計算層析成像技術也稱為計算機斷層掃描技術, 是由低維投影數據重建高維目標的一項技術, 最早由 Cormack 於1963 年提出, 在醫學上起到了劃時代的作用。但由於計算機水平和探測器技術水平的限制, 直到 20 世紀 90 年代,層析投影成像理論才開始套用於成像光譜技術。
基本介紹
- 中文名：計算機斷層掃描術
- 外文名：computed tomography imaging spectrometer,CTIS)
- 專業：光學技術
簡介,CTIS技術基本原理,光柵型層析成像光譜技術,旋轉稜鏡型成像光譜技術,套用,展望,
簡介
計算層析成像光譜技術( computed tomography imaging spectrometer,CTIS) 借用計算機斷層掃描的原理, 與成像光譜技術相結合,探測目標數據立方體的一個投影或者多個投影方向的投影圖像, 然後由這些投影圖像重建目標的光譜信息和空間圖像信息。它在光譜與圖像的快速探測、無視場掃描、高通量、性能穩定等方面具有顯著特徵, 可套用在諸多領域。
計算層析成像光譜儀按照工作模式的不同分為光柵型層析成像光譜儀和稜鏡型層析成像光譜儀。前者最初由日本學者 Okamoto 提出, 然後美國亞利桑那大學的 Descour 和Dereniak 等在原理和實驗上大大發展了該類型的成像光譜儀。它具有高速畫幅式的突出優點, 與空間調製干涉成像光譜儀相比具有高通量的優勢。後者是由美國空軍基地的Mooney 等提出並發展的, 具有高通量的明顯優點。它工作在凝視方式, 與時間調製干涉成像光譜儀相比缺點是光譜解析度受限, 但能量利用率更高, 抗震性更好。
CTIS 作為一項新興的技術, 近些年特別是 2000 年至今取得了很大的進展, 多種新技術和新方法相繼出現, 並且該技術已經在環境監測、軍事、天文、醫學、地質測量等套用領域嶄露頭角； 可以說這一階段是從實驗室的原理實驗驗證階段走向初步的工程套用階段的重要時期。
CTIS技術基本原理
CTIS 通過光學手段探測獲取目標圖像的三維信息( x , y ,λ): 它將經探測系統視場光闌的目標看成是一個具有二維空間信息( x , y) 和一維光譜信息(λ)的數據立方體, 先利用成像系統記錄數據立方體在不同方向上的投影圖像, 然後再利 用 CT 重建算法重建出三維數據立方體。
CTIS 圖像重建算法的理論基礎是 Radon 變換和中心切片定理( central slice theorem, 又稱 Fourier 切片定理) 。Radon 變換是一種直線積分的投影變換, 設二維目標的分布函 數為 f ( x , y ), 則 Radon 變換 Pa( p )的函式值為 f ( x , y ) 在投 影線( ProjLine) 上的直線積分,即
其中, 投影角a為投影線與y 軸的夾角, P 為投影變換的坐 標。
從中心切片定理可得到兩個重要結論：
(1) 圖像的投影數據包含了該圖像的特徵信息, 並且可以利用這些信息重建 出原來的圖像；
(2) 為實現圖像重建, 理論上需要無窮多個 連續的投影數據。但實際套用中,一般利用有限個投影角度 的投影數據就可得到滿意的重建效果。
圖1 CTIS投影成像原理
圖1 CTIS投影成像原理在上述理論基礎上 CTIS 得到了發展。圖 1 給出了 CTIS 的投影成像原理。
光柵型層析成像光譜技術
該類成像光譜儀亦稱畫幅式層析成像光譜儀, 不包含任何運動部件, 能對空間位置和光譜特性瞬時變化的二維目標進行光譜成像, 得到目標的空間信息和光譜信息, 併兼具高通量和多通道的優點, 這些是其他色散型或干涉型成像光譜 儀所無法比擬的。
光柵型計算層析成像光譜儀由前置光學系統 ( 包括望遠鏡或會聚鏡、視場光闌等) 、準直系統、色散和再成像系統( 光柵、成像鏡和焦平面探測器等) 組成。它採用 3 個呈 60b夾角交疊的一維光柵色散目標圖像, 然後用焦平面陣列 來記錄衍射圖案。衍射圖 案中間為零級衍射級, 即目標的直接全色圖像, 確定了成像大小, 但對目標的光譜信息沒有貢獻；其他衍射圖案為目標的不同衍射級, 這些色散圖案對應目標立方體在相應投影角下的投影值, 利用基於 CT 的重建算法便可從這些投影圖案中重建出光譜圖像數據來。
光柵型層析成像光譜技術
光柵型層析成像光譜技術旋轉稜鏡型成像光譜技術
該類成像光譜儀亦稱高通量層析成像光譜儀, 它與前者的不同是, 只能在一次曝光時間內獲取目標的數據立方體的一個投影方向的投影數據； 通過繞光軸旋轉直視稜鏡, 獲取 多個方向的投影, 對多個投影進行層析處理, 從而重建數據立方體。它工作在凝視方式下, 沒有分束器, 能量利用率接近 100%。
旋轉稜鏡型成像光譜技術
旋轉稜鏡型成像光譜技術套用
CTIS 圖像重建的過程實際上就是如何由低維投影數據計算出高維原始圖像, 及在該過程中如何有效減小/ 失錐對重建圖像質量的影響。通常用的 CT 重建算法有變換法和疊代法兩類。
圖4 典型的CT圖像
圖4 典型的CT圖像- CTIS 在軍事方面的套用從一開始就受到關注。早在 1997 年, 就畫幅式 CTIS 對動態目標不敏感等方面的優勢, 它就被用於蒐集飛行中的飛彈的圖像立方體序列。2002 年美國 Raytheon 電子系統的 Schau 等利用畫幅式 CTIS 儀器開展了實驗室和高空機載實驗。
- 在生物醫學套用方面, CTIS 顯示了很大的潛力。研究 者認為, CTIS 提供了重要的功能上而不僅是結構上的信息, 並為臨床提供了互補性信息； 從而顯示出 CTIS 的獨特性和 廣闊前景。
- CTIS 天文學的套用主要是行星科學和空間監視， 近年來越來越受到重視。
展望
計算層析成像光譜技術 CTIS 是近年來發展起來的一項高新技術, 它的諸多優點和套用前景受到國際成像光譜領域的廣泛重視。可以預見, 針對不同情景目標的重建算法以及 CTIS 模型的最佳化將可能是 CTIS 迅速發展的基礎,光學遙感的套用將很可能是該技術的重點套用方向, 偏振計算層析成 像光譜技術及其套用將可能是未來的研究熱點。由於該技術研究理論上圖像重建還受到有限投影角、色散器件自由光譜範圍等的約束, 工程研製中受到色散器件和探測器製作工藝、以及探測器尺寸等的限制, 目前的研究多數處於實驗室的仿真模擬和實驗階段, 要使得 CTIS 獲得廣泛的研究並走向成熟的工程套用還有一段距離。但是該技術已經在多個不同領域發展和套用, 隨著其套用波段範圍的擴展, 以及與多種其他技術的聯合, CTIS 的發展前景會越來越受到關注和重視。
