壓縮光譜成像系統(tǒng)測量矩陣的獲取方法
【專利摘要】一種基于隨機波前相位調制的壓縮光譜成像系統(tǒng)測量矩陣的獲取方法。通過本方法獲取基于隨機波前相位調制的壓縮光譜成像系統(tǒng)的測量矩陣時，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)明利用基于隨機波前相位調制的壓縮光譜成像系統(tǒng)的局域空間平移不變性，通過較少的測量次數(shù)獲得該系統(tǒng)的測量矩陣；還通過將原始探測面上的散斑光強分布放大成像到探測面上的方法獲得高對比度的散斑場，提高測量矩陣的信噪比。
【專利說明】壓縮光譜成像系統(tǒng)測量矩陣的獲取方法
【技術領域】
[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波前相位調制的壓縮光譜成像系統(tǒng)的測量矩陣的獲取方法。
【背景技術】
[0002]壓縮感知理論是一種全新的信號采集、編解碼理論。其基本原理如下:假設待測信號X的長度為N，存在某種表象W =，將X在表象Ψ下展開為Χ=ΨΧ'。若X,只含有少數(shù)幾個非零元素或大部分元素值相對于其他元素值很小，我們可以說信號X在Ψ下是稀疏或可壓縮的。在此條件下，可采用與Ψ不相關的測量矩陣Φ對X進行投影測量，得到長度為M的矢量Υ=ΦΨΧ'。已知ΦΨ和Y，通過恢復算法，可以在Μ〈〈Ν的情況下，以很大概率重構出，再通過Χ=ΨΧ'求出待測信號X。這里M是所采集的數(shù)據(jù)Y的長度，N是恢復出的數(shù)據(jù)X的長度。該信號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。特別是當圖像的光譜分辨率提高時，其數(shù)據(jù)量會急劇增加。自然界中大部分物體的圖像信息在某種表象下展開是稀疏或可壓縮的，因此通過設計合適的投影測量方法，可以把壓縮感知理論應用于光譜成像領域，同時完成圖像三 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，且無需通過空間維推掃或光譜維掃描來獲取光譜圖像的三維信息，能實現(xiàn)單次曝光多光譜成像。與傳統(tǒng)點到點成像方式不同的是，基于該理論的成像過程包括兩個步驟。第一個步驟是用與信號的稀疏表達基不相關的測量基，對信號作投影測量；第二個步驟利用測量矩陣和第一步測得的數(shù)據(jù)通過恢復算法重構信號。因此使用壓縮感知成像系統(tǒng)進行成像時必須通過標定獲取其測量矩陣。
[0004]基于壓縮感知理論，美國Rice大學的科研人員提出了單像素相機[參見文獻 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.]，其設計原理是將成像目標投影至數(shù)字微鏡器件上進行空間光調制，其反射光由透鏡聚焦到單個光敏二極管，光敏二極管兩端的電壓值即為一個測量值。將此投影操作重復多次，即可獲得多個觀測值，通過非線性優(yōu)化算法可恢復出原始目標圖像。在該單像素相機的基礎上加入傳統(tǒng)的光譜分光系統(tǒng)，比如由光柵和線陣探測器構成的分光系統(tǒng)，就可實現(xiàn)光譜成像。然而，此系統(tǒng)需要時序上的多次測量才能采集到圖像重構所需的足夠數(shù)據(jù)，無法應用在實時場合，且由于采用振幅調制對物體進行投影測量，會損失一部分光能。
[0005]美國Duke大學的研究人員研制出了基于空間隨機二元振幅編碼的壓縮成像光譜儀[參見文獻 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).]，以并行的方式實現(xiàn)目標物體的壓縮成像。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物體的像進行振幅調制，將調制后的像通過一個分光棱鏡后成像于面陣探測器上進行探測，最后通過壓縮感知理論重構出物體的光譜圖像。由于此系統(tǒng)采用幅度調制，會損失一半光能，導致信噪比下降。
[0006] 針對上述技術的缺點和發(fā)展瓶頸，上海光機所的研究人員提出了一種基于隨機波前相位調制的壓縮感知光譜成像系統(tǒng)「參見文獻4，韓申生，吳建榮，沈夏.基于隨機波前相位調制的壓縮光譜成像系統(tǒng)，申請?zhí)?01210266203.6， 申請日期: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)的構成包括前置成像物鏡
(2)、隨機波前相位調制器(4)、光電探測器(6)和計算機(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)后設置隨機波前相位調制器(4)和光電探測器
[6]，光電探測器(6)置于探測面(5)上，光電探測器(6)的輸出端與計算機(7)的輸入端相連。物體經過成像透鏡(2)成像于第一成像面(3)，在第一成像面(3)上不同波長的空間圖像是疊加在一起的。借助光場的衍射效應，隨機波前相位調制器把第一成像面(3)上不同位置處、不同中心波長的各個窄帶點光源分別映射成探測面(5)上的具有一定起伏的光強分布，俗稱散斑場。由于第一成像面(3)上的光場是空間非相干的，整個探測面上的光強分布是這些散斑場的光強分布的疊加。假定該系統(tǒng)共有L個光譜譜段，單個譜段上物體空間圖像像素大小為N2，總的探測點數(shù)為M，該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的過程可以用數(shù)學語言描述如下:
【權利要求】
1.一種壓縮光譜成像系統(tǒng)測量矩陣的獲取方法，特別是一種基于隨機波前相位調制的壓縮光譜成像系統(tǒng)的測量矩陣的獲取方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟1:基于隨機波前相位調制的壓縮感知光譜成像系統(tǒng)由前置成像物鏡(2)、空間隨機相位調制器(4)、光電探測器(6)以及計算機(7)構成，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)將待測量的波段劃分為L個連續(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，固定在一個電動平移臺上，電動平移臺通過數(shù)據(jù)線與計算機相連；在隨機波前相位調制器(4)和光電探測器(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，面元按順序編號為:(I, I)，(1，2)...(1，N) ;; (N，1)，(N, 2)...(N, N);將所述的光電探測器(6)上的nXm個像素按順序編號為(1,1), (1,2)...(l,m).; (η, I), (η, 2)...(n, m)，光電探測器(6)測得的光強分布為 S=S (x, y),其中X=Ij 2...m; y=l, 2…η ; 步驟2:令s=l ； 步驟3:調整光譜濾波裝置(9)的狀態(tài)，生成譜段s對應的窄帶光； 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的兩個面元發(fā)出的光對應的光強分布S=S(x，y)、S' =S' (x，y)的歸一化強度關聯(lián)函數(shù)的最大值大于或等于0.5，通過下式計算歸一化強度關聯(lián)函數(shù):

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理步驟的過程如下:(A):預先選定光電探測器上的M個像元，編號分別為(X^y1), (x2, J2)...(xM, yM),I < M < mX η,且這M個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】G01J3/28GK103954357SQ201410161282
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權日:2014年4月22日
【發(fā)明者】韓申生, 陳喆, 吳建榮 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所