[发明专利]基于全色成像的压缩光谱成像系统及成像方法

权利要求书

1.一种基于全色成像的压缩光谱成像系统，包括观测模块，图像重构处理模块，观测模块对光谱图像进行观测，获得观测图像，图像重构处理模块对观测图像进行重构，获得原始光谱图像，其特征在于，观测模块分为两个，即压缩光谱观测模块(2)和全色观测模块(3)，这两个观测模块的前端设有分束器模块(1)；被采集的光谱图像的入射光束经过分束器模块(1)分成信息相同、方向不同的两路光束，一路经过压缩光谱观测模块(2)实现光谱图像的压缩编码观测，另一路经过全色观测模块(3)实现光谱图像的全色观测；图像重构处理模块(4)将这两个模块输出的光谱图像的压缩编码观测和全色观测结果进行联立融合后完成光谱图像的重构。

2.根据权利要求1所述的基于全色成像的压缩光谱成像系统，其特征在于，所述压缩光谱观测模块(2)，包括第一透镜组(21)、编码模板(22)、色散元件(23)和第一面阵探测器(24)；编码模板(22)位于第一透镜组(21)的后端，实现对光谱图像的编码，色散元件(23)位于编码模板(22)的后端，用于平移光谱图像的光谱维信息，实现光谱图像的色散，第一面阵探测器(24)位于色散元件(23)的后端，用于观测图像，获取编码之后的图像信息。

3.根据权利要求1所述的基于全色成像的压缩光谱成像系统，其特征在于，所述全色观测模块(3)，包括第二透镜组(31)和第二面阵探测器(32)，第二面阵探测器(32)位于第二透镜组(31)后端，用于观测图像，获取全色图像信息，该全色图像信息包括第一面阵探测器(24)记录的光谱信息和丢失的光谱信息。

4.一种基于全色成像的压缩光谱成像方法，包括：

(1)光谱图像观测步骤：

(1a)设原始光谱信息矩阵f₀的大小为M×N×L，其中M×N为光谱信息空间分辨率，L为光谱信息的光谱分辨率；

(1b)设任意一点的光谱信息为f₀(m,n,k)，其中m和n表示空间维坐标，k表示光谱维坐标，其中0≤m≤M-1，0≤n≤N-1，0≤k≤L-1；

(1c)将原始光谱信息按1：1的比例分成两路，其中第一路所含的信息f₁₁(m,n,k)与第二路所含的信息f₂₁(m,n,k)相同，即：

f11(m,n,k)=12f0(m,n,k),]]>

f21(m,n,k)=12f0(m,n,k);]]>

(1d)利用编码函数T(m,n)对第一路光谱信息进行编码，得出经过编码之后的光谱信息f₁₂(m,n,k)为:

f12(m,n,k)=f11(m,n,k)T(m,n)=12f0(m,n,k)T(m,n),]]>

其中，T(m,n)随机地取0或1；

(1e)将第一路编码后的光谱信息中的第k个谱段的信息平移k个像素，即将第k个谱段第m行的信息平移到第m-k行，得出平移之后的光谱信息f₁₃(m,n,k)为：

f13(m,n,k)=f12(m-k,n,k)=f11(m-k,n,k)T(m-k,n)=12f0(m-k,n,k)T(m-k,n);]]>

(1f)对第一路和第二路的光谱信息同时进行曝光，得到第一路的观测结果y₁(m,n)和第二路的观测结果y₂(m,n)：

y1(m,n)=Σkf13(m,n,k)=12Σk=0L-1f0(m-k,n,k)T(m-k,n),]]>

y2(m,n)=Σkf21(m,n,k)=12Σk=0L-1f0(m,n,k),]]>

将这两路观测结果记为：

Y＝Hf，

其中Y＝{y₁(m,n),y₂(m,n)}为观测图像矩阵，H为观测算子，表示系统的观测模型，f为原始光谱信息；

(2)光谱图像重构步骤：

(2a)将观测图像矩阵Y送至图像重构处理器；

(2b)设定稀疏基Ψ为小波基或DCT基或傅立叶基，使得光谱信息在稀疏基Ψ下是稀疏的；

(2c)图像重构处理器根据观测图像矩阵Y和稀疏基Ψ，利用非线性优化方法重构出原始光谱信息f。

5.根据权利要求4所述的基于全色成像的压缩光谱成像方法，其特征在于，步骤(2c)所述的利用非线性优化方法重构原始图像，按如下步骤进行：

(2c1)设定优化目标函数为min(||Ψ^Tf||₁)，其中T表示矩阵转置，||·||₁表示对投影系数Ψ^Tf取l₁范数，min(·)表示取l₁范数的最小值；

(2c2)将观测图像矩阵Y＝Hf作为约束条件；

(2c3)联立优化目标函数和约束条件，得出满足约束条件Y＝Hf，并且使||Ψ^Tf||₁最小的f，即为原始光谱信息f。