WO2016011675A1 - 基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统 - Google Patents

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刘震涛
吴建荣
李恩荣
谭诗语
陈喆
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Definitions

  • the Brady team at Duke University in the United States combines perceptual sensing with spectral imaging to achieve quasi-single-shot compression-spectrum imaging based on an amplitude mask. It first images the object on the first imaging surface, and places a binary amplitude mask on the imaging surface to amplitude modulate the image of the object. The modulated image is imaged on the second imaging surface through a beam splitting prism, and the second imaging surface is detected by the area array detector.
  • this imaging spectrometer global projection measurements are performed only in the spectral dimension and compression acquisition is achieved. Global projection measurements are not used in spatial dimensions, so compression acquisition is not implemented in spatial dimensions.
  • the system achieves a higher spatial resolution by moving the amplitude mask, and also based on amplitude modulation, the light energy utilization is low.
  • each branch a ⁇ conversion system, a random grating and a photoelectric detection system are arranged in turn, and all the photoelectric detection systems and meters
  • the computer is connected, and the exit and exit conversion system of each branch is located on the imaging surface of the branch through the front imaging system, and the random grating of each branch is located at the exit of the front imaging system.
  • the photodetection system of each of the branches is located behind the random grating of the branch through the imaging plane behind the exit and exit conversion system of the branch.
  • the system realizes the further compression acquisition of the image data of the spectral dimension by utilizing the correlation between adjacent spectra, and further reduces the data collection amount, thereby further Reduces the number of detector pixels and measurement time requirements. Moreover, the dispersion effect of the random grating on the light field further improves the spectral resolution of the system.
  • the exit and exit conversion system adopted by the system greatly increases the imaging range of the system.
  • the exit and exit conversion system of each branch images the exit pupil of the front imaging system onto the random grating of the branch, so that the light fields incident in all directions pass through the center of the random grating without increasing the number of detected pixels. Increased imaging range of the system.
  • the exit conversion system 3 The object 1 is located on the imaging surface 3 of the branch through the pre-imaging system 1 , and the random grating 4 is located on the imaging surface of the exit pupil 2 of the pre-imaging system through the exit/exit conversion system 3 of the branch, the photodetector 5 Located at a distance from the random grating 4 of the branch.
  • the exit pupil conversion system 7 is located on the imaging surface 5 of the branch through the pre-imaging system 1 of the object 1 and the random grating 8 is located at the exit pupil 2 of the pre-imaging system through the exit and exit system of the branch
  • the photodetector 9 is located a distance behind the random grating 8 of the branch.

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Abstract

一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统，该系统包括前置成像部分、分光部分及两个以上的支路和计算机，各支路由相应的出瞳转换部分及压缩光谱成像部分。该系统基于压缩感知理论，利用谱之间的关联性，提高光谱维的压缩率，实现对宽波段光谱图像数据进行三维压缩采集，大大降低了数据采集量。该成像系统可以单次曝光测量宽波段上的光谱图像信息，且可以通过设计各分光路上的随机光栅获得高空间分辨率和高光谱分辨率。

Description

基于随机光栅的压缩感知宽波段髙光谱成像系统
技术领域
本发明涉及压缩感知宽波段高光谱成像系统， 特别是一种基于随机 光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统。 背景技术
宽波段高光谱成像是同时获取物体的两维空间图像信息和一维 光谱信息的过程，是采集三维图像数据的过程，其数据形式如图 1所示。 由于现有探测器是两维的， 所以在传统宽波段高光谱成像系统中， 都需 要时间扫描来获得三维光谱图像数据。 由于宽波段高光谱成像包括对从 紫外光到中远红外光波段进行光谱成像， 波段数多， 数据量大， 在获得 高空间分辨率及高光谱分辨率的基础上， 如何降低探测单元数目以及降 低扫描时间是光谱成像技术领域亟需解决的问题。
压缩感知理论是一种全新的信号采集、 编解码理论。 它在信号采集 阶段对数据进行压缩， 降低了数据采集量， 为宽波段高光谱成像技术中 要求降低探测数据量的问题提供了一个良好的解决途径。 其基本原理如 下： 假设待测信号 X的长度为 N， 存在某组正交基 ^^ ... Ψν]， 使得 X在该组正交基下展开， 即 χ =ψχ'， 满足 χ'只含有少数几个非零元素， 或者 X'中大部分元素值相对于其他元素值很小。 也就是说， 信号 X在此 正交基 Ψ下是稀疏或可压缩的。 在此条件下， 采用与 Ψ不相关的测量矩 阵 Φ对 X进行投影测量， 得到长度为 Μ的矢量 Υ, 即γ = ΦΨx'。 通过求 解非线性优化问题：
min I - l l|x'l (1) 可以在 Μ«Ν的条件下， 以很大概率重构出 X。其中 Μ是所需采集 的数据点数， N是恢复出的数据点数。 可以看出， 采用该理论可以大大 降低数据采集量。 与传统信号采集过程不同， 基于该理论的信号采集过 程包括两个歩骤。第一个歩骤是用与信号的稀疏表达基不相关的测量基， 对信号作投影测量； 第二个歩骤是通过非线性优化算法， 重构信号。 根 据压缩感知理论， 可以对信号进行压缩采集的条件是信号 X在某一表达 基 Ψ下是稀疏的， 且测量矩阵 Φ与表达矩阵 Ψ是不相关的。 自然界中大 部分物体的图像信息在某一正交基（比如小波变换基）下展开是稀疏的， 且邻近谱段之间的图像信息冗余较高， 因此可以实现三维光谱图像信息 的压缩。 此外， 高斯随机测量矩阵与任意正交基都不相关， 是一个良好 的测量矩阵。 这为压缩感知理论在宽波段高光谱成像中的应用奠定了理 论基础。
基于压缩感知理论，美国 Rice大学的 Baraniuk小组实现了 "压缩感 知单像素相机"成像。 该相机只用一个单像素探测器进行多次测量， 即 可对物体进行二维成像。 它通过利用 DMD (digital micro device) , 使一 部分空间位置处的光透过， 其他位置处的光损失掉， 对待测物体的空间 图像进行空间随机振幅调制， 来实现将包含物体的二维空间图像信息的 数据在互不相关的随机测量基下进行投影测量， 用单像素探测器记录该 投影测量结果， 再通过非线性优化算法重构出图像。 把该单像素相机结 合传统的光谱分光系统， 比如由光栅或棱镜及线阵探测器构成的分光系 统， 就可实现光谱成像。 受到 DMD窗口材料透射谱段及尺寸的限制， 该压缩成像方案在中、 远红外成像领域存在困难。 此外， 该成像系统基 于振幅调制， 其中约一半光能量损失掉， 光能利用率低。
美国 Duke大学的 Brady小组将压缩感知与光谱成像结合， 实现了 基于幅度掩膜板的准单次曝光压缩光谱成像。 它先将物体成像于第一成 像面上， 在该成像面上放置二元振幅掩模板对物体的像进行振幅调制， 将调制后的像通过一个分光棱镜后成像于第二成像面上， 通过面阵探测 器对第二成像面进行探测。 在该成像光谱仪中， 只在光谱维进行全局投 影测量， 并实现压缩采集。 在空间维并没有使用全局投影测量， 因此在 空间维并没有实现压缩采集。 另外， 该系统要通过移动振幅掩模来实现 较高的空间分辨率， 并且同样基于振幅调制， 光能利用率低。
中科院上海光机所的韩生申研究组提出了基于随机波前相位调制器 的压缩光谱成像系统。 该系统采用随机波前相位调制器对光场进行随机 波前相位调制， 它对包含物体二维空间图像信息和一维光谱信息的数据 全体在互不相关的随机测量基下进行投影测量， 实现压缩采集三维空间 图像数据。然而， 由于随机波前相位调制器在不同谱段的调制效果不同， 且光电探测器的响应光谱范围及动态范围有限， 该系统无法实现高空间 分辨率及高光谱分辨率的宽波段高光谱成像。 而且， 该系统没有利用二 维空间图像信息在光谱维上的关联性，因此没有实现光谱维的数据压缩。 发明内容
本发明的目的在于提出一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱 成像系统， 以实现单次曝光获得高空间分辨率和高光谱分辨率的从紫外 光到中远红外光的宽波段光谱图像信息， 提高探测速度和灵敏度， 同时 减少探测单元数。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统， 其特点在于 该系统的构成包括前置成像系统、分光系统、两个以上的支路和计算机， 所述的支路由出瞳转换系统、 随机光栅和光电探测系统构成， 沿入射光 束依次是所述的前置成像系统和分光系统， 所述的分光系统将宽波段光 束分为 2个以上的光谱段连续的分光谱段光束支路， 在每一支路依次设 置出瞳转换系统、 随机光栅和光电探测系统， 所有的光电探测系统与计 算机相连， 所述的每一支路的出瞳转换系统位于物体通过前置成像系统 在该支路的成像面上， 所述的每一支路的随机光栅位于前置成像系统的 出瞳经过该支路的出瞳转换系统后的成像面上， 所述的每一支路的光电 探测系统位于该支路的随机光栅后。
所述的前置成像系统是望远系统、 照相系统或显微系统。
所述的分光系统是二向色滤波片或带通滤波片。
所述的各支路的出瞳转换系统是成像透镜组。
所述的各支路的光电探测系统由放大成像系统和光电探测器构成， 所述的各支路的光电探测器置于所述的该支路的放大成像系统的成像面 上。
所述的光电探测器是各探测单元随意分布的 CCD阵列。
在不同谱段支路上， 选择不同参数的随机光栅元件及相应的光电探 测器。
二向色滤波片或带通滤波片将从紫外光到中远红外光的宽波段光场 在光谱维上分为多个光谱段连续的分光光束。 随机光栅实现对光场的随 机波前相位调制， 一方面在探测面生成随机光强分布， 另一方面实现在 光谱维的色散。该系统的测量矩阵的某一列对应的是物面上某个位置上、 某个中心波长的窄带点源形成的一个散斑场。由于随机光栅的随机分布， 该测量矩阵也是一个随机矩阵。 物面上不同位置或不同中心波长的窄带 点源形成的散斑场是不相关的， 相应地， 测量矩阵的不同列也是不相关 的。 因此， 该系统的测量系统满足压缩感知的条件。 从数据获取角度来 看， 该系统分两歩来完成数据获取。
第一歩为系统标定： 把包含待测物体的二维空间图像信息和一维光 谱信息的数据全体在互不相关的随机测量基下作投影测量， 用光电探测 器记录各投影测量结果， 从而获得系统的标定矩阵。 第二歩为数据重构： 利用邻近光谱之间关联性， 通过线性或非线性 优化算法， 从测量信号中重构出待测物体的三维光谱图像信息。
本发明的一种典型系统构成包括： 前置成像系统、 1 个以上二向色 滤波片、 各支路的出瞳转换系统、 各支路的随机光栅、 各支路的成像放 大系统、 各支路的光电探测器、 计算机。
所述前置成像系统， 用于将物体成像于各支路的第一成像面上。 所述 1个以上二向色滤波片， 用于将宽波段光谱分为多个光谱段连 续的分光光束。 各支路采用相应合适的随机光栅和光电探测器以提高成 像系统的空间分辨率、 光谱分辨率及探测灵敏度。 而且， 分光系统使得 能够在各个谱段获得更高的系统信噪比， 进一歩提高光谱成像质量。
所述各支路的出瞳转换系统， 用于将前置成像系统的出瞳成像到该 支路的随机光栅上， 使得各个方向入射的光场都能够通过该支路的随机 光栅中心， 实现扩大成像范围的目的。
所述各支路的随机光栅， 对从物面发出的该支路传播谱段的光场进 行随机波前相位调制及色散。 使得从物面上某一点发出的该支路传播谱 段的光场， 在该随机光栅后方的一段空间区域内形成较高对比度的散斑 场。 由于物面上的光场在空间上是非相干的， 整个探测面上的光强分布 是物面上不同点发出的光形成的散斑场的强度叠加。 根据所分的谱段的 不同， 选择不同参数的随机光栅器件。 例如， 在可见及近红外波段， 可 选取起伏较小、 颗粒较大的毛玻璃作为随机光栅器件。 在中、 远红外波 段， 可选取起伏较大、 颗粒较小的毛玻璃作为随机光栅器件。 同时， 不 同波段选取具有高透射率的相应材质制作随机光栅器件。
所述各支路的放大成像系统将经过该支路的随机光栅后某一距离处 的散斑场成像到该支路的光电探测器上， 对成像后的散斑场进行采样测 本发明的技术效果：
1、本发明提出了一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系 统。该系统基于随机光栅进行相位调制，对物体的三维光谱图像数据（二 维空间图像信息及一维光谱信息） 在互不相关的随机测量基下进行投影 测量， 实现对三维光谱图像数据的压缩采集。 该系统在调制阶段不损失 光能， 与基于幅度调制的压缩成像系统相比， 具有更高的能量利用率。 与基于随机空间相位调制的压缩成像系统相比， 该系统通过利用邻近光 谱之间的关联性， 实现了对光谱维的图像数据的进一歩压缩采集， 进一 歩减少了数据采集量， 从而进一歩降低了对探测器像元数目和测量时间 的要求。 而且， 随机光栅对光场的色散效应， 进一歩提高了系统的光谱 分辨率。
2、该系统采用的出瞳转换系统， 大大增加了系统的成像范围。各支 路的出瞳转换系统将前置成像系统的出瞳成像到该支路的随机光栅上， 使得各个方向入射的光场都通过随机光栅中心， 在不增加探测像元数目 的基础上， 增大了系统的成像范围。
3、该系统可以单次测量获得宽波段的光谱图像信息，探测时间大大 缩短， 而且空间分辨率及光谱分辨率大大提高。 分光系统使得随机光栅 及光电探测器能够对各分路光谱成像进行优化设计， 进一歩提高了系统 的探测灵敏度、空间分辨率及光谱分辨率，从而实现宽波段高光谱成像。 附图说明
图 1为光谱成像所获取的数据形式。
图中每个立方代表一个数据点。 （x,y) 代表空间位置， 代表波长 图 2为本发明基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实施 例 1的结构框图。
图中： 1-前置成像系统 2-二向色滤波片 3-出瞳转换系统 4-随机光 栅 5-光电探测器 6-计算机 7-出瞳转换系统 8-随机光栅 9-光电探测器
① -物面 ② -前置成像系统出瞳 ③ -第一成像面 ④ -原始探测面 ⑤- 第一成像面 ⑥ -原始探测面
图 3为本发明基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实施 例 2的结构框图。
图中： 1-前置成像系统 2-二向色滤波片 3-出瞳转换系统 4-随机光 栅 5-光电探测器 6-计算机 7-出瞳转换系统 8-随机光栅 9-光电探测器 10-放大成像系统 11-放大成像系统 12-二向色滤波片 13-出瞳转换系统
14-随机光栅 15-放大成像系统 16-光电探测器
① -物面 ② -前置成像系统出瞳 ③ -第一成像面 ④ -原始探测面 ⑤- 第一成像面 ⑥ -原始探测面 ⑦ -第一成像面 ⑧ -原始探测面
具体实鮮式
下面结合图 2来说明本基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像 系统是如何得到物体的高光谱图像信息的。 图 2为本发明基于随机光栅 的压缩感知宽波段高光谱成像系统实施例 1的结构框图。 该系统的构成 包括前置成像系统 1、二向色滤波片 2， 以及 a和 b两支路上的出瞳转换 系统 3、 7、 随机光栅 4、 8和光电探测器 5、 9。 沿入射光束依次是前置 成像系统 1和二向色滤波片 2，二向色滤波片 2将入射宽波段光束分为 a 和 b两个的光谱段连续的分光谱段光束支路， 在 a和 b两支路依次设置 出瞳转换系统 3、 7、 随机光栅 4、 8和光电探测器 5、 9， a和 b两支路 的光电探测器 5、 9均与计算机 6相连。 对于 a支路， 出瞳转换系统 3 位于物体①通过前置成像系统 1在该支路的成像面③上， 随机光栅 4位 于前置成像系统的出瞳②通过该支路的出瞳转换系统 3的成像面上， 光 电探测器 5位于该支路的随机光栅 4后一段距离。 对于 b支路， 出瞳转 换系统 7位于物体①通过前置成像系统 1在该支路的成像面⑤上， 随机 光栅 8位于前置成像系统的出瞳②通过该支路的出瞳转换系统 7的成像 面上， 光电探测器 9位于该支路的随机光栅 8后一段距离。
根据光场的衍射效应， 支路 a的随机光栅 4和支路 b的随机光栅 8 把物面①上不同位置、 不同中心波长的各个窄带点光源分别映射成原始 探测面④、 ⑥上的一个较高对比度的散斑场。 不同空间位置或不同中心 波长的点源， 所对应的散斑场不同， 且散斑场的关联性随着点源的空间 间隔或中心波长间隔增大而降低。 通过相关运算或非线性优化算法可以 把不同的散斑场区分开。 物面①上的光谱图像可以看作不同空间位置、 不同中心波长的点源的叠加。 由于物面①的光场是非相干光， 原始探测 面④、 ⑥上的光强分布是这些不同点源对应的散斑场的强度叠加。 假定 宽波段的光谱谱段数为 L, 单个波长上物体空间图像像素大小为 N， 探 测点数 M， 整个光谱成像过程可以用数学语言描述如下：
Figure imgf000010_0001
它表示 ί本在第 i个谱段上的图像信息。
U
= (AJ1 AJ2 … )，1 ， ； 1" 。 （4 ) A矩阵是一个 M行、 LXN列的矩阵， 它的某一列代表物面①上某一 位置、 某一中心波长处的窄带光在探测面上所形成散斑场的光强分布。 在进行宽波段高光谱成像前，该系统要先通过标定测量获得 A矩阵。 首先在物面①上的不同位置 （x,y) 处， 分别放置不同中心波长 的窄带 点光源， 用固定于各支路的探测面上的多个探测单元记录下对应的光强 值。 对这些光强值归一化， 作为测量矩阵的某一列。 不同 (x,y, )对应的 散斑光强分布构成测量矩阵的不同列， 从而获得标定测量矩阵 A。 在进 行成像测量时， 只通过一次曝光记录下各支路探测单元所探测到的光强 值， 作为矢量^ 这样就通过测量得到了矩阵 A和¥。 再利用光场的谱 间关联性， 通过线性或非线性优化算法， 就可以恢复出物体的光谱图像
I Ft自、。
图 3为本发明基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实施 例 2的结构框图。 图 3对应的标定、 成像过程与图 2类似。 差别在于， 在图 3中， 宽波段光场在光谱维上分为 3个光谱段连续的分光光束， 且 光电探测器 5记录的是 a支路上原始探测面④经过放大成像系统 10后所 成的像， 光电探测器 9记录的是 b支路上原始探测面⑥经过放大成像系 统 11后所成的像， 光电探测器 16记录的是 c支路上原始探测面⑧经过 放大成像系统 15后所成的像。

Claims

权 利 要 求 书
1、一种基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统，其特征在 于该系统的构成包括前置成像系统、 分光系统、 两个以上的支路和计算 机， 各支路由出瞳转换系统、 随机光栅和光电探测系统构成， 沿入射光 束依次是所述的前置成像系统和分光系统， 所述的分光系统将宽波段光 束分为 2个以上的光谱段连续的分光谱段光束支路， 在每一支路依次设 置出瞳转换系统、 随机光栅和光电探测系统， 所有的光电探测系统与计 算机相连， 所述的每一支路的出瞳转换系统位于物体通过前置成像系统 在该支路的成像面上， 所述的每一支路的随机光栅位于前置成像系统的 出瞳经过该支路的出瞳转换系统后的成像面上， 所述的每一支路的光电 探测系统位于该支路的随机光栅后。
2、根据权利要求 1所述的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成 像系统， 其特征在于： 所述的前置成像系统是望远系统、 照相系统或显 微系统。
3、根据权利要求 1所述的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成 像系统， 其特征在于： 所述的分光系统是二向色滤波片或带通滤波片。
4、根据权利要求 1所述的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成 像系统， 其特征在于： 所述的各支路的出瞳转换系统是成像透镜组。
5、根据权利要求 1所述的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成 像系统， 其特征在于： 在所述的各支路的光电探测系统由放大成像系统 和光电探测器构成， 所述的各支路的光电探测器置于所述的该支路的放 大成像系统的成像面上。
6、根据权利要求 1所述的压缩感知宽波段高光谱成像系统，其特征 在于： 所述的光电探测器是各探测单元随意分布的 CCD阵列。
7、根据权利要求 1至 6任一项所述的压缩感知宽波段高光谱成像系 统， 其特征在于： 在不同谱段支路上， 选择不同参数的随机光栅元件及 相应的光电探测器。
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