[發明專利]基于液晶高光譜計算成像系統的三維自適應壓縮重構方法

有效

• 申請號: 202110228167.3
• 申請日: 2021-03-02
• 公開（公告）號: CN113008370B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 許廷發;徐暢;王茜;張宇寒;樊阿馨
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;北京理工大學重慶創新中心
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 封浪

本發明公開了一種基于液晶高光譜計算成像系統的三維自適應壓縮重構方法，液晶高光譜計算成像系統包括LCTF、編碼孔徑、探測器和光學透鏡。方法包括：采集LCTF在各光譜通道下的低分辨率圖像，獲得低分辨率數據立方體；進行插值操作，快速得到高分辨率的高光譜數據立方體；利用自適應編碼規則，基于高光譜數據立方體生成各濾波波段所需的自適應編碼孔徑；通過自適應編碼孔徑分別獲取各光譜通道下的壓縮測量值；基于壓縮感知理論，根據系統的觀測矩陣、稀疏基和壓縮測量值，重構出高分辨率的目標光譜數據立方體。本發明利用先驗信息設計自適應編碼孔徑和空?譜聯合字典，使得本發明對目標場景有很強的適應性，能夠提升成像質量。

技術領域

本發明涉及高光譜成像技術領域，尤其是一種基于液晶高光譜計算成像系統的三維自適應壓縮重構方法。

背景技術

目前光譜技術已在地質礦產、生物醫藥、環境保護等領域得到了廣泛的應用。而高光譜成像技術將光譜技術與傳統的成像技術相結合，能夠獲取目標的三維數據立方體，包括二維空間信息及一維高分辨率光譜信息，其重要性不言而喻。

液晶可調諧濾波器(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)是一種通過改變外加電壓實現中心波長調諧的光譜濾波器件。由于LCTF具有快速可調諧、靈活選擇濾波范圍、體積小成本低等優點，基于LCTF的高光譜成像系統已成為一種重要的高光譜儀結構型式。

對于傳統的基于LCTF的高光譜成像系統而言，其光譜分辨率受限于液晶可調諧濾波器的帶寬。常用的做法是增加LCTF中濾光片的級次使其帶寬變窄，從而提高光譜分辨率。然而此種做法會降低LCTF的透過率，導致系統的光通量減少，影響成像質量。所以，傳統的基于LCTF的高光譜成像系統存在一個固有缺點，即光譜分辨率和光通量相互制約。

此外，傳統的基于LCTF的高光譜成像系統的空間分辨率受限于探測器的分辨率。雖然工藝的不斷提升使得制造高分辨率探測器不再那么困難，然而在一些特殊領域，例如探測紅外波段信息，高分辨率探測器依然面臨著制造成本高等問題。同時，高光譜數據體量巨大，會帶來存儲、傳輸的極大壓力。

另外，在高光譜成像中，設計了液晶高光譜計算成像系統，液晶高光譜計算成像系統是利用隨機編碼孔徑對光譜圖像進行空間維上的調制的。然而，隨機編碼孔徑并不是最優選擇，它無法充分利用目標場景的結構特征，因此數據立方體的空間維成像效果尚有提升的空間。并且液晶高光譜計算成像系統很容易獲得目標場景的先驗信息，無需增加額外探測器和系統復雜度。這些先驗信息可用于進一步提升液晶高光譜計算成像系統在空間維和光譜維的重構質量。

發明內容

本發明的發明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種基于液晶高光譜計算成像系統的三維自適應壓縮重構方法，以充分利用先驗信息，在實現基于LCTF的高光譜成像系統三維超分辨的同時提高數據立方體的重構質量。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于液晶高光譜計算成像系統的三維自適應壓縮重構方法，所述液晶高光譜計算成像系統包括LCTF、編碼孔徑、探測器和光學透鏡，LCTF對目標場景進行光譜濾波，濾波后的圖像經由編碼孔徑進行空間調制，然后經光學透鏡成像在探測器上；本發明的壓縮重構方法包括：

加載快照式編碼孔徑；逐次調諧LCTF濾波的中心波長，采集LCTF在各光譜通道下的低分辨率圖像，獲得低分辨率數據立方體；

對低分辨率數據立方體進行插值操作，得到高分辨率的高光譜數據立方體，該高光譜數據立方體與目標場景的分辨率相同；

利用自適應編碼規則，基于高光譜數據立方體生成各濾波波段所需的自適應編碼孔徑；

通過自適應編碼孔徑分別獲取各光譜通道下的壓縮測量值；