姚凱凱

摘要：依據(jù)非成像型光譜儀工作特點(diǎn)，結(jié)合壓縮感知采樣和計(jì)算重構(gòu)方法，本文提出了一種基于壓縮感知的光譜成像方法。在光譜儀前端搭建壓縮采樣系統(tǒng)，完成場(chǎng)景的壓縮光譜采樣，實(shí)現(xiàn)光譜和空間分布數(shù)據(jù)的同時(shí)獲取，結(jié)合計(jì)算壓縮重構(gòu)成像方法，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的分波段成像。通過(guò)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，說(shuō)明本文提出的方法的正確性和可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際場(chǎng)景的光譜數(shù)據(jù)的壓縮采樣，并完成指定波段的圖像重構(gòu)。

Abstract： According to the working characteristics of non-imaging spectrometer， combined with compressed sensing sampling and reconstruction method， this paper presents a spectral imaging method based on compressed sensing. In the front end of the spectrometer， a compression sampling system is set up to complete the compressed spectrum sampling of the scene and achieve the simultaneous acquisition of spectral and spatial distribution data. Combined with the calculation method of the compression reconstruction imaging， the sub-band imaging of the scene is realized. Through the analysis of simulation results and experimental results， the correctness and feasibility of the proposed method are demonstrated. It can achieve the spectral data compression sampling of actual scene and complete the image reconstruction of the specified band.

關(guān)鍵詞：光譜儀;壓縮感知;分波段成像;圖像重構(gòu)

Key words： spectrometer;compressive sensing;sub-band imaging;image reconstruction

中圖分類(lèi)號(hào)：O439 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）07-0207-03

0 引言

通過(guò)光譜儀可獲取光學(xué)場(chǎng)景的譜特征，確定光學(xué)場(chǎng)景的光譜輻射峰值強(qiáng)度、波段位置、寬度、面積、對(duì)稱度等，完成光學(xué)場(chǎng)景的譜特征分析。但是非成像型光譜儀獲取的是整個(gè)場(chǎng)景的光譜輻射，既包含目標(biāo)輻射，也包含背景輻射，難以將背景輻射區(qū)分開(kāi)來(lái)，給光譜測(cè)量帶來(lái)較大誤差。光譜成像技術(shù)為成像技術(shù)與光譜測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的圖譜合一信息獲取技術(shù)，不僅可獲取成像目標(biāo)的幾何形狀信息，也可識(shí)別目標(biāo)的光譜特征差異，從而形成包含目標(biāo)豐富信息的空-譜三維數(shù)據(jù)立方體，可以將目標(biāo)與背景區(qū)別開(kāi)來(lái)，獲取目標(biāo)精確光譜信息，從而完成目標(biāo)的光譜特征精確分析。光譜成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于偵察及探測(cè)、航天航空遙感等領(lǐng)域，然而，成像光譜輻射計(jì)往往價(jià)格昂貴，因此，研究如何利用單元非成像型光譜儀完成場(chǎng)景的空間信息和譜分布信息同時(shí)采集具有重要意義。

壓縮感知信息采集理論基于稀疏域表示和優(yōu)化的思想，可以保證從少量的采樣數(shù)據(jù)中以較高的概率準(zhǔn)確的重構(gòu)出原始信號(hào)，其本質(zhì)思想為將數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)壓縮統(tǒng)一起來(lái)，在前端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮采樣，在后端利用原始數(shù)據(jù)的稀疏性先驗(yàn)知識(shí)，采用一個(gè)數(shù)學(xué)優(yōu)化算法將原始信號(hào)重構(gòu)出來(lái)。為此，本文在光譜輻射計(jì)前端搭建壓縮感知采集系統(tǒng)，完成場(chǎng)景的空間信息和光譜信息的同時(shí)采集，然后利用壓縮感知理論完成數(shù)據(jù)的重構(gòu)，一方面通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證了該方法的正確性，另一方面通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠完成實(shí)際場(chǎng)景的光譜成像。

1 場(chǎng)景的壓縮采樣及光譜重構(gòu)研究

壓縮感知光譜成像技術(shù)是將壓縮感知理論應(yīng)用于成像領(lǐng)域，通過(guò)二維編碼模板獲取光譜圖像的壓縮數(shù)據(jù)，并利用壓縮感知理論進(jìn)行圖譜復(fù)原，其過(guò)程如圖1所示。

3 結(jié)論

本文提出基于壓縮感知的光譜成像方法，在獲取場(chǎng)景的光譜分布信息的同時(shí)可以獲取場(chǎng)景的空間分布信息。經(jīng)仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，均表明該方法原理正確，實(shí)際可行，可實(shí)現(xiàn)非成像型光譜儀基于壓縮感知的計(jì)算光譜成像，拓展了光譜儀的應(yīng)用范圍及領(lǐng)域。

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