壓縮光譜成像系統(tǒng)測(cè)量矩陣的獲取方法
【專利摘要】一種基于隨機(jī)波前相位調(diào)制的壓縮光譜成像系統(tǒng)測(cè)量矩陣的獲取方法。通過(guò)本方法獲取基于隨機(jī)波前相位調(diào)制的壓縮光譜成像系統(tǒng)的測(cè)量矩陣時(shí)，需要在系統(tǒng)的光路中加入寬帶熱光源、光譜濾波裝置、針孔光闌以及放大成像透鏡。本發(fā)明利用基于隨機(jī)波前相位調(diào)制的壓縮光譜成像系統(tǒng)的局域空間平移不變性，通過(guò)較少的測(cè)量次數(shù)獲得該系統(tǒng)的測(cè)量矩陣；還通過(guò)將原始探測(cè)面上的散斑光強(qiáng)分布放大成像到探測(cè)面上的方法獲得高對(duì)比度的散斑場(chǎng)，提高測(cè)量矩陣的信噪比。
【專利說(shuō)明】壓縮光譜成像系統(tǒng)測(cè)量矩陣的獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓縮光譜成像系統(tǒng)，特別是一種基于隨機(jī)波前相位調(diào)制的壓縮光譜成像系統(tǒng)的測(cè)量矩陣的獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓縮感知理論是一種全新的信號(hào)采集、編解碼理論。其基本原理如下:假設(shè)待測(cè)信號(hào)X的長(zhǎng)度為N，存在某種表象W =，將X在表象Ψ下展開(kāi)為Χ=ΨΧ'。若X,只含有少數(shù)幾個(gè)非零元素或大部分元素值相對(duì)于其他元素值很小，我們可以說(shuō)信號(hào)X在Ψ下是稀疏或可壓縮的。在此條件下，可采用與Ψ不相關(guān)的測(cè)量矩陣Φ對(duì)X進(jìn)行投影測(cè)量，得到長(zhǎng)度為M的矢量Υ=ΦΨΧ'。已知ΦΨ和Y，通過(guò)恢復(fù)算法，可以在Μ〈〈Ν的情況下，以很大概率重構(gòu)出，再通過(guò)Χ=ΨΧ'求出待測(cè)信號(hào)X。這里M是所采集的數(shù)據(jù)Y的長(zhǎng)度，N是恢復(fù)出的數(shù)據(jù)X的長(zhǎng)度。該信號(hào)采樣理論大大提高了信息的獲取效率。
[0003]光譜圖像是一種三維圖像數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量非常龐大。特別是當(dāng)圖像的光譜分辨率提高時(shí)，其數(shù)據(jù)量會(huì)急劇增加。自然界中大部分物體的圖像信息在某種表象下展開(kāi)是稀疏或可壓縮的，因此通過(guò)設(shè)計(jì)合適的投影測(cè)量方法，可以把壓縮感知理論應(yīng)用于光譜成像領(lǐng)域，同時(shí)完成圖像三 維信息的采集和壓縮。壓縮感知光譜成像系統(tǒng)可在保存原始光譜圖像完整信息的前提下極大的減少數(shù)據(jù)量，且無(wú)需通過(guò)空間維推掃或光譜維掃描來(lái)獲取光譜圖像的三維信息，能實(shí)現(xiàn)單次曝光多光譜成像。與傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)成像方式不同的是，基于該理論的成像過(guò)程包括兩個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是用與信號(hào)的稀疏表達(dá)基不相關(guān)的測(cè)量基，對(duì)信號(hào)作投影測(cè)量；第二個(gè)步驟利用測(cè)量矩陣和第一步測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)恢復(fù)算法重構(gòu)信號(hào)。因此使用壓縮感知成像系統(tǒng)進(jìn)行成像時(shí)必須通過(guò)標(biāo)定獲取其測(cè)量矩陣。
[0004]基于壓縮感知理論，美國(guó)Rice大學(xué)的科研人員提出了單像素相機(jī)[參見(jiàn)文獻(xiàn) 2, Μ.F.Duarte, M.A.Davenport, D.Takhar, J.N.Laska, T.Sun, K.F.Kelly, andR.G.Baraniukj Single-pixel imaging via compressive sampling, IEEE Signal Proc.Mag.，25 (2008)，pp.83-91.]，其設(shè)計(jì)原理是將成像目標(biāo)投影至數(shù)字微鏡器件上進(jìn)行空間光調(diào)制，其反射光由透鏡聚焦到單個(gè)光敏二極管，光敏二極管兩端的電壓值即為一個(gè)測(cè)量值。將此投影操作重復(fù)多次，即可獲得多個(gè)觀測(cè)值，通過(guò)非線性優(yōu)化算法可恢復(fù)出原始目標(biāo)圖像。在該單像素相機(jī)的基礎(chǔ)上加入傳統(tǒng)的光譜分光系統(tǒng)，比如由光柵和線陣探測(cè)器構(gòu)成的分光系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)光譜成像。然而，此系統(tǒng)需要時(shí)序上的多次測(cè)量才能采集到圖像重構(gòu)所需的足夠數(shù)據(jù)，無(wú)法應(yīng)用在實(shí)時(shí)場(chǎng)合，且由于采用振幅調(diào)制對(duì)物體進(jìn)行投影測(cè)量，會(huì)損失一部分光能。
[0005]美國(guó)Duke大學(xué)的研究人員研制出了基于空間隨機(jī)二元振幅編碼的壓縮成像光譜儀[參見(jiàn)文獻(xiàn) 3，A.A.Wagadarikarj N.P.Pitsianisj X.Sun, and D.J.Brady, “Videorate spectral imaging using a coded aperture snapshot spectral imager，，，Opt.Express l7, 6368 - 6388 (2009).]，以并行的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的壓縮成像。它先將物體成像于第一成像面上，在該成像面上放置二元振幅掩模板對(duì)物體的像進(jìn)行振幅調(diào)制，將調(diào)制后的像通過(guò)一個(gè)分光棱鏡后成像于面陣探測(cè)器上進(jìn)行探測(cè)，最后通過(guò)壓縮感知理論重構(gòu)出物體的光譜圖像。由于此系統(tǒng)采用幅度調(diào)制，會(huì)損失一半光能，導(dǎo)致信噪比下降。
[0006] 針對(duì)上述技術(shù)的缺點(diǎn)和發(fā)展瓶頸，上海光機(jī)所的研究人員提出了一種基于隨機(jī)波前相位調(diào)制的壓縮感知光譜成像系統(tǒng)「參見(jiàn)文獻(xiàn)4，韓申生，吳建榮，沈夏.基于隨機(jī)波前相位調(diào)制的壓縮光譜成像系統(tǒng)，申請(qǐng)?zhí)?01210266203.6， 申請(qǐng)日期:2012.07.30]。這是一種非相干壓縮光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)的構(gòu)成包括前置成像物鏡
(2)、隨機(jī)波前相位調(diào)制器(4)、光電探測(cè)器(6)和計(jì)算機(jī)(7)，前置成像物鏡(2)將物體(1)成像于第一成像面(3)上，在第一成像面(3)后設(shè)置隨機(jī)波前相位調(diào)制器(4)和光電探測(cè)器
[6]，光電探測(cè)器(6)置于探測(cè)面(5)上，光電探測(cè)器(6)的輸出端與計(jì)算機(jī)(7)的輸入端相連。物體經(jīng)過(guò)成像透鏡(2)成像于第一成像面(3)，在第一成像面(3)上不同波長(zhǎng)的空間圖像是疊加在一起的。借助光場(chǎng)的衍射效應(yīng)，隨機(jī)波前相位調(diào)制器把第一成像面(3)上不同位置處、不同中心波長(zhǎng)的各個(gè)窄帶點(diǎn)光源分別映射成探測(cè)面(5)上的具有一定起伏的光強(qiáng)分布，俗稱散斑場(chǎng)。由于第一成像面(3)上的光場(chǎng)是空間非相干的，整個(gè)探測(cè)面上的光強(qiáng)分布是這些散斑場(chǎng)的光強(qiáng)分布的疊加。假定該系統(tǒng)共有L個(gè)光譜譜段，單個(gè)譜段上物體空間圖像像素大小為N2，總的探測(cè)點(diǎn)數(shù)為M，該系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的過(guò)程可以用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下:
【權(quán)利要求】
1.一種壓縮光譜成像系統(tǒng)測(cè)量矩陣的獲取方法，特別是一種基于隨機(jī)波前相位調(diào)制的壓縮光譜成像系統(tǒng)的測(cè)量矩陣的獲取方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟1:基于隨機(jī)波前相位調(diào)制的壓縮感知光譜成像系統(tǒng)由前置成像物鏡(2)、空間隨機(jī)相位調(diào)制器(4)、光電探測(cè)器(6)以及計(jì)算機(jī)(7)構(gòu)成，所述的前置成像物鏡(2)將物面(I)成像于第一成像面(3)上；在物面(I)前，加入寬帶熱光源(8);在寬帶熱光源(8)與物面(I)之間，加入光譜濾波裝置(9)，所述光譜濾波裝置(9)將待測(cè)量的波段劃分為L(zhǎng)個(gè)連續(xù)譜段，分別為譜段1，譜段2，…，譜段L，其中L>1的正整數(shù)，在第一成像面(3)上放置針孔光闌(10)，所述針孔光闌(10)透光口徑為D，固定在一個(gè)電動(dòng)平移臺(tái)上，電動(dòng)平移臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連；在隨機(jī)波前相位調(diào)制器(4)和光電探測(cè)器(6)之間加入放大成像透鏡(12);將第一成像面(3)劃分為NXN個(gè)面元，N為大于I的自然數(shù)，面元的大小為D，與所述的針孔光闌(10)的透光口徑相同，面元按順序編號(hào)為:(I, I)，(1，2)...(1，N) ;; (N，1)，(N, 2)...(N, N);將所述的光電探測(cè)器(6)上的nXm個(gè)像素按順序編號(hào)為(1,1), (1,2)...(l,m).; (η, I), (η, 2)...(n, m)，光電探測(cè)器(6)測(cè)得的光強(qiáng)分布為 S=S (x, y),其中X=Ij 2...m; y=l, 2…η ; 步驟2:令s=l ； 步驟3:調(diào)整光譜濾波裝置(9)的狀態(tài)，生成譜段s對(duì)應(yīng)的窄帶光； 步驟4:選擇距離Λ，使第一成像面(3)上水平及豎直間距為Λ的兩個(gè)面元發(fā)出的光對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布S=S(x，y)、S' =S' (x，y)的歸一化強(qiáng)度關(guān)聯(lián)函數(shù)的最大值大于或等于0.5，通過(guò)下式計(jì)算歸一化強(qiáng)度關(guān)聯(lián)函數(shù):
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理步驟的過(guò)程如下:(A):預(yù)先選定光電探測(cè)器上的M個(gè)像元，編號(hào)分別為(X^y1), (x2, J2)...(xM, yM),I < M < mX η,且這M個(gè)像元的位置可以任意選擇；初始化i' , j',使i' =1, j' =1; (Β):&_|_Δ/Ι)」由土' ，J.' ，k 求出
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK103954357SQ201410161282
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】韓申生, 陳喆, 吳建榮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所