个开合成像区域单元进行标定，成像时打开全部成像区域用作反射镜组件；第二空间光调制器2-2用来完成色散投影图像的并行压缩感知采样；第一空间光调制器2-1选定成像区域并结合单色光源进行逐点逐波长扫描标定，并对每个点通过第二空间光调制器2-2进行压缩调制测量，使用重建的高分辨率点，实现光学系统色散投影矩阵的精确标定。
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 (9)
1.一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪，包括：光学单元(I)和电学单元(II)；其特征在于，
所述光学单元(I)包括：视场成像组件(1)、第一空间光调制器(2-1)、第二空间光调制器(2-2)、会聚收光部件(3)、色散组件(4)和色散投影成像透镜(5)；
所述电学单元(II)包括：光电阵列探测器(6)、数据包存储器(7)、光源组件(8)、第一随机数发生器(9-1)、第二随机数发生器(9-2)、第一信号同步控制模块(10-1)、第二信号同步控制模块(10-2)、系统标定矩阵处理模块(11)、高分辨色散投影压缩感知模块(12)和计算层析成像光谱重建模块(13)；其中，
所述第一信号同步控制模块(10-1)，用于控制协调所述第一随机数发生器(9-1)、第一空间光调制器(2-1)、光电阵列探测器(6)和数据包存储器(7)同步工作；
所述第二信号同步控制模块(10-2)，用于控制协调所述第二随机数发生器(9-2)、第二空间光调制器(2-2)、光电阵列探测器(6)和数据包存储器(7)同步工作；
所述光源组件(8)，用于在标定过程中逐个输出单波长的标定光源，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，并将其成像到所述第一空间光调制器(2-1)选定的成像区域；还用于在探测目标过程中收集由探测目标透射、反射或辐射出的光信号，并将其成像到所述第一空间光调制器(2-1)选定的成像区域；
所述第一随机数发生器部件(9-1)，用于在标定过程中产生第一空间光调制器(2-1)的成像区域范围内标定点位置向量，还用于将所述标定点位置向量发送至所述数据包存储器(7)进行储存；
所述第一空间光调制器(2-1)，用于在标定过程中，基于所述标定点位置向量逐个打开成像区域范围内的对应单元，对标定光信号进行逐点调制，并将不同位置的光反射到所述会聚收光部件(3)；还用于在探测目标过程中全部打开成像区域范围内的单元，对探测目标光信号进行调制，并全反射至所述会聚收光部件(3)；
所述会聚收光部件(3)，用于在标定过程中将收集的调制后的标定光信号进行准直和再聚焦处理，并二次成像到所述色散组件(4)；还用于在探测目标过程中将收集的调制后探测目标成像光信号进行经准直和再聚焦处理，并二次成像到所述色散组件(4)；
所述色散组件(4)，用于在标定过程中对标定二次成像光信号进行色散分光处理，以形成标定色散投影光信号，并聚焦成像到所述第二空间光调制器(2-2)；还用于在探测目标过程中，对探测目标二次成像光信号进行色散分光处理，以形成探测目标色散投影光信号，并聚焦成像到所述第二空间光调制器(2-2)；
所述第二随机数发生器部件(9-2)，用于在标定过程中和探测目标过程中产生并行分块编码调制向量；还用于将并行分块编码调制向量发送至所述数据包存储器(7)进行储存；其中，所述并行分块编码调制向量在所述数据包存储器(7)中组织成并行压缩感知测量矩阵；
所述第二空间光调制器(2-2)，用于在标定过程中，基于并行分块编码调制向量，对标定色散投影光信号进行分块并行编码调制，并将分块并行编码调制后的标定色散投影光信号反射到所述色散投影成像透镜(5)；还用于在探测过程中，基于并行分块编码调制向量，对所述探测目标色散投影光信号进行分块并行编码调制，并将分块并行编码调制后的探测目标色散投影光信号反射到所述色散投影成像透镜(5)；
所述色散投影成像透镜(5)，用于在标定过程中，将分块并行编码调制后的标定色散投影光信号聚焦到所述电学单元(II)；还用于在探测目标过程中，将探测目标色散投影光信号聚焦到所述电学单元(II)；
所述光电阵列探测器(6)，用于在标定过程中，将收集的分块并行编码调制后的标定色散投影光信号转化为电信号后，输出标定色散投影图像到所述数据包存储器(7)；还用于在探测目标过程中，将收集的探测目标色散投影光信号转化为电信号后，输出探测目标色散投影图像到所述数据包存储器(7)；
所述高分辨色散投影压缩感知模块(12)，用于在标定过程中，利用所述数据包存储器(7)中存储的标定色散投影图像和并行压缩感知测量矩阵，进行压缩感知重建，以生成高分辨标定色散投影图像；还用于在探测目标过程中，利用所述数据包存储器(7)中存储的探测目标色散投影图像和并行压缩感知测量矩阵，进行压缩感知重建，以生成高分辨探测目标色散投影图像；
所述系统标定矩阵处理模块(11)，用于在标定过程中，通过所述数据包存储器(7)储存的标定点位置向量和高分辨标定色散投影图像，构建高分辨系统标定矩阵；
所述计算层析成像光谱重建模块(13)，用于在探测目标过程中利用所述高分辨系统标定矩阵和所述高分辨探测目标色散投影图像进行光谱重建，以得到计算层析成像光谱。
2.根据权利要求1所述的并行压缩感知计算层析成像光谱仪，其特征在于，所述视场成像组件(1)包括：视场光阑和成像物镜镜头。
3.根据权利要求1所述的并行压缩感知计算层析成像光谱仪，其特征在于，所述第一空间光调制器(2-1)和所述第二空间光调制器(2-2)采用数字微镜器件，其中，第一空间光调制器(2-1)和所述第二空间光调制器(2-2)包括若干个在空间上排列成一维或二维阵列的独立单元，用于独立地接收光学信号，并进行调制。
4.根据权利要求1所述的并行压缩感知计算层析成像光谱仪，其特征在于，所述会聚收光部件(3)包括：会聚透镜和光阑；其中，所述会聚透镜，用于将空间光调制器2-1反射的调制后的标定光信号进行准直处理，并二次成像到色散组件；所述光阑用于消除杂散光。
5.根据权利要求1所述的并行压缩感知计算层析成像光谱仪，其特征在于，所述色散组件(4)采用2维光栅。
6.根据权利要求1所述的并行压缩感知计算层析成像光谱仪，其特征在于，光电阵列探测器采用工业相机。
7.一种并行压缩感知计算层析成像光谱仪的成像光谱重建方法，基于权利要求1-6任一所述的并行压缩感知计算层析成像光谱仪实现，包括以下步骤：
步骤1)通过所述光源组件(8)选择预定波长集合中某一单一波长激光，作为标定光信号照射至所述视场成像组件(1)；通过所述视场成像组件(1)聚焦标定光信号并成像到所述第一空间光调制器(2-1)的成像区域；
步骤2)通过所述信号同步控制模块10-1，控制协调所述第一随机数发生器(9-1)、第一空间光调制器(2-1)、光电阵列探测器(6)和数据包存储器(7)同步工作；通过所述第一随机数发生器(9-1)生成标定点位置向量，并将所述标定点位置向量发送至所述数据包存储器(7)进行储存；所述第一空间光调制器(2-1)，基于标定点位置向量的控制，逐个打开成像区域范围中的对应单元；通过所述单元对标定光信号进行调制，并将调制后的定标光信号反射到所述会聚收光部件(3)；通过所述会聚收光部件(3)对调制后的标定光信号进行准直和再聚焦处理，以形成平行光束并二次成像到所述色散组件(4)；通过所述色散组件(4)对标定二次成像光信号进行色散分光处理，形成具有多个方向的标定色散投影光信号；所述投影图像经所述色散投影成像透镜(5)到达所述第二空间光调制器(2-2)，其中，所述第一空间光调制器(2-1)的成像区域范围为w×h；所述第二空间光调制器(2-2)分辨率为M×N；
步骤3)通过所述第二信号同步控制模块(10-2)，协调控制所述第二随机数发生器(9-2)、第二空间光调制器(2-2)、光电阵列探测器(6)和数据包存储器(7)同步工作；通过所述第二随机数发生器(9-2)生成分块并行编码调制向量，并将其发送至所述数据包存储器(7)进行储存，其中，所述并行分块编码调制向量在所述数据包存储器(7)中组织成并行压缩感知测量矩阵；通过所述第二空间光调制器(2-2)，基于分块编码调制向量的控制，对标定色散投影光信号进行分块并行编码调制，并将其发送至所述色散投影成像透镜(5)；其中，所述第二空间光调制器(2-2)的成像区域成比例分为若干块，每块尺寸为C×C；
步骤4)通过所述色散投影成像透镜(5)，利用会聚透镜将分块并行编码调制后的标定色散投影光信号会聚到所述光电阵列探测器(6)；通过所述光电阵列探测器(6)将标定色散投影光信号转化为电信号后，作为标定色散投影图像输入到所述数据包存储器(7)进行储存，以实现压缩测量；其中，所述标定色散投影图像的分辨率为m×n；
步骤5)通过所述高分辨色散投影压缩感知模块(12)，利用所述数据包存储器(7)中的并行压缩感知测量矩阵和压缩测量到的标定色散投影图像进行压缩感知重建，以生成高分辨标定色散投影图像，其中，所述高分辨标定色散投影图像的分辨率为M×N，M＝m×C，N＝n×C；
步骤6)重复所述步骤1)～5)，直至标定完所有预定波长集合中的波长激光和第一空间光调制器(2-1)的成像区域范围内的所有单元，以重建出所有波长对应的成像区域范围内的所有标定点的高分辨标定色散投影图像；其中，预定波长集合包括b个不同波长的激光；
步骤7)通过所述系统标定矩阵处理模块(11)，基于所述数据包存储器(7)中存储的标定点位置向量，将所述数据包存储器(7)中的高分辨标定色散投影图像按列优先拉伸为列向量MN×1，共计拉伸w×h×b个列向量MN×1，并将其组织为MN×whb的高分辨系统标定矩阵；
步骤8)通过所述光源组件(8)输出成像光源；通过视场成像组件(1)收集由探测目标透射、反射或辐射出的光信号，并将其成像到所述第一空间光调制器(2-1)的成像区域；所述第一空间光调制器(2-1)打开全部成像区域范围内的单元，对探测目标光信号进行调制，并全反射至所述会聚收光部件(3)；通过所述会聚收光部件(3)收集的调制后的探测目标成像光信号，进行经准直和再聚焦处理，并二次成像到所述色散组件(4)；通过所述色散组件(4)对探测目标二次成像光信号进行色散分光处理，以形成探测目标色散投影光信号，并聚焦成像到所述第二空间光调制器(2-2)；
步骤9)通过所述第二随机数发生器(9-2)生成并行编码调制向量，并将所述并行编码调制向量发送至所述数据包存储器(7)进行储存；
步骤10)所述第二空间光调制器(2-2)，基于所述并行编码调制向量的控制，对所述探测目标色散投影光信号进行分块并行编码调制，并将分块并行编码调制后的探测目标色散投影光信号反射到所述色散投影成像透镜(5)；通过所述色散投影成像透镜(5)将所述探测目标色散投影光信号聚焦到所述光电阵列探测器(6)；通过所述电阵列探测器6将收集的探测目标色散投影光信号转化为电信号后，作为探测目标色散投影图像输入到所述数据包存储器(7)；
步骤11)切换所述第二随机数发生器(9-2)生成的并行编码调制向量，重复所述步骤9)～步骤10)，以得到并行编码测量矩阵和并行压缩色散投影测量值；
步骤12)通过所述高分辨色散投影压缩感知模块(12)，利用所述数据包存储器(7)储存的并行编码测量矩阵和并行压缩色散投影测量值，重建高分辨探测目标色散投影图像；
步骤13)通过所述计算层析成像光谱重建模块(13)，利用所述高分辨探测目标色散投影图像和高分辨系统标定矩阵进行光谱重建，以得到计算层析成像光谱。
8.根据权利要求7所述的并行压缩感知计算层析成像光谱仪的成像光谱重建方法，其特征在于，所述光源组件(8)通过单色仪或连续谱可调谐激光器结合使用滤波器得到单波长激光光源；成像光源为日常用的光源。
9.根据权利要求7所述的并行压缩感知计算层析成像光谱仪的成像光谱重建方法，其特征在于，所述第二空间光调制器(2-2)上M×N成像区域分成若干块，每个块的尺寸为C×C，并行成像到光电阵列探测器(6)的M/C×N/C像素上，记为m×n，则光电阵列探测器(6)上获取的对应第i个观察向量列Y(i)满足下式：
Y(i)＝Φ(i)(X(i))+E(i)
其中，X(i)为以列优先方式表示第二空间光调制器(2-2)中的第i分块，Φ(i)为第i分块子场景图像的投影算子，E(i)为随机噪声。
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