本發(fā)明屬于光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置與測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

光譜成像技術(shù)是一種將成像技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)合為一體的技術(shù)，能夠同時(shí)獲取目標(biāo)場(chǎng)景的圖像信息和光譜信息，在研究地物空間結(jié)構(gòu)的同時(shí)，能夠獲取其物理特性，便于地物的探測(cè)、識(shí)別。在高光譜成像中，不僅需要獲得目標(biāo)場(chǎng)景高分辨率的二維空間信息，同時(shí)也要獲得高分辨率的光譜信息，因此高光譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大，為存儲(chǔ)、傳輸及數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了很大的壓力。如何對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的壓縮，降低數(shù)據(jù)維數(shù)成為高光譜數(shù)據(jù)處理的重要研究?jī)?nèi)容。

壓縮感知理論的提出，為快速獲取高光譜數(shù)據(jù)提供了理論基礎(chǔ)。使得成像系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可以明顯減少數(shù)據(jù)量，并利用自然圖像的稀疏性進(jìn)行重構(gòu)。其基本原理如下：如果長(zhǎng)度為N的信號(hào)x在某個(gè)變換基Ψ下是稀疏的(即系數(shù)中只有少量的非零元素)，若把其投影到另一個(gè)與變換基Ψ不相關(guān)的觀測(cè)矩陣Φ上，得到觀測(cè)信號(hào)y:M×1，通過(guò)求解優(yōu)化問(wèn)題：

在M＜＜N的情況下，信號(hào)x可由觀測(cè)信號(hào)y高概率重構(gòu)。該問(wèn)題的求解方法主要有基追蹤法、梯度投影法和迭代閾值收縮法等。正交匹配追蹤算法是一種典型的基追蹤法，其基本思路是從過(guò)完備原子庫(kù)中，選擇一個(gè)與信號(hào)最匹配的原子構(gòu)建一個(gè)稀疏逼近，并求出信號(hào)殘差，然后繼續(xù)選擇與信號(hào)殘差最匹配的原子，反復(fù)迭代，信號(hào)可以由這些原子來(lái)線性和，再加上最后的殘差值來(lái)表示。

在現(xiàn)有的高光譜成像及數(shù)據(jù)處理中，高光譜圖像的降維通常是在獲取到數(shù)據(jù)之后進(jìn)行的，即在已經(jīng)采集到的大量數(shù)據(jù)中挑選出能夠用于后續(xù)處理的有效數(shù)據(jù)，拋棄掉大量冗余數(shù)據(jù)，這樣必然會(huì)造成探測(cè)器性能和數(shù)據(jù)采集時(shí)間的浪費(fèi)。

傳統(tǒng)的光譜成像系統(tǒng)以棱鏡或光柵作為分光元件，想要獲得全部場(chǎng)景的光譜信息需要通過(guò)掃描，而且通常使用線陣探測(cè)器再進(jìn)行拼接才能得到，成像系統(tǒng)由于配備了光機(jī)掃描的運(yùn)動(dòng)部件，其穩(wěn)定性難以保證，且體積大，不便于攜帶。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x基于三維編碼，對(duì)物體的三維光譜數(shù)據(jù)，包括二維空間信息及一維光譜信息在隨機(jī)編碼信息下進(jìn)行投影測(cè)量，在數(shù)據(jù)采集階段即可對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，得到選定中心波長(zhǎng)的壓縮高光譜數(shù)據(jù)。

一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置，包括前置透鏡2、波段選擇與分光模塊3、空間編碼模塊4、準(zhǔn)直透鏡5、面陣探測(cè)器6、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7、計(jì)算重構(gòu)模塊8；

所述前置透鏡2將目標(biāo)場(chǎng)景1的光線會(huì)聚；

所述波段選擇與分光模塊3接收前置透鏡2的透射光，并使透射光中的選定的一系列中心波長(zhǎng)的光通過(guò)，完成光譜維的編碼；

由于在目標(biāo)場(chǎng)景1中相鄰波段間有著較高的相關(guān)性和冗余性，并非所有中心波長(zhǎng)的光都對(duì)圖像的處理都有同樣重要的作用，所以需要通過(guò)某種波段選擇算法，從目標(biāo)場(chǎng)景1中選取出所需的最優(yōu)中心波長(zhǎng)去完成目標(biāo)場(chǎng)景1高光譜圖像空間的重構(gòu)。最優(yōu)中心波長(zhǎng)的選取不僅減少了目標(biāo)場(chǎng)景1中的數(shù)據(jù)維數(shù)，而且保留了感興趣的場(chǎng)景目標(biāo)信息。

因此所述選定的一系列中心波長(zhǎng)的光滿足如下條件：

1)包含目標(biāo)場(chǎng)景1信息量最大；

2)使目標(biāo)場(chǎng)景1的可區(qū)分性最好；

3)彼此間相關(guān)性最弱；

4)使目標(biāo)場(chǎng)景1的光譜特征差異性最大；

所述空間編碼模塊4接收通過(guò)波段選擇與分光模塊3的出射光；在空間編碼模塊4通過(guò)0/1調(diào)制模板對(duì)入射光實(shí)現(xiàn)二維空間信息的調(diào)制，其中，0/1調(diào)制模板是互不相關(guān)的二維隨機(jī)矩陣，且隨著每次調(diào)制的入射光中心波長(zhǎng)不同，二維隨機(jī)矩陣也不同；且每一個(gè)矩陣元的取值為0或1，服從高斯隨機(jī)分布；同時(shí)，當(dāng)矩陣元為0時(shí)，該矩陣元處的入射光不能透射；當(dāng)矩陣元為1時(shí)，該矩陣元處的入射光能透射；

所述準(zhǔn)直透鏡5將調(diào)制后的包含二維空間信息的光線進(jìn)行縮束和準(zhǔn)直，得到平行光束；

所述面陣探測(cè)器6接收準(zhǔn)直透鏡5輸出的包含二維空間信息的平行光束，并將二維空間信息轉(zhuǎn)換為調(diào)制圖像；

所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7將面陣探測(cè)器6的輸出的調(diào)制圖像進(jìn)行采集存儲(chǔ)；

所述計(jì)算重構(gòu)模塊8接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7存儲(chǔ)的調(diào)制圖像，并通過(guò)調(diào)制圖像計(jì)算得到目標(biāo)場(chǎng)景1中選定中心波長(zhǎng)的光的圖像信息和光譜信息，完成選定中心波長(zhǎng)的高光譜計(jì)算成像。

所述波段選擇與分光模塊3包括液晶可調(diào)濾光器31和液晶可調(diào)濾光器控制器32，其中液晶可調(diào)濾光器控制器32通過(guò)改變加載在液晶可調(diào)濾光器31上的控制電壓來(lái)改變通過(guò)波段選擇與分光模塊3的入射光的中心波長(zhǎng)。

所述空間編碼模塊4采用透射式編碼模塊，其中透射式編碼模塊包括透射式液晶空間光調(diào)制器41和空間光調(diào)制器控制器42；其中空間光調(diào)制器控制器42控制透射式液晶空間光調(diào)制器41上加載的二維隨機(jī)矩陣，對(duì)入射光進(jìn)行二維空間信息的調(diào)制。

所述空間編碼模塊4采用反射式編碼模塊，其中反射式編碼模塊包括反射式空間光調(diào)制器43和空間光調(diào)制器控制器42；其中空間光調(diào)制器控制器42控制反射式空間光調(diào)制器43上加載的二維隨機(jī)矩陣，對(duì)入射光進(jìn)行二維空間信息的調(diào)制。

反射式空間光調(diào)制器43為反射式硅上液晶器件LCOS或者反射式數(shù)字微鏡器件DMD。

一種基于三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟1：目標(biāo)場(chǎng)景1的空間光密度為f₀(x,y,λ)，其中x,y表示目標(biāo)場(chǎng)景1在二維空間中的坐標(biāo)，λ表示目標(biāo)場(chǎng)景1光譜維的波長(zhǎng)；目標(biāo)場(chǎng)景f₀(x,y,λ)通過(guò)前置透鏡2入射到波段選擇與分光模塊3，波段選擇與分光模塊3上加載控制電壓使得通過(guò)該模塊的入射光為特定中心波長(zhǎng)的準(zhǔn)單色光，且該特定中心波長(zhǎng)處的透過(guò)率函數(shù)為T(mén)₁(λ)；經(jīng)過(guò)波段選擇與分光模塊3后，入射光光強(qiáng)分布f₁(x,y,λ)為：

f₁(x,y,λ)＝T₁(λ)f₀(x,y,λ)；

步驟2：空間編碼模塊4上加載的0/1調(diào)制模板對(duì)通過(guò)波段選擇與分光模塊3的入射光的光強(qiáng)分布進(jìn)行調(diào)制，得到二維空間信息；其中，空間編碼模塊4的透過(guò)率函數(shù)為T(mén)₂(x,y)，經(jīng)過(guò)空間編碼模塊4后，入射光強(qiáng)度f(wàn)₂(x,y,λ)為：

f₂(x,y,λ)＝∫∫f₁(x',y',λ)T₂(x',y')×h(x-x',y-y')dx'dy'

其中h(x-x',y-y')表示成像測(cè)量裝置的脈沖響應(yīng)函數(shù)；

步驟3：準(zhǔn)直透鏡5將調(diào)制后的包含二維空間信息的入射光進(jìn)行縮束、準(zhǔn)直，得到平行光束；

步驟4：面陣探測(cè)器6接收接收準(zhǔn)直透鏡5輸出的包含二維空間信息的平行光束，并將其轉(zhuǎn)換為調(diào)制圖像；其中，面陣探測(cè)器6上的光強(qiáng)分布g(x,y)為：

g(x,y)＝∫∫∫T(x',y',λ)f₀(x',y',λ)×h(x-x',y-y')dx'dy'dλ

其中，T(x,y,λ)＝T₁(λ)T₂(x,y)；

步驟5：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7采集并存儲(chǔ)面陣探測(cè)器6的調(diào)制圖像；

步驟6：改變加載在波段選擇與分光模塊3上的控制電壓，將進(jìn)入空間編碼模塊4的入射光的中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)至選定的下一個(gè)中心波長(zhǎng)，重復(fù)步驟1到步驟5，直至完成全部選定中心波長(zhǎng)的光的采集；

步驟7：計(jì)算重構(gòu)模塊8利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7的調(diào)制圖像，并通過(guò)調(diào)制圖像計(jì)算得到目標(biāo)場(chǎng)景1中選定中心波長(zhǎng)的光的圖像信息和光譜信息，完成選定中心波長(zhǎng)的高光譜計(jì)算成像。

有益效果：

1、本發(fā)明提出了一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置基于三維編碼，對(duì)物體的三維光譜數(shù)據(jù)，包括二維空間信息及一維光譜信息在隨機(jī)編碼信息下進(jìn)行投影測(cè)量，在數(shù)據(jù)采集階段即可對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，得到選定中心波長(zhǎng)的壓縮高光譜數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的高光譜成像系統(tǒng)相比，本發(fā)明不僅在空間上實(shí)現(xiàn)了壓縮采樣，同時(shí)在數(shù)據(jù)采集階段進(jìn)行光譜選擇，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降維，避免了數(shù)據(jù)冗余，減少了數(shù)據(jù)量，提高了信息利用率，便于后端傳輸、存儲(chǔ)。

2、該測(cè)量裝置的波段選擇與分光模塊，利用液晶可調(diào)濾光器在數(shù)據(jù)采集階段即可進(jìn)行波段選擇，實(shí)現(xiàn)了高光譜圖像的降維，避免了數(shù)據(jù)采集時(shí)間的浪費(fèi)。

3、該測(cè)量裝置的空間編碼模塊對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行空間維的編碼，在空間上實(shí)現(xiàn)了壓縮采樣，大大減少了數(shù)據(jù)量，提高了面陣探測(cè)器的利用率。

4、該測(cè)量裝置采用液晶可調(diào)濾光器對(duì)透過(guò)光波段進(jìn)行精確選取，從而得到入射光輻射某一中心波長(zhǎng)的準(zhǔn)單色光能量，通過(guò)改變加載電壓，可快速實(shí)現(xiàn)透過(guò)中心波長(zhǎng)的連續(xù)可調(diào)諧。與傳統(tǒng)的棱鏡、光柵作為分光元件相比，具有體積小、重量輕、便攜帶、無(wú)色散等優(yōu)勢(shì)。

5、該測(cè)量裝置采用液晶可調(diào)濾光器和面陣探測(cè)器相結(jié)合的方式獲取數(shù)據(jù)，一次采集得到目標(biāo)場(chǎng)景的整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)的信息，無(wú)需進(jìn)行掃描拼接即可得到的圖像，因此成像裝置中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，提高了成像裝置的穩(wěn)定性和可靠性，減小了體積。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置具體實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置具體實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)框圖。

1-目標(biāo)場(chǎng)景，2-前置透鏡，3-波段選擇與分光模塊，31-液晶可調(diào)濾光器，32-液晶可調(diào)濾光器控制器，4-空間編碼模塊，41-透射式空間光調(diào)制器，42-空間光調(diào)制器控制器，43-反射式空間光調(diào)制器，5-準(zhǔn)直透鏡，6-面陣探測(cè)器，7-數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，8-計(jì)算重構(gòu)模塊。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置具體實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)框圖。一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置，包括前置透鏡2、波段選擇與分光模塊3、空間編碼模塊4、準(zhǔn)直透鏡5、面陣探測(cè)器6、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7、計(jì)算重構(gòu)模塊8；

所述前置透鏡2將目標(biāo)場(chǎng)景1的光線會(huì)聚；

所述波段選擇與分光模塊3接收前置透鏡2的透射光，并使透射光中的選定的一系列中心波長(zhǎng)的光通過(guò)，完成光譜維的編碼；

由于在目標(biāo)場(chǎng)景1中相鄰波段間有著較高的相關(guān)性和冗余性，并非所有中心波長(zhǎng)的光都對(duì)圖像的處理都有同樣重要的作用，所以需要通過(guò)某種波段選擇算法，從目標(biāo)場(chǎng)景1中選取出所需的最優(yōu)中心波長(zhǎng)去完成目標(biāo)場(chǎng)景1高光譜圖像空間的重構(gòu)。最優(yōu)中心波長(zhǎng)的選取不僅減少了目標(biāo)場(chǎng)景1中的數(shù)據(jù)維數(shù)，而且保留了感興趣的場(chǎng)景目標(biāo)信息。

因此所述選定的一系列中心波長(zhǎng)的光滿足如下條件：

1)包含目標(biāo)場(chǎng)景1信息量最大；

2)使目標(biāo)場(chǎng)景1的可區(qū)分性最好；

3)彼此間相關(guān)性最弱；

4)使目標(biāo)場(chǎng)景1的光譜特征差異性最大；

所述空間編碼模塊4接收通過(guò)波段選擇與分光模塊3的出射光；在空間編碼模塊4通過(guò)0/1調(diào)制模板對(duì)入射光實(shí)現(xiàn)二維空間信息的調(diào)制，其中，0/1調(diào)制模板是互不相關(guān)的二維隨機(jī)矩陣，且隨著每次調(diào)制的入射光中心波長(zhǎng)不同，二維隨機(jī)矩陣也不同；且每一個(gè)矩陣元的取值為0或1，服從高斯隨機(jī)分布；同時(shí)，當(dāng)矩陣元為0時(shí)，該矩陣元處的入射光不能透射；當(dāng)矩陣元為1時(shí)，該矩陣元處的入射光能透射；

所述準(zhǔn)直透鏡5將調(diào)制后的包含二維空間信息的光線進(jìn)行縮束和準(zhǔn)直，得到平行光束；

所述面陣探測(cè)器6接收準(zhǔn)直透鏡5輸出的包含二維空間信息的平行光束，并將二維空間信息轉(zhuǎn)換為調(diào)制圖像；

所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7將面陣探測(cè)器6的輸出的調(diào)制圖像進(jìn)行采集存儲(chǔ)；

所述計(jì)算重構(gòu)模塊8接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7存儲(chǔ)的調(diào)制圖像，并通過(guò)調(diào)制圖像計(jì)算得到目標(biāo)場(chǎng)景1中選定中心波長(zhǎng)的光的圖像信息和光譜信息，完成選定中心波長(zhǎng)的高光譜計(jì)算成像。

所述波段選擇與分光模塊3包括液晶可調(diào)濾光器31和液晶可調(diào)濾光器控制器32，其中液晶可調(diào)濾光器控制器32通過(guò)改變加載在液晶可調(diào)濾光器31上的控制電壓來(lái)改變通過(guò)波段選擇與分光模塊3的入射光的中心波長(zhǎng)。

所述空間編碼模塊4采用透射式編碼模塊，其中透射式編碼模塊包括透射式液晶空間光調(diào)制器41和空間光調(diào)制器控制器42；其中空間光調(diào)制器控制器42控制透射式液晶空間光調(diào)制器41上加載的二維隨機(jī)矩陣，對(duì)入射光進(jìn)行二維空間信息的調(diào)制。

所述空間編碼模塊4采用反射式編碼模塊，其中反射式編碼模塊包括反射式空間光調(diào)制器43和空間光調(diào)制器控制器42；其中空間光調(diào)制器控制器42控制反射式空間光調(diào)制器43上加載的二維隨機(jī)矩陣，對(duì)入射光進(jìn)行二維空間信息的調(diào)制。

反射式空間光調(diào)制器43為反射式硅上液晶器件LCOS或者反射式數(shù)字微鏡器件DMD。

一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置的具體測(cè)試方法如下：

步驟1：目標(biāo)場(chǎng)景1的空間光密度為f₀(x,y,λ)，其中x,y表示目標(biāo)場(chǎng)景1在二維空間中的坐標(biāo)，λ表示目標(biāo)場(chǎng)景1光譜維的波長(zhǎng)；目標(biāo)場(chǎng)景f₀(x,y,λ)通過(guò)前置透鏡2進(jìn)入波段選擇與分光模塊3，波段選擇與分光模塊3上加載控制電壓使得透過(guò)該模塊的光為特定中心波長(zhǎng)的準(zhǔn)單色光；液晶可調(diào)濾光器31在該特定中心波長(zhǎng)處的透過(guò)率為T(mén)₁(λ)，經(jīng)過(guò)波段選擇與分光模塊3后，光強(qiáng)分布f₁(x,y,λ)為：

f₁(x,y,λ)＝T₁(λ)f₀(x,y,λ)；

步驟2：空間編碼模塊4上加載的二維隨機(jī)編碼信息對(duì)經(jīng)過(guò)液晶可調(diào)濾光器31的準(zhǔn)單色光目標(biāo)場(chǎng)景1的光強(qiáng)分布圖像進(jìn)行調(diào)制；空間編碼模塊4的透過(guò)率函數(shù)為T(mén)₂(x,y)，經(jīng)過(guò)空間編碼模塊4后，光譜強(qiáng)度f(wàn)₂(x,y,λ)為：

f₂(x,y,λ)＝∫∫f₁(x',y',λ)T₂(x',y')×h(x-x',y-y')dx'dy'

其中h(x-x',y-y')表示整個(gè)成像測(cè)量裝置的脈沖響應(yīng)函數(shù)；

步驟3：準(zhǔn)直透鏡5將調(diào)制后的包含二維空間信息的入射光進(jìn)行縮束和準(zhǔn)直，得到平行光束；

步驟4：面陣探測(cè)器6接收接收準(zhǔn)直透鏡5輸出的包含二維空間信息的平行光束，并將其轉(zhuǎn)換為調(diào)制圖像；其中，面陣探測(cè)器6上的光強(qiáng)分布g(x,y)為：

g(x,y)＝∫∫∫T(x',y',λ)f₀(x',y',λ)×h(x-x',y-y')dx'dy'dλ

其中，T(x,y,λ)＝T₁(λ)T₂(x,y)；

步驟5：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7采集并存儲(chǔ)面陣探測(cè)器6壓縮的調(diào)制圖像；

步驟6：改變加載在波段選擇與分光模塊3上的控制電壓，將進(jìn)入空間編碼模塊4的透過(guò)光的中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)至選定的下一個(gè)中心波長(zhǎng)，重復(fù)步驟1到步驟5，直至完成全部選定中心波長(zhǎng)的光的采集；

步驟7：計(jì)算重構(gòu)模塊8利用光譜維與空間維的編碼信息以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊7的調(diào)制圖像，通過(guò)正交匹配追蹤算法進(jìn)行重構(gòu)，計(jì)算得到目標(biāo)場(chǎng)景1中選定的中心波長(zhǎng)的高光譜數(shù)據(jù)。

圖2為本發(fā)明一種三維編碼的液晶高光譜計(jì)算成像測(cè)量裝置具體實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)應(yīng)的成像過(guò)程與圖1類似。差別在于，在圖2中，透射式空間光調(diào)制器41為反射式空間光調(diào)制器43，得到具體實(shí)施例2，系統(tǒng)光路在空間光調(diào)制器之后發(fā)生了反射，改變了光路方向。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。