[發(fā)明專利]壓縮光譜成像系統(tǒng)測量矩陣的獲取方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410161282.3
• 申請日: 2014-04-22
• 公開（公告）號: CN103954357A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓申生;陳喆;吳建榮
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J1/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術(shù)領(lǐng)域

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)的測量矩陣的獲取方法。

背景技術(shù)

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(shè)待測信號X的長度為N，存在某種表象Ψ=[Ψ₁Ψ₂…Ψ_N]，將X在表象Ψ下展開為X=ΨX′。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(guān)的測量矩陣Φ對X進(jìn)行投影測量，得到長度為M的矢量Y=ΦΨX′。已知ΦΨ和Y，通過恢復(fù)算法，可以在M<<N的情況下，以很大概率重構(gòu)出X′，再通過X=ΨX′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(fù)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。

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，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(shè)計(jì)合適的投影測量方法，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(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程包括兩個步驟。第一個步驟是用與信號的稀疏表達(dá)基不相關(guān)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(fù)算法重構(gòu)信號。因此使用壓縮感知成像系統(tǒng)進(jìn)行成像時必須通過標(biāo)定獲取其測量矩陣。

基于壓縮感知理論，美國Rice大學(xué)的科研人員提出了單像素相機(jī)[參見文獻(xiàn)2，M.F.Duarte,M.A.Davenport,D.Takhar,J.N.Laska,T.Sun,K.F.Kelly,and?R.G.Baraniuk,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(fù)多次，即可獲得多個觀測值，通過非線性優(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)需要時序上的多次測量才能采集到圖像重構(gòu)所需的足夠數(shù)據(jù)，無法應(yīng)用在實(shí)時場合，且由于采用振幅調(diào)制對物體進(jìn)行投影測量，會損失一部分光能。

美國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[參見文獻(xiàn)3，A.A.Wagadarikar,N.P.Pitsianis,X.Sun,and?D.J.Brady,“Video?rate?spectral?imaging?using?a?coded?aperture?snapshot?spectral?imager,”O(jiān)pt.Express17,6368–6388(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物體的像進(jìn)行振幅調(diào)制，將調(diào)制后的像通過一個分光棱鏡后成像于面陣探測器上進(jìn)行探測，最后通過壓縮感知理論重構(gòu)出物體的光譜圖像。由于此系統(tǒng)采用幅度調(diào)制，會損失一半光能，導(dǎo)致信噪比下降。