[发明专利]基于推扫式光谱成像仪的光谱分类器及分类方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种基于推扫式光谱成像仪的光谱分类器及分类方法。

背景技术

高光谱成像技术能够同时探测目标的二维几何空间与一维光谱信息，具有“图谱合一”的特点；高光谱成像技术实现了光谱分辨率的突破性提高，且波段数较多，每个像元对应的光谱信息作为波长的函数可绘制成一条完整而连续的光谱曲线，反映出能够区分不同物质的诊断性光谱特征。这一特点决定了高光谱图像具有较其他遥感图像更强的地物识别与精细分类能力。

利用高光谱数据进行目标精细分类是高光谱成像技术应用的核心内容之一，其最终目标是对高光谱图像中的每个像元赋以唯一的类别标识。目前，高光谱分类算法是以高光谱成像仪输出数据进行重构后的数据立方体为研究对象，分析各类物质的光谱和空间信息，进行特征提取，再通过适当的分类方法进行分类判断。

然而，高光谱成像获取目标丰富的空间、辐射和光谱信息，为目标精细分类带来机遇的同时，也带来了新的挑战。庞大的数据量必然给数据处理系统带来了压力，巨大的运算量导致计算机负荷大幅增加；同时，大数据量也给数据传输系统和存储系统带来了时间和存储空间上的瓶颈。

近些年国内外学者们提出的许多新型成像光谱技术，如基于压缩感知理论的计算光谱成像技术等，通过降低数据采集量的方式，在一定程度上减轻了系统开销。但是，这些先进的新型成像光谱技术，其重构算法，往往比较复杂，较难以实现，重构效果取决于光谱数据立方体的稀疏性。而且，其最终目标仍然是数据立方体的重构，因此仍然要面对重构后数据立方体带来的大数据量问题。

发明内容

为了解决上述现有成像光谱技术其重构后数据立方体数据量过大致使数据传输、存储和处理系统负荷大幅增加的技术问题，本发明提供了一种基于推扫式光谱成像仪的光谱分类器及分类方法。

本发明的技术解决方案如下：

基于推扫式光谱成像仪的光谱分类器，其特殊之处在于，包括推扫型光谱成像仪、空间光调制器、控制器、探测器、信号处理模块；

所述推扫型光谱成像仪用于对一行目标像元进行扫描、色散，形成按波长顺序排列的分光后光谱，该分光后光谱投射到所述空间光调制器上；

所述空间光调制器根据所述控制器输出的数字电压信号对所述分光后光谱进行调制；所述数字电压信号为通过线性判别分析算法将数据立方体的光谱空间投影到N-1维特征空间所获得的投影矩阵中特征向量的量化值，由所述控制器根据所述特征向量的特征值从大到小依次输出；N为已知光谱的类别数；

所述探测器用于接收所述空间光调制器调制后的光信息，进行当前行目标像元的特征提取；

所述信号处理模块接收所述探测器输出的特征信息，对当前行目标像元进行分类判断，输出分类结果。

进一步地，上述空间光调制器为二维数字微镜阵列，包括多个微镜单元，每两行微镜单元对应一个目标像元；所述微镜单元的反射镜分别由所述控制器控制旋转，实现独立光开关，并通过控制每个微镜单元的光开关时间实现光信息的调制；

二维数字微镜阵列的每一行的微镜单元数量大于等于所述分光后光谱的波段数，每一列的微镜单元数量大于等于一行目标像元的像元数的2倍；二维数字微镜阵列中，奇数行的微镜单元由所述特征向量中正数值对应的量化值控制，偶数行的微镜单元由所述特征向量中负数值对应的的量化值控制；每两行微镜单元输出的调制光分别由探测器中相应的两个探测单元接收。

进一步地，上述信号处理模块是依据贝叶斯判定准则对当前行目标像元进行分类判断的信号处理模块。

本发明同时提供了一种利用上述基于推扫式光谱成像仪的光谱分类器对目标像元进行光谱分类的方法，包括步骤：

1)推扫型光谱成像仪对一行目标像元进行扫描、色散，形成按波长大小顺序排列的分光后光谱；

2)控制器输出数字电压信号控制空间光调制器对步骤1)产生的分光后光谱进行光学调制；所述数字电压信号通过线性判别分析算法确定：通过将训练样本集的光谱空间投影到N-1维特征空间，得到投影矩阵，将所述投影矩阵中的特征向量进行量化，量化后即为所述数字电压信号；所述数字电压信号由控制器根据所述特征向量对应的特征值从大到小依次输出；N为已知光谱的类别数；

3)探测器接收步骤2)调制后的光谱信息，实现当前行目标像元的特征提取；

4)信号处理模块接收步骤3)提取的特征信息，对当前行目标像元进行分类判断，输出当前行目标像元的分类结果；

5)重复步骤1)-4)，依次逐行完成其余行目标像元的光谱分类。