压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法
【专利摘要】一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法。通过本方法获取基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统的测量矩阵时，需要在系统的光路中加入宽带热光源、光谱滤波装置、针孔光阑以及放大成像透镜。本发明利用基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统的局域空间平移不变性，通过较少的测量次数获得该系统的测量矩阵；还通过将原始探测面上的散斑光强分布放大成像到探测面上的方法获得高对比度的散斑场，提高测量矩阵的信噪比。
【专利说明】压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及压缩光谱成像系统，特别是一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统的测量矩阵的获取方法。
【背景技术】
[0002]压缩感知理论是一种全新的信号采集、编解码理论。其基本原理如下:假设待测信号X的长度为N，存在某种表象W =，将X在表象Ψ下展开为Χ=ΨΧ'。若X,只含有少数几个非零元素或大部分元素值相对于其他元素值很小，我们可以说信号X在Ψ下是稀疏或可压缩的。在此条件下，可采用与Ψ不相关的测量矩阵Φ对X进行投影测量，得到长度为M的矢量Υ=ΦΨΧ'。已知ΦΨ和Y，通过恢复算法，可以在Μ〈〈Ν的情况下，以很大概率重构出，再通过Χ=ΨΧ'求出待测信号X。这里M是所采集的数据Y的长度，N是恢复出的数据X的长度。该信号采样理论大大提高了信息的获取效率。
[0003]光谱图像是一种三维图像数据，其数据量非常庞大。特别是当图像的光谱分辨率提高时，其数据量会急剧增加。自然界中大部分物体的图像信息在某种表象下展开是稀疏或可压缩的，因此通过设计合适的投影测量方法，可以把压缩感知理论应用于光谱成像领域，同时完成图像三 维信息的采集和压缩。压缩感知光谱成像系统可在保存原始光谱图像完整信息的前提下极大的减少数据量，且无需通过空间维推扫或光谱维扫描来获取光谱图像的三维信息，能实现单次曝光多光谱成像。与传统点到点成像方式不同的是，基于该理论的成像过程包括两个步骤。第一个步骤是用与信号的稀疏表达基不相关的测量基，对信号作投影测量；第二个步骤利用测量矩阵和第一步测得的数据通过恢复算法重构信号。因此使用压缩感知成像系统进行成像时必须通过标定获取其测量矩阵。
[0004]基于压缩感知理论，美国Rice大学的科研人员提出了单像素相机[参见文献 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.]，其设计原理是将成像目标投影至数字微镜器件上进行空间光调制，其反射光由透镜聚焦到单个光敏二极管，光敏二极管两端的电压值即为一个测量值。将此投影操作重复多次，即可获得多个观测值，通过非线性优化算法可恢复出原始目标图像。在该单像素相机的基础上加入传统的光谱分光系统，比如由光栅和线阵探测器构成的分光系统，就可实现光谱成像。然而，此系统需要时序上的多次测量才能采集到图像重构所需的足够数据，无法应用在实时场合，且由于采用振幅调制对物体进行投影测量，会损失一部分光能。
[0005]美国Duke大学的研究人员研制出了基于空间随机二元振幅编码的压缩成像光谱仪[参见文献 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).]，以并行的方式实现目标物体的压缩成像。它先将物体成像于第一成像面上，在该成像面上放置二元振幅掩模板对物体的像进行振幅调制，将调制后的像通过一个分光棱镜后成像于面阵探测器上进行探测，最后通过压缩感知理论重构出物体的光谱图像。由于此系统采用幅度调制，会损失一半光能，导致信噪比下降。
[0006] 针对上述技术的缺点和发展瓶颈，上海光机所的研究人员提出了一种基于随机波前相位调制的压缩感知光谱成像系统「参见文献4，韩申生，吴建荣，沈夏.基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统，申请号201210266203.6， 申请日期:2012.07.30]。这是一种非相干压缩光谱成像系统，该系统原理图如图1所示，该系统的构成包括前置成像物镜
(2)、随机波前相位调制器(4)、光电探测器(6)和计算机(7)，前置成像物镜(2)将物体(1)成像于第一成像面(3)上，在第一成像面(3)后设置随机波前相位调制器(4)和光电探测器
[6]，光电探测器(6)置于探测面(5)上，光电探测器(6)的输出端与计算机(7)的输入端相连。物体经过成像透镜(2)成像于第一成像面(3)，在第一成像面(3)上不同波长的空间图像是叠加在一起的。借助光场的衍射效应，随机波前相位调制器把第一成像面(3)上不同位置处、不同中心波长的各个窄带点光源分别映射成探测面(5)上的具有一定起伏的光强分布，俗称散斑场。由于第一成像面(3)上的光场是空间非相干的，整个探测面上的光强分布是这些散斑场的光强分布的叠加。假定该系统共有L个光谱谱段，单个谱段上物体空间图像像素大小为N2，总的探测点数为M，该系统测量数据的过程可以用数学语言描述如下:
【权利要求】
1.一种压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法，特别是一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统的测量矩阵的获取方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤1:基于随机波前相位调制的压缩感知光谱成像系统由前置成像物镜(2)、空间随机相位调制器(4)、光电探测器(6)以及计算机(7)构成，所述的前置成像物镜(2)将物面(I)成像于第一成像面(3)上；在物面(I)前，加入宽带热光源(8);在宽带热光源(8)与物面(I)之间，加入光谱滤波装置(9)，所述光谱滤波装置(9)将待测量的波段划分为L个连续谱段，分别为谱段1，谱段2，…，谱段L，其中L>1的正整数，在第一成像面(3)上放置针孔光阑(10)，所述针孔光阑(10)透光口径为D，固定在一个电动平移台上，电动平移台通过数据线与计算机相连；在随机波前相位调制器(4)和光电探测器(6)之间加入放大成像透镜(12);将第一成像面(3)划分为NXN个面元，N为大于I的自然数，面元的大小为D，与所述的针孔光阑(10)的透光口径相同，面元按顺序编号为:(I, I)，(1，2)...(1，N) ;; (N，1)，(N, 2)...(N, N);将所述的光电探测器(6)上的nXm个像素按顺序编号为(1,1), (1,2)...(l,m).; (η, I), (η, 2)...(n, m)，光电探测器(6)测得的光强分布为 S=S (x, y),其中X=Ij 2...m; y=l, 2…η ; 步骤2:令s=l ； 步骤3:调整光谱滤波装置(9)的状态，生成谱段s对应的窄带光； 步骤4:选择距离Λ，使第一成像面(3)上水平及竖直间距为Λ的两个面元发出的光对应的光强分布S=S(x，y)、S' =S' (x，y)的归一化强度关联函数的最大值大于或等于0.5，通过下式计算归一化强度关联函数:
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的数据处理步骤的过程如下:(A):预先选定光电探测器上的M个像元，编号分别为(X^y1), (x2, J2)...(xM, yM),I < M < mX η,且这M个像元的位置可以任意选择；初始化i' , j',使i' =1, j' =1; (Β):&_|_Δ/Ι)」由土' ，J.' ，k 求出
【文档编号】G01J3/28GK103954357SQ201410161282
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】韩申生, 陈喆, 吴建荣 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所