一种使用非阵列探测器实现高光谱成像的系统

本发明涉及一种用于实现高光谱成像的系统，尤其是涉及应用单像素计算成像技术与纳米晶体材料，使用非阵列探测器实现高光谱成像的系统，属于高光谱成像。

背景技术：

1、高光谱成像技术是认知世界的一种重要手段，能够同时捕获空间信息和光谱信息，常常用来检测目标物体的物理结构、化学成分等信息。高光谱成像技术已广泛应用在遥感领域、食品安全领域、生物医药领域以及军事等领域。

2、目前已有的高光谱成像技术主要有以下几种：点扫描、线阵扫描、光谱阵列扫描以及快照式成像。点扫描使用光栅或棱镜等分光器件，与线阵探测器配合，测量目标物体中单个像素点处的所有光谱信息。之后通过两个自由度的机械运动控制，在x,y空间中的每一个像素点进行点扫描。这种成像方式由于引入了复杂的机械运动装置，所以成像速度慢，空间分辨率低。同时，这种成像方式需要线阵探测器对分光信号进行探测，对这种器件存在依赖，限制了使用场景。

3、线阵扫描能够在一次测量中测量目标物体中一条线上所有像素点的光谱信息，之后通过使用机械运动装置，在另一个维度上进行扫描。线阵扫描的工作原理与点扫描类似，不同点在于点扫描获取的是单个像素点的光谱信息，线阵扫描是获取一条线上所有像素点的光谱信息。由于这种成像方式同样引入了机械运动装置，存在和点扫描形同的成像速度慢，依赖探测器阵列的不足。

4、光谱阵列扫描无需在空间维度进行扫描，能够使用窄带滤波器和面阵探测器，每次测量中都获取一个窄带波段内的2d空间信息。这种方式与点扫描、线阵扫描技术相似、能量利用率也较低。快照式光谱成像是指在探测器单个积分周期内测量3d数据立方体。而成像探测器是2d探测器，单个积分周期只能获取2d信息，因此快照式光谱成像需要将数据立方体划分为多个2d数据以同时测量，再通过后处理将2d数据重新组合为3d立方体。最简易的快照式光谱成像仪为通道式光谱成像仪。

5、快照式光谱成像解决了2d成像系统不能一次采集3d数据的问题。每个通道由滤光片、光学系统和探测器构成，每个通道配置不同中心波长的窄带滤光片，一个通道获取一个窄带光谱图像，形成3d数据立方体。这种成像方式具有原理简单、易于实现、相机可靠的优点。但由于多通道并行采集，各通道存在视差，各通道采集的窄带光谱图像需要配准；同时，一个成像通道对应一个窄带波段，光谱通道数取决于光学系统与探测器的数目，因此光谱通道数量较少，一般为3、4；采用多个探测器，体积、质量均比较大。

技术实现思路

1、本发明针对现有高光谱成像技术存在的问题，提供一种使用非阵列探测器实现高光谱成像的系统，该系统应用单像素成像技术和纳米晶体材料，能够在不使用阵列探测器的情况下，实现对目标物体空间信息和光谱信息的采集，获取三维数据立方体。

2、本发明的使用非阵列探测器实现高光谱成像的系统，采用以下技术方案。

3、该系统，包括成像模块、振幅调制模块、光谱调制模块、接收模块和计算机；

4、所述成像模块：通过红外光源照明目标物体之后，使用成像镜头对目标物体的反射光进行收集，成像到数字微镜器件的靶面上；

5、所述振幅调制模块：数字微镜器件作为空间光调制器，对其靶面上的成像进行振幅调制；数字微镜器件上投影的调制图案是经过随机化的哈达玛矩阵；经过振幅调制之后的信号光由反射镜调整出射方向，出射的信号光进入光谱调制模块；

6、所述光谱调制模块：使用纳米晶体材料滤波片对从振幅调制模块出射的信号光进行光谱调制；经过振幅调制和光谱调制之后的信号光直接出射后进入接收模块。

7、所述接收模块：包括接收端的收集透镜、光电探测器以及数据采集器件；收集透镜使用凸透镜，对信号光进行聚焦，汇聚到光电探测器的靶面上；光电探测器是单像素探测器（带有放大电路的光电二极管，又称为桶探测器），将经过调制之后的光信号转化为模拟电压信号，调制过程中不同强度的信号光会转化为不同的电压数值；数据采集器件（数据采集卡）将模拟电压信号转化为计算机能够识别的数字信号，同时具有同步触发功能，实现加载到数字微镜器件上的调制图案与光电探测器输出的电压值信号一一对应的关系；

8、所述计算机：接收数据采集器件输送的电压数据，通过将光电探测器输出的一维强度信号作为测量值矩阵，将随机化的哈达玛矩阵和纳米晶体材料滤波片的透射光谱作为测量矩阵，进行压缩感知数据处理和运算，重构出目标物体的三维数据立方体。

9、所述纳米晶体材料滤波片的制备过程如下所述：

10、（1）将纳米晶体材料分散到有机溶剂中，得到纳米晶体材料溶液；

11、所述纳米晶体材料如硫化铅、硒化铅、硫化镉、硒化镉等。

12、所述有机溶剂为正己烷。

13、（2）玻璃片清洗处理；

14、将玻璃片放入装有异丙醇的容器中超声清洗三十分钟，烘干后放入真空等离子体清洗机中进行清洗，这样可以提高纳米晶体材料在玻璃片表面的附着效果。

15、（3）将纳米晶体材料溶液滴加到清洗后的玻璃片上，布满整个玻璃片，罩住玻璃片，静置使溶剂完全挥发，在玻璃片上形成纳米晶体材料薄膜，得到纳米晶体材料滤波片。

16、通过控制纳米晶体材料薄膜的厚度调控吸收特性，可以通过调整（1）中纳米晶体材料与有机溶剂的比例，得到不同厚度的纳米晶体材料薄膜。本发明中对纳米晶体材料薄膜的厚度不做要求，任何厚度都能达到本发明的目的，较佳的纳米晶体材料薄膜厚度为50nm-200nm。

17、所述数字微镜器件上投影的调制图案的生成过程如下所述：

18、调制图案的分辨率与目标物体的分辨率直接相关（如：当目标物体的分辨率为8×8时，生成哈达玛矩阵的维度为64×64）；在目标物体的成像生成哈达玛矩阵之后进行随机化处理，即将生成的哈达玛矩阵与一个随机生成的相同大小的二值矩阵进行逻辑异或，之后采用差分测量的方式对目标物体进行振幅调制，差分测量是指在加载调制图案时，除了投影一张已生成的调制图案之外，另外投影一张将该调制图案取反之后得到的调制图案；生成调制图案时将得到的矩阵的所有行都单独提取，并转化行矩阵为一个二维矩阵，并以此作为加载到数字微镜器件上的调制图案。

19、所述使用纳米晶体材料滤波片对从振幅调制模块出射的信号光进行光谱调制的过程是；

20、每在光路中放置一个纳米晶体材料滤波片，都进行一次单像素成像，获得一张单像素成像重构结果图像，这张图像包含了在该纳米晶体材料滤波片调制下的图像信息；接着切换到下一个纳米晶体材料滤波片，重复进行单像素成像；这样一直重复，直至切换完所有的k个纳米晶体材料滤波片，获得k张单像素重构结果图像；根据这一系列图像进行光谱重构，具体是提取每一张重构结果图像中相同空间位置的像素点的强度值，再以所有光谱调制作为测量矩阵进行压缩感知计算重构，获得该像素点的光谱信息，接着选择下一个像素点，重复进行光谱重构，这样一直重复，直至完成所有像素点的光谱重构；对得到的所有光谱数据进行排列组合，得到重构结果。

21、所述计算机重构出目标物体的三维数据立方体的过程如下所述：

22、设目标物体的空间分辨率为n×n，设目标物体光谱的离散化程度为t，即目标物体t是一个t×n×n的三维数据立方体，这个矩阵经过重组表示为t, t∈r^(t×n2)；使用哈达玛矩阵对目标物体进行全采样（即使用与目标物体分辨率相同的采样次数）；设投影在数字微镜器件上的调制图案为pi, pi∈r^( n2×n2), i=1,2,3……n2，其中i代表投影调制图案的索引；设纳米晶体材料滤波片f共有k个，则fj∈r^(k×t), j=1,2,3……k，其中j代表使用的纳米晶体材料滤波片的索引，设系统对光谱的响应为d（其中既有单像素探测器的响应率曲线，也有系统中的镜头、汇聚透镜等），这是一个一维向量，即d∈r^t；由此，计算过程表示为：

23、y=f×t×p，

24、其中矩阵y代表单像素探测器输出的测量值，这是一个k行n2列的二维矩阵；矩阵p代表成像系统对目标物体的空间振幅调制；矩阵f代表成像系统对目标物体的光谱调制，t代表目标物体；

25、测量值矩阵y有n2列数据表示数字微镜器件投影了n2次，这个矩阵有k行表示一共使用了k个纳米晶体材料滤波片进行光谱调制，这个矩阵中的元素代表在数字微镜器件第i次投影，在第j个纳米晶体材料滤波片调制下，单像素探测器输出的测量值；测量值矩阵y矩阵同时包含目标物体的空间信息和光谱信息，通过关联运算对目标物体的信息进行求解；

26、使用空间光调制器对目标物体经过n2次采样之后，通过关联运算的方式求解出目标物体的空间分布；测量值矩阵y的每一列都应用单像素成像方式，重构出在第j个纳米晶体材料滤波片调制下的目标图像；测量值矩阵y的每一行都应用光谱计算重构方式，重构出该像素点的光谱曲线；上述两种方式在获取数据时分步进行，在计算重构时同时进行。

27、上述系统，为了解除高光谱成像系统对阵列探测器的依赖，并将光谱成像的范围拓展到特殊波段，使用单像素成像技术获取目标物体的成像信息，使用纳米晶体材料滤波片获取目标物体在特殊波段的光谱信息，通过使用单像素探测器输出的一维强度信号进行高维重构，实现高光谱单像素成像。

28、本发明具有以下特点：

29、1.应用纳米晶体材料滤波片和单像素探测器，使用非阵列探测器实现特殊波段高光谱成像，通过使用不同数量的自制滤波器（纳米晶体材料滤波片）实现特殊波段内的高光谱成像；如使用50个自制滤波器（纳米晶体材料滤波片）实现了在1050nm-1630nm范围内，平均光谱分辨率为8.59nm的重构质量，图像分辨率达128×128。

30、2.通过使用滤波器的柔性制备工艺和微机电系统，将高光谱成像系统小型化。

31、3.解除了高光谱成像技术对阵列探测器的依赖，将光谱成像范围拓展到特殊波段。