[发明专利]基于液晶高光谱计算成像系统的三维数据重构方法

说明书

本发明公开了一种基于液晶高光谱计算成像系统的三维数据重构方法，该方法将液晶高光谱计算成像系统的成像过程进行建模，将面阵探测器上得到的光强分布进行离散表示，进而将液晶高光谱计算成像系统的数据获取过程转化为矩阵形式；采用压缩感知理论，可从少量的观测数据中重构出高分辨率的目标场景。

技术领域

本发明一种三维数据重构方法，尤其涉及一种基于液晶高光谱计算成像系统的三维数据重构方法。

背景技术

液晶可调滤光器是一种中心波长可调的光谱滤波器件，具有调谐速度快、方便控制、成像质量好、体积小便携以及低成本等优点。基于液晶可调滤光器的光谱成像系统已经被广泛应用在了诸多领域，例如航空遥感、生物医学、农业检测等。

基于液晶可调滤光器的光谱成像系统通常包括一个成像镜头，一个液晶可调滤光器和一个面阵探测器，能够获取目标场景的三维数据立方体，包括二维空间数据和一维光谱数据。当系统调节至某一中心波长时，液晶可调滤光器将含有全光谱信息的入射场景过滤为准单色光谱图像，并被探测器探测到；通过调节液晶可调滤光器的中心波长，实现对入射场景的光谱维扫描从而获取目标场景的三维数据。

基于液晶可调滤光器的光谱成像系统的光谱分辨率会受到液晶可调滤光器带宽(通常用透过峰的半高宽来表示)的限制。液晶可调滤光器的结构基础通常是Lyot型滤光片，该类型的滤光片的带宽会随着滤光片级次的增加而减小。通过增加液晶可调滤光器中液晶盒的级次，来提高其光谱分辨率是一种较为常见的方法，但同时会降低液晶可调滤光器的透过率，使得系统的光能利用率下降，影响成像质量。因此，光谱分辨率和光能利用率无法兼得是基于液晶可调滤光器的光谱成像系统的一个固有缺点。

在传统成像系统中，想要获取高分辨率的图像必然要有高分辨率探测器。随着制造工艺的进步发展，高分辨率探测器的制造成本日渐降低。但是在一些特殊的应用场景，例如红外探测领域，高分辨率探测器仍面临着制造成本高，制造困难等问题。

压缩感知理论是一种全新的信号采集理论，一经提出就受到了广泛的关注。压缩感知理论可以从很少的采样量(低于奈奎斯特定理)中恢复出完整的数据，提高了数据采集效率。稀疏表示是压缩感知理论能够实现的一个基本条件。我们常见的信号本身通常不是稀疏的，而是在某些特定的变换域上具有稀疏性，即在变换域上可以用很少的系数将该信号表示出来，例如自然图像在离散余弦变换域和小波域上具有稀疏性，光谱信息在离散余弦变换域上具有稀疏性。

在发明专利ZL201610920079.9中，提供了一种三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置与测量方法，该装置能够同时实现高光谱数据的空间和光谱维的压缩编码，在数据采集阶段降低数据维度，避免数据冗余，提高信息利用率。该发明利用一个前置透镜将目标场景的光线汇聚到系统中，液晶可调滤光器作为该系统的波段选择与分光模块，将入射光线中被选定波段的信息透过，其余波段滤除，经过液晶可调滤光器的出射光在空间光调制器进行空间编码，编码的信息通过一个准直透镜在面阵探测器上混叠成像。液晶可调滤光器在该装置中的作用是对光谱维进行调制编码，包括波段选择和分光。系统对入射场景的空间编码是通过空间光调制器实现的。该发明给出了三维编码的液晶高光谱计算成像测量装置的具体构想及其相关的测量方法，但是距离利用压缩感知理论实现重构还有一段距离。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于液晶高光谱计算成像系统的三维数据重构方法，该方法将液晶高光谱计算成像系统的成像过程进行了数学建模，将系统成像过程用数学语言表述出来，利用数据的离散化表示，将液晶高光谱计算成像系统的数据获取过程转化为矩阵形式，结合压缩感知原理，推导出了如何从系统获取的少量数据中重构高分辨率三维数据，并给出了重构方法。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种基于液晶高光谱计算成像系统的三维数据重构方法，所述基于液晶高光谱计算成像系统包括依次设置在光路上的镜头、液晶可调滤光器、空间光调制器、准直透镜和面阵探测器；