[发明专利]红外宽波段高光谱计算成像装置及其方法

权利要求书

1.一种红外宽波段高光谱计算成像方法，应用于红外宽波段高光谱计算成像装置，该装置包括前置红外镜头、编码模板生成加载、反射式空间光调制器、红外中继透镜组、单元型光谱辐射计、红外光谱计算成像模块、硬件同步控制器；

所述前置红外镜头模块，用于将目标场景红外辐射会聚到反射式空间光调制器的靶面上；

所述编码模板生成器模块，用于通过计算机预先生成多次测量加载的伯努利随机编码模板矩阵，矩阵元素的取值为“-1”和“1”，且服从伯努利随机分布，并将随机编码模板传递给反射式空间光调制器；

所述反射式空间光调制器，位于前置红外镜头的焦平面上，其光学窗口进行ZnSe材料二次封装后覆盖目标场景红外辐射中的红外波段1-15μm；再根据实时随机编码模板对目标场景红外辐射的随机反射完成对目标场景的编码调制；

所述红外中继透镜组模块，用于将所述反射式空间光调制器调制后的光路会聚到单元型光谱辐射计；

所述单元型光谱辐射计，用于根据所述光路测定的光谱分布并且发送到红外计算成像模块；

所述红外计算成像模块，用于根据所述光谱分布和计算编码成像原理重构目标场景不同波段的图谱信息获得红外宽波段高光谱图像；

所述硬件同步控制器，用于通过时序控制使反射式空间光调制器和单元型光谱辐射计实现同步编码调制和数据采集；其特征在于，该方法为：根据伯努利随机编码模板对红外目标场景随机编码，对编码后目标信号进行压缩采样，最后根据重构算法重构获得的压缩编码采样信号获得原始红外高光谱图像；该方法具体包括以下步骤：

步骤一：假设原始红外光谱图像数据立方体V_P×Q×L，其分辨率大小为P×Q，光谱通道数为L，现将立方体中第l个光谱通道的第(i，j)个像素强度表示为则目标场景红外辐射可表示为向量通过前置红外镜头将目标场景红外辐射会聚于反射式空间光调制器的靶面上；

步骤二：所述反射式空间光调制器加载一个分辨率为P×Q的随机矩阵g，通过改变其像素单元开关状态，使红外辐射随机进行反射，完成对目标场景的编码调制；

步骤三：调制后的红外目标场景经过红外中继透镜组调整光路准直；

步骤四：单元型光谱辐射计采集经过准直后的调制光场，每调制一次，输出一组压缩采样光谱数据

步骤五：依次类推，所述反射式空间光调制器经过D次调制，所述单元型光谱辐射计采集到的压缩采样光谱数据依次为：

w＝[w₁,w₂,…w_D] (2)

步骤六：最后，红外计算成像模块对单元型光谱辐射计得到的光谱数据进行重构获得目标与场景的红外宽波段高光谱图像；

所述步骤六具体通过以下步骤实现：

步骤101：将整个数据获取过程表示成矩阵形式：

W＝G·V (3)

式中，W＝[w₁,w₂,…w_D]^T为经过D次线性测量后获得的压缩光谱数据，G＝[g₁,g₂,…,g_D]^T为D次线性测量所使用的调制函数，V为原始数据立方体；

步骤七：对原始数据V进行稀疏变换，使其满足压缩感知理论的前提条件，将其稀疏表示为，

V＝Ψθ (4)

式中，θ是原始信号V在基Ψ下的稀疏变换向量，θ为Q×L维矩阵，Ψ为Q×Q维稀疏变换矩阵，若θ中有k个非零元素，其中kQ，称θ是原始信号的k稀疏表示；

步骤102：于是，式W＝GV重新表示为：

W＝GV＝G·Ψ·θ＝Θ·θ (5)

式中，Θ为P×Q维传感矩阵，将整个光谱图像数据立方体的反演过程视为一个对原始稀疏系数的凸优化求解问题：

式中，第一项为模型与测量数据之间差值的l₂范数最小化，第二项为重构系数的l₁范数，表示其稀疏性，参数γ0为调节因子；

步骤103：通过压缩感知重构算法求上式的最优化解由此反演得到目标场景红外光谱图像，同理可求得任意波段的高光谱图像。

2.根据权利要求1所述的红外宽波段高光谱计算成像方法，其特征在于，所述步骤二具体为：所述反射式空间光调制器加载一个分辨率为P×Q的编码模板，该编码模板为伯努利随机矩阵，满足受限等距性质(RIP)即式中，测量矩阵列矢量都是单位长度，信号v是稀疏度为K的稀疏信号，δ_K是一个取值范围为(0,1)常数，对于P×Q维测量矩阵g，矩阵元素的取值为-1或者1，且服从伯努利随机分布：

式中，f为概率。