【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)屬于光譜成像，具體涉及一種基于確定性濾光結(jié)構(gòu)的光譜編碼成像系統(tǒng)及重構(gòu)方法。
技術(shù)介紹
1、基于確定性濾光的光譜成像系統(tǒng)通過(guò)在圖像傳感器表面集成濾光結(jié)構(gòu)，可以對(duì)待測(cè)目標(biāo)的光譜信號(hào)進(jìn)行編碼，形成含有光譜信息的二維壓縮圖像，隨后通過(guò)解碼重構(gòu)出高光譜圖像。
2、傳統(tǒng)推掃光譜成像系統(tǒng)，時(shí)間分辨率低，不適應(yīng)適時(shí)性的場(chǎng)景；基于fp腔線(xiàn)陣列掃描克服傳統(tǒng)推薦的體積大等缺點(diǎn)，但是時(shí)間分辨率差；基于像素級(jí)陣列濾光陣列集成陣列探測(cè)器實(shí)現(xiàn)的快照光譜成像是未來(lái)的趨勢(shì)，單因?yàn)殛嚵袨V光普遍采用薄膜fp腔結(jié)構(gòu)，通道編碼的效率不超過(guò)5％，限制其應(yīng)用；近幾年發(fā)展的陣列超表面具備了單像素通道多光譜編碼的能力，然而器件制備工藝復(fù)雜、一致性、穩(wěn)定遭遇挑戰(zhàn)，且能量利用率。
3、因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需開(kāi)發(fā)一種制造簡(jiǎn)單且成本低、能量利用率高、空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率都高的光譜成像系統(tǒng)，對(duì)于未來(lái)光譜成像芯片在智慧農(nóng)業(yè)，軍事方面等應(yīng)用的發(fā)展來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于提供一種能夠?qū)Υ郎y(cè)目標(biāo)的光譜信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成含有光譜信息的二維壓縮圖像，進(jìn)行解碼之后重構(gòu)出高光譜圖像的光譜編碼成像系統(tǒng)及重構(gòu)方法。
2、為達(dá)到上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)的系統(tǒng)包括沿著光傳輸方向依次設(shè)置的待測(cè)目標(biāo)、用于將待測(cè)目標(biāo)發(fā)出的物光成像的成像透鏡、對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行編碼獲得編碼測(cè)量值的確定性濾光結(jié)構(gòu)和將編碼測(cè)量值信息轉(zhuǎn)換為灰度信號(hào)后通過(guò)光譜超分辨重構(gòu)模塊進(jìn)行解碼重構(gòu)，構(gòu)建出完整的高光譜三維數(shù)據(jù)
3、所述的確定性濾光結(jié)構(gòu)由若干個(gè)矩陣排列的編碼單元組成，各編碼單元對(duì)應(yīng)各自的圖像探測(cè)器，各編碼單元的透過(guò)率曲線(xiàn)通過(guò)以下方法獲取；
4、步驟1.1、將電動(dòng)單色儀輸出單色光的中心波長(zhǎng)調(diào)整至圖像探測(cè)器的最小工作波長(zhǎng)；
5、步驟1.2、單色光經(jīng)過(guò)積分球、平行光管以平行光的方式入射至確定性濾光結(jié)構(gòu)，經(jīng)編碼后的單色光在圖像探測(cè)器表面形成灰度電信號(hào)，獲得單色光的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度；
6、步驟1.3、以固定步長(zhǎng)d調(diào)節(jié)電動(dòng)單色儀輸出單色光的中心波長(zhǎng)，保持單色光入射強(qiáng)度的不變，重復(fù)步驟1.2，直至單色儀輸出單色光的中心波長(zhǎng)達(dá)到圖像探測(cè)器的最大工作波長(zhǎng)，獲得該編碼單元的圖像探測(cè)器對(duì)入射單色光的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度變化曲線(xiàn)；
7、步驟1.4、改變電動(dòng)單色儀的譜段光信號(hào)，重復(fù)步驟1.1至1.3，得到確定性濾光結(jié)構(gòu)3各編碼單元的透過(guò)率曲線(xiàn)。
8、所述確定性濾光結(jié)構(gòu)編碼單元的波長(zhǎng)編碼特性具備大于等于60％的高通量。
9、所述確定性濾光結(jié)構(gòu)的各編碼單元相鄰像素對(duì)應(yīng)的透過(guò)率曲線(xiàn)相關(guān)性介于0到0.5之間。
10、按照以上成像系統(tǒng)的光譜編碼成像重構(gòu)方法包括以下步驟：
11、步驟1、獲得確定性濾光結(jié)構(gòu)對(duì)不同譜段光信號(hào)的透過(guò)率曲線(xiàn)；
12、步驟2、劃分若干個(gè)編碼單元(n*n)，n介于2-100，根據(jù)步驟1獲得的透過(guò)率曲線(xiàn)，構(gòu)造測(cè)量矩陣φi(λ)；
13、步驟3、對(duì)確定性濾光結(jié)構(gòu)每個(gè)編碼單元中的n*n個(gè)不同通道接收到的待測(cè)目標(biāo)光譜信息空間(x,y)處的光譜信息s(λ,x,y)進(jìn)行編碼，圖像探測(cè)器將經(jīng)調(diào)制的待測(cè)目標(biāo)光譜信息s(λ,x,y)轉(zhuǎn)換為灰度信號(hào)yi(x,y)，具有如下關(guān)系：
14、
15、λmin、λmax分別為光譜量程的下、上限，φi(λ)為第i個(gè)確定性濾光結(jié)構(gòu)的光譜透過(guò)率曲線(xiàn)，i＝1,2,...,m，d(λ)為所述圖像探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)，這m個(gè)光強(qiáng)值就構(gòu)成了原始光譜信號(hào)s(λ,x,y)的一組編碼；
16、步驟4、根據(jù)所述待測(cè)目標(biāo)光譜信息，對(duì)s(λ)進(jìn)行稀疏表示，利用基于壓縮感知的貪婪算法，得到最優(yōu)化方程：
17、
18、其中，φi(λ)為編碼單元的光譜透過(guò)率組成的測(cè)量矩陣，n行，n列；
19、d(λ)為所述圖像探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)離散化為n*1為后的矩陣；
20、ψ為稀疏基矩陣，α為稀疏系數(shù)，yi為圖像探測(cè)器接收到所述其中一個(gè)編碼單元電信號(hào)強(qiáng)度矩陣yi＝(y1，y2,…,yn)；
21、步驟5、根據(jù)算法求解稀疏系數(shù)，超分辨重構(gòu)出一個(gè)編碼單元的待測(cè)目標(biāo)光譜s(λ,x,y)；
22、步驟6、重復(fù)步驟2-步驟5，對(duì)所有劃分的編碼單元依次求解待測(cè)目標(biāo)光譜s(λ,x,y)，從而構(gòu)建出完整的高光譜三維數(shù)據(jù)立方體，完成光譜的超分辨重構(gòu)。
23、所述步驟2具體為：
24、步驟2.1、確定性濾光結(jié)構(gòu)的每個(gè)編碼單元周期性排列；
25、步驟2.2、根據(jù)步驟1獲得的確定性濾光結(jié)構(gòu)對(duì)不同譜段光信號(hào)的透過(guò)率曲線(xiàn)，將編碼單元的各個(gè)通道的曲線(xiàn)數(shù)值依次作為測(cè)量矩陣每一行構(gòu)造測(cè)量矩陣；
26、步驟2.3、重復(fù)步驟2.2依次獲得所有確定性濾光結(jié)構(gòu)各編碼單元所對(duì)應(yīng)的測(cè)量矩陣。
27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專(zhuān)利技術(shù)具有的有益技術(shù)效果如下：
28、第一，該系統(tǒng)采用在圖像探測(cè)器表面集成確定性濾光結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)編碼單元，每個(gè)濾光單元具有不同的光譜透過(guò)率曲線(xiàn)，空間結(jié)構(gòu)上是二維連續(xù)變化的。光譜特性上在像素特征尺寸上具備高光譜透過(guò)率的對(duì)比度。
29、第二，相比于傳統(tǒng)需要根據(jù)曲線(xiàn)設(shè)計(jì)確定性濾光結(jié)構(gòu)的方式，本專(zhuān)利技術(shù)采用電動(dòng)單色儀，積分球，平行光管，圖像探測(cè)器獲取確定性濾光結(jié)構(gòu)的像元級(jí)光譜透光率曲線(xiàn)，直接測(cè)量實(shí)際的光譜透光率曲線(xiàn)，結(jié)果更加準(zhǔn)確，作為算法重構(gòu)中的測(cè)量矩陣。事后通過(guò)精確測(cè)量每個(gè)像元的光譜特性，無(wú)需為不同應(yīng)用設(shè)計(jì)專(zhuān)用濾光片，避免了像素級(jí)別的精確對(duì)準(zhǔn)的難題。
30、第三，分辨率可精確調(diào)整特性，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，該系統(tǒng)可以根據(jù)需求自主選擇濾光單元的大小實(shí)現(xiàn)不同倍率的光譜超分辨，編碼靈活度高。分辨率可精確調(diào)整特性，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。
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1.一種光譜編碼成像系統(tǒng)，其特征在于：包括沿著光傳輸方向依次設(shè)置的待測(cè)目標(biāo)(1)、用于將待測(cè)目標(biāo)(1)發(fā)出的物光成像的成像透鏡(2)、對(duì)待測(cè)目標(biāo)(1)進(jìn)行編碼獲得編碼測(cè)量值的確定性濾光結(jié)構(gòu)(3)和將編碼測(cè)量值信息轉(zhuǎn)換為灰度信號(hào)后通過(guò)光譜超分辨重構(gòu)模塊進(jìn)行解碼重構(gòu)，構(gòu)建出完整的高光譜三維數(shù)據(jù)立方體的圖像探測(cè)器(4)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜編碼成像系統(tǒng)，其特征在于：所述確定性濾光結(jié)構(gòu)(3)編碼單元的波長(zhǎng)編碼特性具備大于等于60％的高通量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜編碼成像系統(tǒng)，其特征在于：所述確定性濾光結(jié)構(gòu)3的各編碼單元相鄰像素對(duì)應(yīng)的透過(guò)率曲線(xiàn)相關(guān)性介于0到0.5之間。
4.一種如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)成像系統(tǒng)的光譜編碼成像重構(gòu)方法，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光譜編碼成像重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟2具體為：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種光譜編碼成像系統(tǒng)，其特征在于：包括沿著光傳輸方向依次設(shè)置的待測(cè)目標(biāo)(1)、用于將待測(cè)目標(biāo)(1)發(fā)出的物光成像的成像透鏡(2)、對(duì)待測(cè)目標(biāo)(1)進(jìn)行編碼獲得編碼測(cè)量值的確定性濾光結(jié)構(gòu)(3)和將編碼測(cè)量值信息轉(zhuǎn)換為灰度信號(hào)后通過(guò)光譜超分辨重構(gòu)模塊進(jìn)行解碼重構(gòu)，構(gòu)建出完整的高光譜三維數(shù)據(jù)立方體的圖像探測(cè)器(4)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜編碼成像系統(tǒng)，其特征在于：所述確定性濾...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁海鋒，姚昊杰，陳萍，屠奔，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：西安工業(yè)大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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