利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法与流程

本发明涉及消除大气湍流的方法，特别是一种利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法。

背景技术：

大气湍流是一种无规则涡旋运动现象，它的各个分量在时间和空间上表现出随机性。其中，大气湍流引起的振幅起伏导致光强闪烁现象，增加信号中的噪声，降低信噪比；大气湍流引起的相位起伏会严重破坏光波的时-空相干性，造成像点的弥散和抖动。因此，如何消除大气湍流的影响是大气成像技术领域亟需解决的问题。

为此，自上世纪五六十年代起，一系列成像技术提出并成功应用到空间探测中以消除大气湍流的影响。最为常见两种方法是散斑成像和自适应光学技术。散斑成像是一种通过对大量短曝光图像数据进行系综平均，而重建目标信息的图像后处理方法。其基本原理为：在物体短暂的曝光时间内，像面上的光强尚未进行平均累积，其中包含许多分辨率受限的细节，通过多次曝光采集，由计算机对大量图像数据进行fourier变换、统计平均和反fourier变换等处理，再现物体细节信息。计算处理包括图像fourier变换模的反演和位相的恢复，结合获得模和位相进行fourier反变换，最终重建物体图像。由于需要进行模和位相两步数据处理，因此所需计算量大，耗时长，图像的时效性不高。

自适应光学是一种通过硬件消除大气湍流效应的技术。其主要由波前探测器、波前校正器和波前控制器三部分组成。自适应光学系统在工作时，需要已知的参照物(一般是比较明亮的恒星)。通过对参照星的探测，由波前探测器计算出大气湍流对波前的影响，常用的有空间光调制器，变形反射镜、薄膜反射镜等。由波前控制器对探测到信号进行分析处理，并控制波前校正器对波前进行修正。在对目标探测时，可以有效的消除大气湍流导致的波前扰动，获得高质量的图像。然而自适应光学系统制造困难，造价昂贵，功能复杂。

中科院上海光机所的韩生申研究组提出的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统(专利号：zl201410348475.x)能够单次曝光获得高空间分辨率和高光谱分辨率的从紫外光到中远红外光的宽波段光谱图像信息，为实现消除大气湍流的影响提供了新的硬件平台。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出了一种利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法，利用大气湍流在不同光谱的响应不同以及多光谱图像的相似性、低峭度特性，结合硬件成像系统及软件重构算法，提供一种系统复杂度低、成本低的实现消除大气湍流的方法。

本发明的基本思想是：预先标定基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵，通过基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统获得受到大气湍流影响的采样数据。通过选取不同的大气湍流结构常数，生成不同的大气湍流传输矩阵，并与预制的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵相乘，生成总体测量矩阵。利用压缩感知算法和生成的总体测量矩阵，将基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统获取的采样数据重构为多光谱图像，并将多光谱图像的相似性、低峭度特性作为判断条件，选取出消除大气湍流影响的多光谱图像，合成为全色图像，获取消除大气湍流影响的图像。

本发明的技术解决方案如下：

步骤1、获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵及采样数据，具体是：

s1.1.预先标定基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵；

s1.2.利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据；

步骤2、生成大气湍流传输矩阵，具体是：

s2.1.建立包含大气湍流结构常数、成像系统等效透镜焦距、波长及传播距离参数的大气湍流的光学传递函数；

s2.2.选取大气湍流结构常数的初始值，并获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的等效透镜焦距、成像波段及传播距离的具体值；

s2.3.对各个成像波段下的光学传递函数分别进行fourier变换，按照矩阵对角方向排列生成大气湍流传输矩阵；

步骤3、生成总体测量矩阵，具体是：

将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵与步骤2生成的大气湍流传输矩阵相乘，生成受大气湍流影响的总体测量矩阵；

步骤4、重构多光谱图像，具体是：

利用压缩感知算法和步骤3生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统受到大气湍流影响的采样数据重构为多光谱图像；

步骤5、判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性，具体是：

判断步骤4的重构多光谱图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足则进入步骤10，否则进入步骤6；

步骤6、修正大气湍流传输矩阵，具体是：

修正大气湍流的光学传递函数的大气湍流结构常数，再分别对各个波段下的光学传递函数进行fourier变换，按照矩阵对角方向排列生成修正的大气湍流传输矩阵；

步骤7、生成总体测量矩阵，具体是：

将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵与步骤6修正的大气湍流传输矩阵相乘，生成受大气湍流影响的总体测量矩阵；

步骤8、重构多光谱图像，具体是：

利用压缩感知算法和步骤7生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统受到大气湍流影响的采样数据重构为多光谱图像；

步骤9、判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性，具体是：

判断重构步骤8的多光谱图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足则进入步骤10，否则进入步骤6；

步骤10、获取消除大气湍流影响的图像，具体是：

将重构的多光谱图像结果合成为全色图像，获取消除大气湍流影响的图像。

所述的步骤1获取基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵及采样数据，具体是：利用专利“压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法”(专利号：zl201410161282.3)预先标定基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵；利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据；

所述的步骤2生成大气湍流传输矩阵，具体是：根据kolmogrov和obukhov发展的湍流统计理论，建立包含大气湍流结构常数、成像系统等效透镜焦距、波长及传播距离参数的大气湍流的光学传递函数；根据实际大气情况，以大气湍流结构常数的典型值作为其初始值，并将成像系统的等效透镜焦距及传播距离带入大气湍流的光学传递函数中，获取不同成像波段下的大气湍流的光学传递函数；对各个成像波段下的光学传递函数分别进行fourier变换，结果按照矩阵对角方向排列，即是大气湍流传输矩阵；

所述的步骤3生成总体测量矩阵，具体是：将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统测量矩阵与步骤2生成的大气湍流传输矩阵相乘，结果即是受大气湍流影响的总体测量矩阵；

所述的步骤4重构多光谱图像，具体是：利用线性或非线性的压缩感知算法和步骤3生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据重构为多光谱图像结果；

所述的步骤5判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性，具体是：不受大气湍流影响的多光谱图像满足相似性和低峭度特性，判断步骤4重构图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足则进入步骤10获取消除大气湍流影响的图像，否则进入步骤6修正大气湍流传输矩阵；

所述的步骤6修正大气湍流传输矩阵，具体是：修正大气湍流的大气湍流结构常数，并带入大气湍流的光学传递函数中，再对各个成像波长下的光学传递函数分别进行fourier变换，结果按照矩阵对角方向排列，得到新的大气湍流传输矩阵，从而实现对大气湍流传输矩阵的修正；

所述的步骤7生成总体测量矩阵，具体是：将步骤1中获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统测量矩阵与步骤6修正的大气湍流传输矩阵相乘，结果即是受大气湍流影响的总体测量矩阵；

所述的步骤8重构多光谱图像，具体是：利用线性或非线性的压缩感知算法和步骤7生成的总体测量矩阵，将步骤1中的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据重构为多光谱图像结果；

所述的步骤9判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像特性，具体是：不受大气湍流影响的多光谱图像满足相似性和低峭度特性，判断步骤8重构图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足则进入步骤10获取消除大气湍流影响的图像，否则进入步骤6修正大气湍流传输矩阵；

所述的步骤10获取消除大气湍流影响的图像，具体是：利用多波长图像合成技术，将重构的多光谱图像结果合成为全色图像，获取消除大气湍流影响的图像。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

1)基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统单次曝光获得高空间分辨率和高光谱分辨率的从紫外光到中远红外光的宽波段光谱图像信息，利用大气湍流在不同光谱的响应不同以及多光谱图像的相似性和低峭度特性，实现消除大气湍流的影响。

2)结合硬件成像系统及软件重构算法，系统复杂度低、成本低的实现消除大气湍流影响的方法。

附图说明

图1为基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统。

图中标记如下：

1-前置成像系统2-二向色滤波片3-出瞳转换系统4-随机光栅5-光电探测器6-计算机7-出瞳转换系统8-随机光栅9-光电探测器10-放大成像系统11-放大成像系统

①-物面②-前置成像系统出瞳③-第一成像面④-原始探测面⑤-第一成像面⑥-原始探测面

图2为本发明利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统在长曝光时间下实现消除大气湍流的方法实施例流程图。

具体实施方式

下面结合图2来说明本发明如何利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的。

如图2所示，首先利用专利“压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法”(专利号：zl201410161282.3)预先标定基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵agisc；利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据y。

根据kolmogrov和obukhov发展的湍流统计理论，建立长曝光时间下的大气湍流的光学传递函数为

其中f是透镜的焦距，λ是波长，是大气湍流结构常数，z是传播距离。已知大气湍流结构常数的典型值从1e^-12(强湍流)到1e^-18(弱湍流)，根据成像时的实际大气情况，选取某一典型值作为大气湍流结构常数的初始值，并将基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的等效透镜焦距及传播距离带入公式(1)中，获取不同成像波段下的大气湍流的光学传递函数h(u；λi)；对各个成像波段下的光学传递函数公式(1)分别进行fourier变换，结果按照矩阵对角方向排列，即是长曝光时间下的大气湍流传输矩阵

其中l是基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的谱段数。将预制的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵agisc与生成的大气湍流传输矩阵相乘，获取总体测量矩阵

利用线性或非线性的压缩感知算法，求解如下

问题，将获取的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统接收受到大气湍流影响的采样数据y重构为多光谱图像结果

已知不受大气湍流影响的多光谱图像满足相似性和低峭度特性，判断重构图像结果是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，如果满足，则利用多波长图像合成技术，将重构的多光谱图像结果合成为全色图像，实现消除大气湍流影响；否则修正大气湍流的大气湍流结构常数，带入大气湍流的光学传递函数中，再对修正后光学传递函数进行fourier变换，如公式(2)所示按照矩阵对角方向排列生成修正的大气湍流传输矩阵根据公式(3)，预制的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统的测量矩阵agisc与此修正的大气湍流传输矩阵相乘，获取新的总体测量矩阵，再求解公式(4)，判断重构多光谱图像是否满足多光谱图像的相似性和低峭度特性。重复上述过程，直至重构多光谱结果满足多光谱图像的相似性和低峭度特性，再利用多波长图像合成技术，将重构的多光谱图像结果合成为全色图像，获取消除大气湍流影响的图像，从而实现消除大气湍流影响。