[發明專利]一種基于可編程高光譜成像的目標探測識別系統及方法

有效

• 申請號: 201811383560.4
• 申請日: 2018-11-20
• 公開（公告）號: CN109490223B
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 陳碩;路交;任月天;陳梓昂
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N21/27
• 分類號: G01N21/27
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

1.一種基于可編程高光譜成像的目標探測識別系統的探測識別方法，其特征在于，該目標探測識別系統包括可編程濾光片、面陣光電探測器(7)、數據采集卡(8)、計算機(9)以及成像光學元件；所述的可編程濾光片包括第一光柵(3)、第二光柵(6)、透鏡(4)和數字微鏡器件(5)，其中數字微鏡器件(5)設置于透鏡(4)上方的焦平面上，第一光柵(3)和第二光柵(6)并排設置于透鏡(4)下方的焦平面上，物鏡(2)設置于第一光柵(3)的下方，樣品(1)放于物鏡(2)下方的載物臺上；所述的面陣光電探測器(7)設置于第二光柵(6)的下方；所述的數據采集卡(8)分別與數字微鏡器件(5)、面陣光電探測器(7)和計算機(9)相連；

所述的探測識別方法，步驟如下：

步驟一、通過物鏡(2)的入射平行光束經第一光柵(3)分光并通過透鏡(4)后，源自相同波長的光將匯聚在數字微鏡器件(5)的同一微鏡單元上；

步驟二、通過計算機(9)及數據采集卡(8)控制數字微鏡器件(5)上各微鏡單元的旋轉角度，反射指定波長的光，并再次通過透鏡(4)被成像到第二光柵(6)上；由于光路的可逆性，指定波長的光通過第二光柵(6)后形成特定波長組合的平行光束；

步驟三、通過計算機(9)及數據采集卡(8)控制數字微鏡器件(5)中各微鏡單元的開關時間以及面陣光電探測器(7)的曝光時間，實現對于待測目標的特定光譜透過率的編碼濾波，并由面陣光電探測器(7)采集光信號后成像，得到寬帶測量圖像；

步驟四、利用采集的寬帶測量圖像中各像素點的值，對待測目標及背景進行分類，實現采集數據對于待測目標的直接探測與識別。

2.根據權利要求1所述的探測識別方法，其特征在于，所述步驟三中，特定光譜透過率是利用高光譜圖像數據編碼濾波算法獲得，具體步驟如下：

1)首先，利用主成分分析方法，根據公式(1)計算待測目標高光譜圖像數據H的協方差矩陣D；

其中，為待測目標高光譜圖像數據H標準化后的矩陣，上標“T”表示矩陣的轉置；

然后，將協方差矩陣D的特征向量按特征值由大到小排列后，取其中前k個組成特征向量矩陣U₁；

隨后，通過公式(2)計算并獲得高光譜圖像的特征值S，即降維后的高光譜圖像數據；

S＝HU₁ (2)

2)利用線性判別算法，計算變換向量U₂；

首先，設待測目標分別對應m個類別，計算第i類樣本的散列度矩陣

其中，S_i為特征值S中的第i類樣本元素，μ_i為第i類樣本特征值的均值；

然后，計算類內離散度矩陣S_ω；

隨后，計算類間離散度矩陣S_B

其中，μ為所有樣本特征值的均值；

最后，求出的最大特征值，最大特征值對應的特征向量即為變換向量U₂；

3)根據公式(6)，計算對待測目標的高光譜圖像數據編碼濾波的光譜透過率T，T中光譜透過率的個數與待測目標的類別數m相同；

T＝U₁U₂ (6)

4)由于圖像探測識別系統只能實現非負的光譜透過率，故利用光譜成像透過率T₁、補償光譜透過率T₂與T的關系求得T₁和T₂，滿足公式(7)：

T＝T₁-T₂ (7)

其中，T₂矩陣由T矩陣中最小值的絕對值所構成，T₁、T₂的維數與T相同；

5)對待測目標的通過光譜成像透過率T₁和補償光譜透過率T₂分別進行兩次編碼濾波，并利用面陣光電探測器(7)采集圖像I₁及I₂后相減，獲得高光譜數據后處理后的最終圖像I；最終圖像I等效于通過光譜透過率T編碼濾波后的圖像。