[發明專利]一種光譜重構方法及其光譜儀裝置

無效

• 申請號: 201310132029.0
• 申請日: 2013-04-16
• 公開（公告）號: CN103207015A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 黃錚宇;王少偉;陳飛良;陸衛;熊大元;張桂戌;周愛民
• 申請（專利權）人: 華東師范大學;中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 上海麥其知識產權代理事務所(普通合伙) 31257
• 代理人: 董紅曼

技術領域

本發明屬于光譜分析技術領域，尤其涉及一種光譜重構方法及其光譜儀裝置。

背景技術

光譜技術的應用幾乎覆蓋了所有的科學領域，包括醫藥、化學、地質學、物理及天文學等，從海洋的底部到遙遠的宇宙，光譜儀為人們收集周圍世界的物質特征信息。由于光譜儀可以獲得大量與物質結構相關的信息，應用范圍很廣，如濃度分析、脫硫和硫磺回收分析、尾氣分析、煙道氣分析、污染源分析、色度分析和濁度分析等，因此廣泛應用于環境監測、法醫鑒定、生物醫學、科技農業、交通、資源勘探與開發、防偽檢測(名牌產品、公安、海關、金融)、軍事分析以及工業流程監控等科研領域和工業部門。由于現有絕大部分光譜儀器都屬于大型精密儀器，采用的都是光柵、棱鏡或傅立葉變換等分光方式，分光系統體積龐大、抗震性能低，只能在實驗室和車間等相對固定的場所使用，難以滿足現場和野外檢測等方面的應用需求，更無法普及應用到人們的日常生活中。

現有技術中所有具有拍照功能的設備都是通過內置的CCD芯片來獲取外界光學信號，但是CCD芯片無法直接獲取外界的光譜信息。在現有的光譜重構處理方法中采用壓縮感知解決光譜重構問題，但缺陷是其中的主體優化步驟，即求l1范數最小化的速度(效率)比較低，并且該方法默認了光譜的稀疏基。還有采用吉洪諾夫正則化在原先的目標函數上加一個正則項來控制非適定問題的解的個數，并且同時將這個數學模型變成凸模型，但是缺陷是由于加上了正則項而使得最后的結果精確度較低，并且增加了算法中的參數的數量。同時，要確定這些參數的較好的值需要大量的經驗或者運算步驟。現有技術中還存在NNLS、SVD等矩陣分解法，但是都需要使用特定的方法處理分解后的矩陣的負數元素，而簡單的處理負數元素的方法會導致算法運行過程中的有用信息的去除而導致最終結果的精確度降低。

發明內容

本發明克服了現有技術中光譜儀器體積過大、光譜重構方法運算復雜和重構精確度不高等缺陷，提出了一種光譜重構方法及其光譜儀裝置。

本發明提出了一種光譜重構方法，包括：

濾光片初始化步驟，獲取濾光片上每一個濾光片通道的透射光譜曲線；

光譜獲取步驟，獲取光線透過所述濾光片后的初始光譜信息；

光譜重構步驟，利用所述透射光譜曲線以非負矩陣滿秩分解法重構所述初始光譜信息，獲得重構后的光譜信息。

其中，所述光譜重構步驟包括：

重構參數設定步驟，設定最大循環數；

矩陣分解步驟，通過所述透射光譜曲線生成初始矩陣，采用非負矩陣滿秩分解法依據所述最大循環數分解所述初始矩陣，生成基矩陣與系數矩陣；

矩陣計算步驟，根據所述基矩陣、系數矩陣與初始矩陣計算獲得所述初始矩陣的偽逆矩陣；

重構結果計算步驟，根據所述偽逆矩陣與初始光譜信息計算重構結果，獲得重構后的光譜信息。

其中，所述矩陣計算步驟中，偽逆矩陣的計算公式如下所述：

inv(T)＝C^T(B^TTC^T)^-1B^T；

式中，C表示系數矩陣，B表示基矩陣，T表示所述初始矩陣。

其中，所述重構結果計算步驟中，根據以下公式獲得重構后的光譜信息：

X＝inv(T)Y；

式中，X表示重構后的光譜信息，inv(T)表示初始矩陣的偽逆矩陣，Y表示初始光譜信息。

其中，進一步包括：重復執行所述光譜重構方法獲得多個光譜信息及其相對于真實光譜的差異值和錯誤率，選取所述差異值與所述錯誤率最小的光譜信息作為重構后的光譜信息。

本發明還提出了一種光譜儀裝置，包括：

濾光片部件，其對不同波長的光線具有不同的透射率；

圖像傳感器，其設置在所述濾光片部件的后方，用于探測透過所述濾光片部件的光線的初始光譜信息；

光譜計算部件，其接收所述圖像傳感器的初始光譜信息并對重構，生成重構后的光譜信息。

其中，進一步包括：聚焦鏡部件，其設置在所述濾光片部件的前方，將光線聚焦之所述圖像傳感器上。

其中，所述濾光片部件為集成窄帶濾光片。

其中，所述圖像傳感器為CCD芯片。

其中，進一步包括顯示部件，其與所述光譜計算部件連接，以顯示所述重構后的光譜信息。