[发明专利]一种基于压缩感知的凝视型光谱成像系统

说明书

本发明提供一种基于压缩感知的凝视型光谱成像系统，解决现有成像系统数据传输成本增加、信噪比较低，以及系统体积大、成本高、成像质量差的问题。该系统包括沿光束方向依次设的第一成像镜、分光单元、第一编码模板、合光单元、第二编码模板、成像镜组、单元探测器及数据处理单元；第一成像镜用于将目标成像；分光单元包括第一准直镜、第一色散元件、第二成像镜；第一编码模板用于对第二成像镜成像后的图像信息进行光谱维编码；合光单元包括第二准直镜、第二色散元件、第三成像镜；第二编码模板用于对第三成像镜成像后的图像信息进行空间微编码；成像镜组用于将编码后的图像压缩至单元探测器焦平面上，数据处理单元用于对目标信息复原。

技术领域

本发明涉及光谱成像技术，具体涉及一种基于压缩感知的凝视型光谱成像系统。

背景技术

高/多光谱成像技术能够获取目标的图像信息和光谱信息，获得目标的表面结构和光谱特性信息，被广泛应用于航空航天遥感、农林牧渔普查、地质环境监测、气象监测和预报、天文观测、化学成分监测等诸多领域，在军事、工业和农业生产中具有不可或缺的应用价值。随着光谱成像技术的发展，其应用波段从可见光、近红外不断的向中长波红外、太赫兹波段扩展。

传统的单通道光谱成像技术信噪比较低，相比于传统光学成像，光谱成像仪可以获得目标的三维数据立方体，N个谱段的数据立方体的数据量扩大了N倍，极大的数据量会带来数据存储问题，对于传输信息的信号所需的带宽容限特性要求水涨船高，不仅仅如此，由于数据量扩大，采集传输信号所需时间增加，则采集速度也相应增大，使得数据传输的成本增高、对硬件要求提高，否则严重影响数据处理时间，影响工作效益。对于机载和星载设备，也会带来信息获取和传输受限的问题，导致无法实时获取探测及侦查数据；同时，要获得高空间分辨率和高光谱分辨率的图谱信息，往往需要较大规格的探测器，则所需成本较高；而在太赫兹和中长波红外波段，大规格探测器的工艺不成熟、价格昂贵、性能难以保证，并且由于中波红外及太赫兹成像半导体技术发展相对缓慢，因此需要转变大面阵探测的思路。压缩感知概念的提出使得单像素成像成为可能。压缩感知(Compressive Sensing，CS)又称压缩采样，是由E.Candès,J.Romberg,T.Tao和Donoho等人于近年提出的一个全新的数学理论，它通过对信号的冗余性进行充分的挖掘，对原始信号进行一个线性、非自适应的全局观测得到少量的观测信号，再通过重构算法精确重构原始信号。2006年在美国莱斯大学单像素相机也随着压缩感知理论的完善成功问世，该设备的工作原理其实就是压缩感知理论在光学成像上的基本应用，相对于传统成像一一对应的方式来说，通过增加一些具备整体场景信息的像素块对应的光强值大小来获取图片信息。参考Rice大学的研究成果。2008年，成功实现太赫兹单像素成像。2011年，Correia M课题组成功研究出动态照明的单像素相机，2013年，B.Sun等人成功研制出具有3D成像功能的单像素相机。2016年，Yiwei Zhang等人设计出单像素3D视频成像装置；2017年Chi H等人利用频谱仪实现了单像素光谱成像；Zhang Z等人提出一种基于傅里叶变换的调制模式实现单像素成像。

综上所述，目前对于单像素成像的研究主要集中于传统的全色成像，部分研究将其拓展至3D成像和光谱成像，但这些成像过程都需采用扫描的方式获取目标的三维信息，该扫描过程需要电机、控制装置及运动部件，增加了系统整体的体积重量和成本，同时降低系统可靠性和成像质量。

发明内容

为了解决现有成像系统获取数据量增加导致数据传输成本增加、信噪比较低，以及现有单像素成像的扫描方式导致系统体积大、成本高、成像质量差的技术问题，本发明提供了一种基于压缩感知的凝视型光谱成像系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：