《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》是中國科學院上海光學精密機械研究所於2014年7月22日申請的專利，該專利的申請號為201410348475X，公布號為CN104121990A，授權公布日為2014年10月29日，發明人是韓申生、劉震濤、吳建榮、李恩榮、譚詩語、陳喆。
一種基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，該系統包括前置成像部分、分光部分及兩個以上的支路和計算機，各支路由相應的出瞳轉換部分及壓縮光譜成像部分。該系統基於壓縮感知理論，利用譜之間的關聯性，提高光譜維的壓縮率，實現對寬波段光譜圖像數據進行三維壓縮採集，大大降低了數據採集量。該成像系統可以單次曝光測量寬波段上的光譜圖像信息，且可以通過設計各分光路上的隨機光柵獲得高空間解析度和高光譜解析度。
2018年12月20日，《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統
- 公布號：CN104121990A
- 授權日：2014年10月29日
- 申請號：201410348475X
- 申請日：2014年7月22日
- 申請人：中國科學院上海光學精密機械研究所
- 地址：上海市嘉定區800－211郵政信箱
- 發明人：韓申生、劉震濤、吳建榮、李恩榮、譚詩語、陳喆
- Int.Cl.：G01J3/28(2006.01)I
- 代理機構：上海新天專利代理有限公司
- 代理人：張澤純
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
寬波段高光譜成像是同時獲取物體的兩維空間圖像信息和一維光譜信息的過程，是採集三維圖像數據的過程，其數據形式如圖1所示。截至2014年7月，由於探測器是兩維的，所以在傳統寬波段高光譜成像系統中，都需要時間掃描來獲得三維光譜圖像數據。由於寬波段高光譜成像包括對從紫外光到中遠紅外光波段進行光譜成像，波段數多，數據量大，在獲得高空間解析度及高光譜解析度的基礎上，如何降低探測單元數目以及降低掃描時間是光譜成像技術領域亟需解決的問題。
壓縮感知理論是一種全新的信號採集、編解碼理論。它在信號採集階段對數據進行壓縮，降低了數據採集量，為寬波段高光譜成像技術中要求降低探測數據量的問題提供了一個良好的解決途徑。其基本原理如下：假設待測信號X的長度為N，存在某組正交基Ψ＝[Ψ1Ψ2…ΨN]，使得X在該組正交基下展開，即X＝ΨX′，滿足X′只含有少數幾個非零元素，或者X′中大部分元素值相對於其他元素值很小。也就是說，信號X在此正交基Ψ下是稀疏或可壓縮的。在此條件下，採用與Ψ不相關的測量矩陣Φ對X進行投影測量，得到長度為M的矢量Y，即Y＝ΦΨX′。通過求解非線性最佳化問題：
可以在M<<N的條件下，以很大機率重構出X。其中M是所需採集的數據點數，N是恢復出的數據點數。可以看出，採用該理論可以大大降低數據採集量。與傳統信號採集過程不同，基於該理論的信號採集過程包括兩個步驟。第一個步驟是用與信號的稀疏表達基不相關的測量基，對信號作投影測量；第二個步驟是通過非線性最佳化算法，重構信號。根據壓縮感知理論，可以對信號進行壓縮採集的條件是信號X在某一表達基Ψ下是稀疏的，且測量矩陣Φ與表達矩陣Ψ是不相關的。自然界中大部分物體的圖像信息在某一正交基（比如小波變換基）下展開是稀疏的，且鄰近譜段之間的圖像信息冗餘較高，因此可以實現三維光譜圖像信息的壓縮。此外，高斯隨機測量矩陣與任意正交基都不相關，是一個良好的測量矩陣。這為壓縮感知理論在寬波段高光譜成像中的套用奠定了理論基礎。
基於壓縮感知理論，美國Rice大學的Baraniuk小組實現了“壓縮感知單像素相機”成像。該相機只用一個單像素探測器進行多次測量，即可對物體進行二維成像。它通過利用DMD（digital micro device），使一部分空間位置處的光透過，其他位置處的光損失掉，對待測物體的空間圖像進行空間隨機振幅調製，來實現將包含物體的二維空間圖像信息的數據在互不相關的隨機測量基下進行投影測量，用單像素探測器記錄該投影測量結果，再通過非線性最佳化算法重構出圖像。把該單像素相機結合傳統的光譜分光系統，比如由光柵或稜鏡及線陣探測器構成的分光系統，就可實現光譜成像。受到DMD視窗材料透射譜段及尺寸的限制，該壓縮成像方案在中、遠紅外成像領域存在困難。此外，該成像系統基於振幅調製，其中約一半光能量損失掉，光能利用率低。
美國Duke大學的Brady小組將壓縮感知與光譜成像結合，實現了基於幅度掩膜板的準單次曝光壓縮光譜成像。它先將物體成像於第一成像面上，在該成像面上放置二元振幅掩模板對物體的像進行振幅調製，將調製後的像通過一個分光稜鏡後成像於第二成像面上，通過面陣探測器對第二成像面進行探測。在該成像光譜儀中，只在光譜維進行全局投影測量，並實現壓縮採集。在空間維並沒有使用全局投影測量，因此在空間維並沒有實現壓縮採集。另外，該系統要通過移動振幅掩模來實現較高的空間解析度，並且同樣基於振幅調製，光能利用率低。
中科院上海光機所的韓生申研究組提出了基於隨機波前相位調製器的壓縮光譜成像系統。該系統採用隨機波前相位調製器對光場進行隨機波前相位調製，它對包含物體二維空間圖像信息和一維光譜信息的數據全體在互不相關的隨機測量基下進行投影測量，實現壓縮採集三維空間圖像數據。然而，由於隨機波前相位調製器在不同譜段的調製效果不同，且光電探測器的回響光譜範圍及動態範圍有限，該系統無法實現高空間解析度及高光譜解析度的寬波段高光譜成像。而且，該系統沒有利用二維空間圖像信息在光譜維上的關聯性，因此沒有實現光譜維的數據壓縮。
發明內容
專利目的
《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》的目的在於提出一種基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，以實現單次曝光獲得高空間解析度和高光譜解析度的從紫外光到中遠紅外光的寬波段光譜圖像信息，提高探測速度和靈敏度，同時減少探測單元數。
技術方案
《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》的技術解決方案如下：
一種基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，其特點在於該系統的構成包括前置成像系統、分光系統、兩個以上的支路和計算機，所述的支路由出瞳轉換系統、隨機光柵和光電探測系統構成，沿入射光束依次是所述的前置成像系統和分光系統，所述的分光系統將寬波段光束分為2個以上的光譜段連續的分光譜段光束支路，在每一支路依次設定出瞳轉換系統、隨機光柵和光電探測系統，所有的光電探測系統與計算機相連，所述的每一支路的出瞳轉換系統位於物體通過前置成像系統在該支路的成像面上，所述的每一支路的隨機光柵位於前置成像系統的出瞳經過該支路的出瞳轉換系統後的成像面上，所述的每一支路的光電探測系統位於該支路的隨機光柵後。
所述的前置成像系統是望遠系統、照相系統或顯微系統。
所述的分光系統是二向色濾波片或帶通濾波片。
所述的各支路的出瞳轉換系統是成像透鏡組。
所述的各支路的光電探測系統由放大成像系統和光電探測器構成，所述的各支路的光電探測器置於所述的該支路的放大成像系統的成像面上。
所述的光電探測器是各探測單元隨意分布的CCD陣列。
在不同譜段支路上，選擇不同參數的隨機光柵元件及相應的光電探測器。
二向色濾波片或帶通濾波片將從紫外光到中遠紅外光的寬波段光場在光譜維上分為多個光譜段連續的分光光束。隨機光柵實現對光場的隨機波前相位調製，一方面在探測面生成隨機光強分布，另一方面實現在光譜維的色散。該系統的測量矩陣的某一列對應的是物面上某個位置上、某箇中心波長的窄帶點源形成的一個散斑場。由於隨機光柵的隨機分布，該測量矩陣也是一個隨機矩陣。物面上不同位置或不同中心波長的窄帶點源形成的散斑場是不相關的，相應地，測量矩陣的不同列也是不相關的。因此，該系統的測量系統滿足壓縮感知的條件。從數據獲取角度來看，該系統分兩步來完成數據獲取。
第一步為系統標定：把包含待測物體的二維空間圖像信息和一維光譜信息的數據全體在互不相關的隨機測量基下作投影測量，用光電探測器記錄各投影測量結果，從而獲得系統的標定矩陣。
第二步為數據重構：利用鄰近光譜之間關聯性，通過線性或非線性最佳化算法，從測量信號中重構出待測物體的三維光譜圖像信息。
《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》的一種典型系統構成包括：前置成像系統、1個以上二向色濾波片、各支路的出瞳轉換系統、各支路的隨機光柵、各支路的成像放大系統、各支路的光電探測器、計算機。
所述前置成像系統，用於將物體成像於各支路的第一成像面上。
所述1個以上二向色濾波片，用於將寬波段光譜分為多個光譜段連續的分光光束。各支路採用相應合適的隨機光柵和光電探測器以提高成像系統的空間解析度、光譜解析度及探測靈敏度。而且，分光系統使得能夠在各個譜段獲得更高的系統信噪比，進一步提高光譜成像質量。
所述各支路的出瞳轉換系統，用於將前置成像系統的出瞳成像到該支路的隨機光柵上，使得各個方向入射的光場都能夠通過該支路的隨機光柵中心，實現擴大成像範圍的目的。
所述各支路的隨機光柵，對從物面發出的該支路傳播譜段的光場進行隨機波前相位調製及色散。使得從物面上某一點發出的該支路傳播譜段的光場，在該隨機光柵後方的一段空間區域內形成較高對比度的散斑場。由於物面上的光場在空間上是非相干的，整個探測面上的光強分布是物面上不同點發出的光形成的散斑場的強度疊加。根據所分的譜段的不同，選擇不同參數的隨機光柵器件。例如，在可見及近紅外波段，可選取起伏較小、顆粒較大的毛玻璃作為隨機光柵器件。在中、遠紅外波段，可選取起伏較大、顆粒較小的毛玻璃作為隨機光柵器件。同時，不同波段選取具有高透射率的相應材質製作隨機光柵器件。
所述各支路的放大成像系統將經過該支路的隨機光柵後某一距離處的散斑場成像到該支路的光電探測器上，對成像後的散斑場進行採樣測量。
改善效果
1、《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》提出了一種基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統。該系統基於隨機光柵進行相位調製，對物體的三維光譜圖像數據（二維空間圖像信息及一維光譜信息）在互不相關的隨機測量基下進行投影測量，實現對三維光譜圖像數據的壓縮採集。該系統在調製階段不損失光能，與基於幅度調製的壓縮成像系統相比，具有更高的能量利用率。與基於隨機空間相位調製的壓縮成像系統相比，該系統通過利用鄰近光譜之間的關聯性，實現了對光譜維的圖像數據的進一步壓縮採集，進一步減少了數據採集量，從而進一步降低了對探測器像元數目和測量時間的要求。而且，隨機光柵對光場的色散效應，進一步提高了系統的光譜解析度。
2、該系統採用的出瞳轉換系統，大大增加了系統的成像範圍。各支路的出瞳轉換系統將前置成像系統的出瞳成像到該支路的隨機光柵上，使得各個方向入射的光場都通過隨機光柵中心，在不增加探測像元數目的基礎上，增大了系統的成像範圍。
3、該系統可以單次測量獲得寬波段的光譜圖像信息，探測時間大大縮短，而且空間解析度及光譜解析度大大提高。分光系統使得隨機光柵及光電探測器能夠對各分路光譜成像進行最佳化設計，進一步提高了系統的探測靈敏度、空間解析度及光譜解析度，從而實現寬波段高光譜成像。
附圖說明
圖1為光譜成像所獲取的數據形式。圖中每個立方代表一個數據點。（x，y）代表空間位置，λ代表波長。
圖2為《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統實施例1的結構框圖。圖中：1-前置成像系統2-二向色濾波片3-出瞳轉換系統4-隨機光柵5-光電探測器6-計算機7-出瞳轉換系統8-隨機光柵9-光電探測器。①-物面，②-前置成像系統出瞳，③-第一成像面，④-原始探測面，⑤-第一成像面，⑥-原始探測面。
圖3為《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統實施例2的結構框圖。圖中：1-前置成像系統，2-二向色濾波片，3-出瞳轉換系統，4-隨機光柵，5-光電探測器，6-計算機，7-出瞳轉換系統，8-隨機光柵，9-光電探測器，10-放大成像系統，11-放大成像系統，12-二向色濾波片，13-出瞳轉換系統，14-隨機光柵，15-放大成像系統，16-光電探測器。①-物面，②-前置成像系統出瞳，③-第一成像面，④-原始探測面，⑤-第一成像面，⑥-原始探測面，⑦-第一成像面，⑧-原始探測面。
技術領域
《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》涉及壓縮感知寬波段高光譜成像系統，特別是一種基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統。
權利要求
1.一種基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，其特徵在於該系統的構成包括前置成像系統、分光系統、兩個以上的支路和計算機，各支路由出瞳轉換系統、隨機光柵和光電探測系統構成，沿入射光束依次是所述的前置成像系統和分光系統，所述的分光系統將寬波段光束分為2個以上的光譜段連續的分光譜段光束支路，在每一支路依次設定出瞳轉換系統、隨機光柵和光電探測系統，所有的光電探測系統與計算機相連，所述的每一支路的出瞳轉換系統位於物體通過前置成像系統在該支路的成像面上，所述的每一支路的隨機光柵位於前置成像系統的出瞳經過該支路的出瞳轉換系統後的成像面上，所述的每一支路的光電探測系統位於該支路的隨機光柵後。
2.根據權利要求1所述的基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，其特徵在於：所述的前置成像系統是望遠系統、照相系統或顯微系統。
3.根據權利要求1所述的基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，其特徵在於：所述的分光系統是二向色濾波片或帶通濾波片。
4.根據權利要求1所述的基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，其特徵在於：所述的各支路的出瞳轉換系統是成像透鏡組。
5.根據權利要求1所述的基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，其特徵在於：在所述的各支路的光電探測系統由放大成像系統和光電探測器構成，所述的各支路的光電探測器置於所述的該支路的放大成像系統的成像面上。
6.根據權利要求1所述的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，其特徵在於：所述的光電探測器是各探測單元隨意分布的CCD陣列。
7.根據權利要求1至6任一項所述的壓縮感知寬波段高光譜成像系統，其特徵在於：在不同譜段支路上，選擇不同參數的隨機光柵元件及相應的光電探測器。
實施方式
下面結合圖2來說明本基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統是如何得到物體的高光譜圖像信息的。圖2為《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統實施例1的結構框圖。該系統的構成包括前置成像系統1、二向色濾波片2，以及a和b兩支路上的出瞳轉換系統3、7、隨機光柵4、8和光電探測器5、9。沿入射光束依次是前置成像系統1和二向色濾波片2，二向色濾波片2將入射寬波段光束分為a和b兩個的光譜段連續的分光譜段光束支路，在a和b兩支路依次設定出瞳轉換系統3、7、隨機光柵4、8和光電探測器5、9，a和b兩支路的光電探測器5、9均與計算機6相連。對於a支路，出瞳轉換系統3位於物體①通過前置成像系統1在該支路的成像面③上，隨機光柵4位於前置成像系統的出瞳②通過該支路的出瞳轉換系統3的成像面上，光電探測器5位於該支路的隨機光柵4後一段距離。對於b支路，出瞳轉換系統7位於物體①通過前置成像系統1在該支路的成像面⑤上，隨機光柵8位於前置成像系統的出瞳②通過該支路的出瞳轉換系統7的成像面上，光電探測器9位於該支路的隨機光柵8後一段距離。
根據光場的衍射效應，支路a的隨機光柵4和支路b的隨機光柵8把物面①上不同位置、不同中心波長的各個窄帶點光源分別映射成原始探測面④、⑥上的一個較高對比度的散斑場。不同空間位置或不同中心波長的點源，所對應的散斑場不同，且散斑場的關聯性隨著點源的空間間隔或中心波長間隔增大而降低。通過相關運算或非線性最佳化算法可以把不同的散斑場區分開。物面①上的光譜圖像可以看作不同空間位置、不同中心波長的點源的疊加。由於物面①的光場是非相干光，原始探測面④、⑥上的光強分布是這些不同點源對應的散斑場的強度疊加。假定寬波段的光譜譜段數為L，單個波長上物體空間圖像像素大小為N，探測點數為M，整個光譜成像過程可以用數學語言描述如下：
其中：
（3）
它表示物體在第i個譜段上的圖像信息。
Aij＝（Aij1 Aij2 ... AijN），i＝1，...，M；j＝1，...，L。（4）
A矩陣是一個M行、L×N列的矩陣，它的某一列代表物面①上某一位置、某一中心波長處的窄帶光在探測面上所形成散斑場的光強分布。
在進行寬波段高光譜成像前，該系統要先通過標定測量獲得A矩陣。首先在物面①上的不同位置（x，y）處，分別放置不同中心波長λ的窄帶點光源，用固定於各支路的探測面上的多個探測單元記錄下對應的光強值。對這些光強值歸一化，作為測量矩陣的某一列。不同（x，y，λ）對應的散斑光強分布構成測量矩陣的不同列，從而獲得標定測量矩陣A。在進行成像測量時，只通過一次曝光記錄下各支路探測單元所探測到的光強值，作為矢量Y。這樣就通過測量得到了矩陣A和Y。再利用光場的譜間關聯性，通過線性或非線性最佳化算法，就可以恢復出物體的光譜圖像信息。
圖3為《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統實施例2的結構框圖。圖3對應的標定、成像過程與圖2類似。差別在於，在圖3中，寬波段光場在光譜維上分為3個光譜段連續的分光光束，且光電探測器5記錄的是a支路上原始探測面④經過放大成像系統10後所成的像，光電探測器9記錄的是b支路上原始探測面⑥經過放大成像系統11後所成的像，光電探測器16記錄的是c支路上原始探測面⑧經過放大成像系統15後所成的像。
榮譽表彰
2018年12月20日，《基於隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
