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连续推扫计算光谱成像技术

更新时间：2020-01-02 21:13:20 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：光谱成像技术 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

计算光谱成像技术具有高通量、快照成像等优点,但快照成像采样数据量不足,导致利用压缩感知方法重构图谱精度很低。通过对计算光谱成像技术各个环节进行系统研究,提出一种新型的连续推扫计算光谱成像技术,利用正交循环编码孔径代替传统的随机编码孔径,通过逐行扫描方式及正交变换可完整重构图谱数据。仿真和实际成像结果表明,连续推扫计算光谱成像技术可消除图谱混叠影响,理论上可完全重构图谱信息,重构图谱精度明显优于传统的计算光谱成像技术。相比国际上提出的多次曝光计算光谱成像技术,连续推扫计算光谱成像技术不需要改变编码孔径与探测器间的相对位置,也不需要凝视成像,系统中没有活动元件,稳定性高,适用于常规航空航天遥感推扫成像。


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连续推扫计算光谱成像技术.pdf 2M

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，
第
，
，
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．４ １２５６１２６１  
ｐｐ  
第
卷
３８  
ꢀ
期
４
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
－
，
Ａ ｒｉｌ ２０１８  
ｐ
ꢀ
年
月
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ  
ｐｙ  
２０１８  
ꢀꢀꢀ  
４
ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
连续推扫计算光谱成像技术  
，
１２  
，，  
１２３  
，，  
１２３  
，
１２  
，
１２  
＊
，
吕群波  
，
刘扬阳  
，
孙建颖  
，
王建威  
，
相里斌  
，
１２  
，
１２  
４
，
裴琳琳  
，
李伟艳  
姚
涛
ꢀ
，
中国科学院光电研究院 北京  
１．  
１０００９４  
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
，
中国科学院计算光学成像技术重点实验室 北京  
２．  
１０００９４  
ꢀ
，
中国科学院大学 北京  
３．  
１０００４９  
ꢀ
，
国防科工局重大专项工程中心 北京  
４．  
１００１０１  
ꢀ
、 ， ，  
计算光谱成像技术具有高通量 快照成像等优点 但快照成像采样数据量不足 导致利用压缩感知  
ꢀ
摘
要
ꢀ
。 ，  
方法重构图谱精度很低 通过对计算光谱成像技术各个环节进行系统研究 提出一种新型的连续推扫计算  
， ，  
光谱成像技术 利用正交循环编码孔径代替传统的随机编码孔径 通过逐行扫描方式及正交变换可完整重  
。 ， ，  
构图谱数据 仿真和实际成像结果表明 连续推扫计算光谱成像技术可消除图谱混叠影响 理论上可完全重  
， 。  
构图谱信息 重构图谱精度明显优于传统的计算光谱成像技术 相比国际上提出的多次曝光计算光谱成像  
， ， ，  
技术 连续推扫计算光谱成像技术不需要改变编码孔径与探测器间的相对位置 也不需要凝视成像 系统中  
， ，  
没有活动元件 稳定性高 适用于常规航空航天遥感推扫成像  
。
； ；  
关键词 计算成像 光谱成像 信息重构  
ꢀ
：
：
文献标识码  
Ａ
：
／
（
）
中图分类号  
ＴＰ３９１．９  
ꢀꢀ  
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１８０４１２５６０６  
ꢀꢀꢀ  
ｊ
－
－
－
，
知理论 信号在不满足  
采样条件时仍能被准确重构  
Ｎ
ｕｉｓｔ  
ｙｑ  
［］  
９
，
的前提 是 信 号 具 有 稀 疏 性  
但
只 考 虑 空 间 维 稀 疏 采  
ＣＩＳ  
引
言
ꢀ
， ，  
对于光谱维则采用混叠压缩方式 没有考虑光谱的稀疏  
样
（
，
ｙ
）
作为光学遥感  
ｉｍａｉｎ ｓｅｃｔｒｏｍｅｔｒ ＩＳ  
ｇ ｇ ｐ  
， 。  
采样 致使最终图谱重构 的 精 度 很 低 为 了 提 升 重 构 精 度  
，
光谱成像技术  
ꢀꢀ  
ꢀ
［
］
０１１  
－
１
， 、 、  
成像领域的重要研究方向 目前已经在遥感 生物医学 农  
，
国外提出了基于变换孔径的多次曝光成像方法  
在保证  
［
］
１４  
。
－
， ， ，  
高通量的前提下 极大提升图谱重构精度 但是 该方法需  
业等诸多领域得到广泛应用  
传统的光谱成像技术以色  
［
］
５７  
，
－
，
，
要采用凝视成像方式 且系统中存在移动编码模板的活动部  
散型为主  
其典 型 特 征 是 一 次 像 面 设 置 狭 缝 孔 径 极 大  
，
降低了系统的光通量 导致其在微弱目标光谱探测方面的应  
， ，  
既不满足常规航空航天遥感推扫成像要求 又降低了系  
件
。 ，  
用受到极大限制 在技术和应用需求的推动下 以高通量和  
， 。  
统的稳定性 使其应用受到极大的限制 本工作从  
成像  
ＣＩＳ  
，
快照式为特征的新型光谱成像技术不断出现 计算光谱成像  
， ，  
特性分析入手 针对现有技术存在的问题 提出一种连续推  
（
，
）
是 其 中 一 种  
ｃｏｍ ｕｔａｔｉｏｎａｌｉｍａｉｎ ｓｅｃｔｒｏｍｅｔｒ ＣＩＳ  
ｇ ｇ ｐ  
（
扫计 算 光 谱 成 像 技 术  
ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｕｓｈｂｒｏｏｍｃｏｍ ｕｔａｔｉｏｎａｌ  
ꢀｐ  
技术  
ｐ
ꢀ
ｙ
ꢀ
ｐ
ꢀ
［］  
８
，
，
）， 、 、  
具有高精度 高通量 高稳  
新型光谱成 像 技 术  
该 技 术 在 传 统 光 谱 成 像 技 术 的 基 础  
ｉｍａｉｎ ｓｅｃｔｒｏｍｅｔｒ ＣＰＣＩＳ  
ｇ ｇ ｐ  
ꢀ
ｙ
， ，  
利用两维编码孔径代替狭缝孔径 对目标图谱数据进行  
， ，  
定度的优点 并通过计算机仿真和成像实验 对该技术进行  
上
， ，  
编码调制 由两维面阵探测器对调制信号进行采样 并采用  
。
验证  
，
压缩感知方法对获取的二维图像进行三维图谱重构 实现目  
，
标空间信息和光谱信息的编码感知成像探测 弥补了传统光  
简介  
１ ＣＩＳ  
ꢀ
， ，  
谱成像技术光通量低的缺陷 相比传统光谱成像技术 其光  
。
、 、  
综合了光谱成像 计算方法 压缩感知等学科理论  
，
通量可以提升两个数量级  
ＣＩＳ  
ꢀꢀ  
，
最初的 采用压缩感知采样和重构理论 根据压缩感  
ＣＩＳ  
，
通过计算方法与传统色散型光谱成像过程融合 将传统光谱  
：
，
修订日期  
２０１３０７０９  
：
收稿日期  
２０１４０４２２  
－ －  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（ ）  
资助  
６１６３５００２  
基金项目 国家自然科学基金重点项目  
：
，
，
年生 中国科学院光电研究院研究员  
：
ｅｍａｉｌ ｘｉａｎｌｉ ｃａｓｈ ．ａｃ．ｃｎ  
ｇ ＠  
作者简介 相里斌  
１９６７  
ꢀꢀ  
－
ｑ
：
ｅｍａｉｌ ｌｖｕｎｂｏ ａｏｅ．ａｃ．ｃｎ  
ｑ
通讯联系人  
＊
ꢀꢀ  
－
＠
第
期
光谱学与光谱分析  
４
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
１２５７  
（ ） （ ），  
成像技术的线视场 狭缝 扩展为面视场 编码模板 极大提  
Ｎ
Ｎ
Ｐ
×
×
（）  
３
Ｍ
Ｋｌｏ ２  
ｇ
≥
（
）
Ｋ
；
高了传统色散型光谱成像技术的光通量 通过光学与压缩感  
，
ＣＩＳ  
（
Ｎ× Ｎ＋Ｐ－  
事 实 上  
一 次 曝 光 采 样 的 数 据 量 为  
ꢀꢀ  
，
知的结合 实现了三维图谱信息的两维压缩感知成像和三维  
），  
， ，  
通常远小于压缩感知必须的采样数据量 因此 单次曝  
１
，
图谱重构 极大降低了仪器获取的原始数据量  
。
ＣＩＳ  
基本原  
。
光采样无法实现三维图谱数据的高概率重构 为了提高图谱  
。
理如图 所示  
１
， ，  
重构精度 国外学者提出多次曝光成像方法 增加采样数据  
。
［ ］ ， ，  
的分析 对于一组给定的仿真数据 相比  
１０  
量
根据文献  
，
１２  
（ ）  
由
ＰＳＮＲ ２３．２  
单次曝光  
次曝光重构图谱的峰值信噪比  
。
提高到了  
ｄＢ  
３５．７ｄＢ  
，
但是 多次曝光成像要求编码孔径在每次曝光时变更编  
， ，  
码形式 通常采用移动 编 码 模 板 的 方 式 实 现 如 图 所 示  
３
。
， ，  
活动元件使得系统稳定性变差 同时 该方法要求  
系统  
ＣＩＳ  
，
采用凝视成像方式 也即是在完成多次曝光成像过程中  
，
系
图
光学原理示意图  
１ ＣＩＳ  
ꢀ
，
统拍摄的目标场景不变 这不满足常规航空航天遥感推扫成  
Ｆｉ．１ Ｏｔｉｃａｌ ｒｉｎｃｉｌｅｏｆＣＩＳ  
ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ｇ
ｐ
ｐ
。
像要求  
， ，  
基本原理图可以看出 入射光经前置镜后 到达  
由
ＣＩＳ  
ꢀꢀ  
， ，  
编码模板 并完成特定的调制 调制后的信号经准直镜到达  
， ，  
色散元件进行分光 分光后的信号经成像镜后 在探测器感  
，
光面汇聚成像 得到最终的编码混叠图谱信息  
。
［
］
２
，
１
对图 进行等效简化可以得到图 所示的等效模型  
１ ２  
，
假定入射光信号为复色光 表示为  
（ ，，），  
编码模板采用  
ｘ
λ
ｙ
ｆ
， （ ，），  
离散编码形式 表示为  
ｔｘ  
，
色散元件采用棱镜 表示为  
ｙ
（ ，；），  
其色散系数为  
ｘ
（），  
中心波长为  
αλ  
，
棱镜沿  
λ
ｃ
方
ｘ
δ
λ
ｙ
， ，  
向色散 则光信号经编码孔径调制和色散元件分光后 在探  
图
多次曝光  
成像原理示意图  
ＣＩＳ  
３
ꢀ
：
测器像面的信号为  
Ｆｉ．３ Ｍｕｌｔｉｆｒａｍｅｉｍａｉｎ ｒｉｎｃｉｌｅｏｆＣＩＳ  
ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｇ ｇｐ  
ꢀ
（ ，）  
ｘ
ｙ
（ ，，）  
ｄｘｄ  
λ＝  
ｘ
ｙ
＝
λ
ｇ
ｇ
特性分析  
２ ＣＰＣＩＳ  
ꢀ
（ ，，）（ ，）（  
ｘ′ ｔｘ′  
δ
（
ｘ
（）（  
－αλ λ－λ  
ｃ
））） （）  
ｄｘ′ｄ １  
λ
ｘ′  
λ
－
ｆ
ｙ
ｙ
，
成像过程可以分为两部分 一是编码采样成像  
，
其
ＣＩＳ  
ꢀꢀ  
，
关键是 设 计 最 优 编 码 孔 径 函 数 多 数 情 况 下 选 择 随 机 函  
［
］
５１６  
－
１
；
，
二是三维图谱重构 应用比较普遍是两步迭代收缩  
数
［ ］  
１７  
（
／
，
ｔｗｏｓｔｅ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｓｈｒｉｎｋａｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎ  
ｇ
阈 值 算 法  
－
ｐ
ꢀ
ꢀ
ｇ
）。 ， ，  
对于应用来说 核心是高精度获取图谱精度 快照  
ＴｗＩＳＴ  
，
的图谱重构精度明显不足 多次曝光  
式
虽然提升了  
ＣＩＳ  
ＣＩＳ  
图
等效成像模型  
２ ＣＩＳ  
ꢀ
， ，  
重构精度 但是其结果仍是最优估计值 在理论上无法实现  
Ｆｉ．２ Ｅ ｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆＣＩＳ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ ｑ  
，
完全重构 同时该方法又带来应用局限性  
。
，
技 术 的 不 足 需 要 从 其 成 像 过 程 入  
为了解决现 有  
ＣＩＳ  
，
ＣＩＳ  
，
是一种异点异谱积分成像技术 探测器  
可以看出  
ꢀꢀ  
， ，  
同时结合实际应用需求 改变其图谱信息获取和重构方  
手
，
像元获得的能量是不同孔径不同谱段光能量的积分 因此该  
。 ，  
从成像过程考 虑 多 次 曝 光  
，
解 决 了 数 据 量 的 问 题  
法
ＣＩＳ  
，
技术具备高通量的优点 光通量与普通照相机相似  
。
ＣＩＳ  
通
， ，  
但是需要改变编码模板 如果将编码模板固定 通过系统整  
，
常采用压缩感知计算方法重构图谱信息 可以简单理解为优  
， ，  
体推扫 让目标场景逐行遍历编码孔径 在不改变编码模板  
［ ］  
１３  
， （）  
如式 所示  
２
化计算特定约束条件下的最小二乘解  
， ， ，  
的前提下 同样可以极大提高采样数据量 与此同时 将系  
Ｔ
２
＾
ｆ
｛
＝ Ψ  
｝
ａｒ ｍｉｎ ｓ ｓ  
‖ －ΦΨ ‖ ＋κ‖ ‖  
ｇ ２ １  
（）  
２
ｇ
ꢀ
，
统色散方向与推扫方向保持垂直 可以保证不同行目标图谱  
ｓ
，
数据间的独立性 由此提出  
，
成像原理如图 所示  
ＣＰＣＩＳ  
。
（） ，  
中
２
， ，  
Ｍ×Ｎ 为观测矩阵  
Φ
式
为某正交基 下的变换系数  
Ψ
４
ｓ
，
可以看出 其编码孔径通  
，
Ｍ×Ｎ 由编码孔径形式决定  
Φ
，
为稀疏性约束  
κ
通过分析  
和多次曝光  
对于  
因子  
来说  
ＣＩＳ  
ＣＩＳ  
ＣＩＳ  
ꢀꢀ  
，
常采用随机函数形式 如图  
（） ，  
给出一种随机编码形式 重  
。
５ａ  
，
其光谱  
。
构图谱为最优估计值 而对于  
，
来说 既然可以实现逐  
假定目标场景的空间数字化采样点数为  
Ｎ×Ｎ  
ＣＰＣＩＳ  
， ，  
根 据 压 缩 感 知 理 论 对 于  
Ｐ
，
来 说  
， ，  
行推扫成像 如果其编码孔径采用正交函数形式 如图  
（ ）  
５ ｂ  
数字化采样点数 为  
ＣＩＳ  
，
的图谱 其采样数据量  
，
给出一种正交循环编码形式 在理论上只需要简单的正交变  
要高概率重构一个稀疏度为  
必
Ｍ
Ｋ
［ ］  
１４  
， ，  
换就可以完全重构图谱 既提高了重构图谱精度 同时提高  
须满足如下条件  

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