【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及光譜成像，具體涉及一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法。
技術(shù)介紹
1、由于同色異譜現(xiàn)象的存在，傳統(tǒng)彩色相機獲取的物體的色度信息難以可靠表征物體的本源信息，而光譜反射比是設(shè)備無關(guān)且與捕獲光源無關(guān)的物理量，可以表征物體的本源信息。因此，準確獲取物體的光譜反射比可以實現(xiàn)高精度的顏色測量，且可以忠實復(fù)現(xiàn)物體在任意光源下的顏色外貌。多光譜成像系統(tǒng)由于增加了更多的通道進行成像，故可提高物體光譜反射比獲取的準確性。多光譜成像系統(tǒng)的光譜靈敏度決定物體多通道響應(yīng)值的產(chǎn)生，因而在獲取物體光譜反射比中起重要作用。然而當前在設(shè)計多光譜成像系統(tǒng)時，每個通道的帶寬一般是固定的，且所有通道的峰值響應(yīng)波長在整個波長區(qū)間等間隔排列，并未針對目標對象進行優(yōu)化，因此并不是最優(yōu)的，從而降低了多光譜成像系統(tǒng)采集物體光譜信息的性能。
2、中國專利公開號cn209485536u，公開日2019年10月11日，專利技術(shù)創(chuàng)造的名稱為一種基于手機的便攜式多光譜成像裝置，其不足之處便是該多光譜成像裝置的通道光譜靈敏度未優(yōu)化，多光譜成像系統(tǒng)不夠精簡，且不能保證該多光譜成像系統(tǒng)光譜信息獲取的準確性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)解決了多光譜成像系統(tǒng)獲取物體光譜信息的精度差和靈敏度低的問題，提供了一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法。
2、為了實現(xiàn)上述專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)采取以下技術(shù)方案：
3、一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，包括以下步驟：
4、s1、根據(jù)多光譜
5、s2、結(jié)合多光譜成像和光譜重構(gòu)流程，計算對象樣本的多通道響應(yīng)值和光譜反射比；
6、s3、以最小化光譜差ds作為優(yōu)化目標，優(yōu)化m個通道每個通道的峰值響應(yīng)波長psw和峰值半高寬fwhm；
7、s4、對種群進行若干次選擇交叉和變異操作，獲取使優(yōu)化目標最小的每個通道的峰值透過率波長和相應(yīng)的峰值半高寬。
8、在本專利技術(shù)中，針對高斯型的光譜靈敏度，結(jié)合多光譜成像和光譜重構(gòu)整個流程，提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方式優(yōu)化其峰值響應(yīng)波長和峰值半高寬，通過多光譜成像系統(tǒng)的通道數(shù)量確定優(yōu)化變量數(shù)量及變量變動范圍，然后以對象樣本的光譜差作為優(yōu)化目標，并進行特殊的選擇、交叉和變異操作，得到使優(yōu)化目標最小的每個通道的峰值透過率波長和相應(yīng)的峰值半高寬，便是最優(yōu)的光譜靈敏度。在光學(xué)器件設(shè)計中，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法可以精確調(diào)整器件參數(shù)以獲得所需的中心或峰值響應(yīng)波長。這對于通信、傳感和精密測量等應(yīng)用至關(guān)重要，確保系統(tǒng)能夠工作在預(yù)期的波長窗口，提高信噪比和傳輸效率。
9、數(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化還可以幫助減少不必要的寬帶干擾，提升信號純度和系統(tǒng)分辨能力。例如，在光通信系統(tǒng)中，窄的半高寬意味著更高的頻率利用率和更小的串擾；在光譜分析中，則有助于區(qū)分相鄰的吸收或發(fā)射峰。優(yōu)化峰值半高寬實際上是在優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)速度和平穩(wěn)性，使得系統(tǒng)能在目標值附近快速穩(wěn)定且波動幅度較小。
10、作為優(yōu)選，所述步驟s1進一步表示為：
11、確定多光譜成像系統(tǒng)的通道數(shù)量m；根據(jù)通道數(shù)量，確定優(yōu)化的變量數(shù)量；確定每個通道的峰值響應(yīng)波長psw和峰值半高寬fwhm的變動范圍。優(yōu)化變量的數(shù)量為多光譜成像系統(tǒng)通道數(shù)量的兩倍。在本專利技術(shù)中，由于多光譜成像中，每個通道不僅需要確定其對應(yīng)的中心波長或波段寬度，還可能涉及諸如增益、偏移、非線性響應(yīng)以及暗電流等多種校準參數(shù)，每種參數(shù)都是一個獨立的優(yōu)化變量，因此單個通道就需要多個變量來進行精確描述和校準。所以當系統(tǒng)包含多個通道時，不同通道間可能存在空間位置偏移或幾何失真，為了將所有通道的數(shù)據(jù)無縫拼接在一起，可能需要針對每個通道分別優(yōu)化空間變換參數(shù)(如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放)，從而形成2m個變量。通過將將優(yōu)化變量的數(shù)量設(shè)置為多光譜成像系統(tǒng)通道數(shù)量的兩倍，以便提高成像質(zhì)量和分析結(jié)果的準確性。
12、作為優(yōu)選，所述步驟s2進一步表示為：
13、確定光源的光譜功率分布為n為波長的采樣數(shù)量；根據(jù)多光譜成像系統(tǒng)通道數(shù)量m，得到光譜靈敏度為對象樣本的光譜反射比為q為對象樣本數(shù)量；結(jié)合光譜重構(gòu)流程，計算對象樣本的多通道響應(yīng)值和光譜反射比基于對象樣本的多通道響應(yīng)值p和光譜反射比r，再次重構(gòu)對象樣本的光譜反射比計算重構(gòu)后的對象樣本光譜反射比r’和未重構(gòu)前的原光譜反射比r的光譜差ds。
14、在本專利技術(shù)中，結(jié)合多光譜成像和光譜重構(gòu)流程，計算對象樣本的多通道響應(yīng)值和光譜反射比具有多種重要作用。通過上述方式，多光譜成像系統(tǒng)能夠捕獲同一場景在不同波段下的圖像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了物體對特定波長光線的吸收、反射或透射特性。計算出的光譜反射率是物體在各個波段的真實物理屬性，它有助于區(qū)分不同材料，因為每種材料都有其獨特的光譜特征“指紋”。通過多光譜成像獲取的多通道響應(yīng)值經(jīng)過光譜重構(gòu)轉(zhuǎn)化為光譜反射率后，為各行業(yè)提供了豐富的物理和化學(xué)信息，使得研究人員能夠在無需直接接觸樣品的情況下實現(xiàn)快速、非破壞性、高精度的檢測與分析。
15、作為優(yōu)選，采用進化算法的方式，優(yōu)化m個通道每個通道的峰值響應(yīng)波長psw和峰值半高寬fwhm。在本專利技術(shù)中，采用進化算法優(yōu)化的方式，在多通道光譜儀或濾波器陣列的設(shè)計中，通過調(diào)整各個通道的psw和fwhm，可以更精確地匹配目標光譜特征，提高系統(tǒng)的分辨率和靈敏度。通過進化算法找到最優(yōu)的通道參數(shù)組合，可以在有限的空間內(nèi)整合更多的功能，促進設(shè)備的小型化和多功能化。進化算法作為一種高效的全局優(yōu)化方法，能夠在搜索空間中自動探索潛在的最佳解決方案，從而幫助設(shè)計者在滿足性能指標的同時，簡化設(shè)計過程并降低成本。在上述應(yīng)用場景中，優(yōu)化psw和fwhm能夠提升整個系統(tǒng)的性能，使之更加適應(yīng)各種復(fù)雜的實際應(yīng)用需求。
16、作為優(yōu)選，所述步驟s3進一步表示為：
17、根據(jù)優(yōu)化變量的總數(shù)，進行個體編碼與初始化；將光譜差ds作為遺傳算法中的適合度函數(shù)，進行種群選擇與交叉；從種群中隨機選擇個體進行變異。
18、在本專利技術(shù)中，以最小化光譜差ds作為優(yōu)化目標，按進化算法優(yōu)化m個通道每個通道的psw和fwhm。進化算法的優(yōu)化方式根據(jù)優(yōu)化變量的總數(shù)，進行個體編碼與初始化。優(yōu)化變量的總數(shù)為2m，則每一個個體編碼為含有2m個基因的染色體g，即染色體的長度為2m。前m個基因表示m個通道的psw，后m個基因表示對應(yīng)m個通道的fwhm。基因值的初始化方法如下，
19、gi?＝?pl+rand()*(pu-?pl)?1≤i≤m?(5)
20、gi?＝?fl+rand()*(fu?-?fl)?m+1≤i≤2m?(6)
21、其中，gi表示第i個基因的基因值，rand()表示產(chǎn)生0～1隨機數(shù)的函數(shù)。
22、作為優(yōu)選，采用輪盤賭選擇法從種群中選擇要進行交叉的父體。在本專利技術(shù)中，輪盤賭選擇法(roulette?wheel?selection)是遺傳算法中常用的一種選擇算子，它模擬了賭場中的輪盤賭游戲來從種群中隨機選擇個體。在解決優(yōu)化問本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟S1進一步表示為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，優(yōu)化變量的數(shù)量為多光譜成像系統(tǒng)通道數(shù)量的兩倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟S2進一步表示為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟S2進一步表示中還包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟S3中，采用進化算法的方式，優(yōu)化m個通道每個通道的峰值響應(yīng)波長PSW和峰值半高寬FWHM。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟S3進一步表示為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟S3中，采用輪盤賭選擇法從種
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，種群中隨機個體進行變異方式為：
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，每個通道的峰值響應(yīng)波長PSW的變動范圍為pLnm～pUnm，峰值半高寬FWHM的變動范圍為fLnm～fUnm。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟s1進一步表示為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，優(yōu)化變量的數(shù)量為多光譜成像系統(tǒng)通道數(shù)量的兩倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟s2進一步表示為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟s2進一步表示中還包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化多光譜成像系統(tǒng)光譜靈敏度的方法，其特征在于，所述步驟s3中，采...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐鵬，丁銀萍，周茜，趙微，張志偉，朱艾佳，
申請(專利權(quán))人：浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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