高光譜壓縮成像方法研究

高光譜遙感成像技術(shù)集光譜與成像為一體，同時獲取目標(biāo)物體的空間信息和光譜信息，具有極強(qiáng)的地物分類和識別能力，研究人員可以利用地物光譜特征來進(jìn)行定性或定量分析，因此在航空航天遙感、國土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。

基于壓縮感知理論設(shè)計的高光譜壓縮成像技術(shù)為研制具有高分辨率的高光譜成像儀提供了新的思路，能保證同時提升光譜分辨率和空間分辨率，在資源受限的遙感平臺(星載/機(jī)載)有廣泛應(yīng)用前景。

高光譜壓縮采樣實現(xiàn)

隨著壓縮感知在各種應(yīng)用領(lǐng)域研究的開展，高光譜壓縮感知研究也開始受到重視，如美國杜克大學(xué)、哈佛大學(xué)以及國內(nèi)的中科院遙感所、中國科技大學(xué)等高等院校和研究機(jī)構(gòu)都開展了這方面的研究工作，近幾年國內(nèi)外每年都有較多關(guān)于高光譜壓縮成像研究的文章在遙感和圖像處理領(lǐng)域的學(xué)術(shù)期刊和國際會議上發(fā)表，該領(lǐng)域的研究雖然起步相對較晚，但是近幾年來卻相當(dāng)活躍，一個主要研究方向就是高光譜壓縮感知的采樣實現(xiàn)。

編碼孔徑光譜成像與單像素光譜壓縮成像

將壓縮感知用于高光譜成像儀的設(shè)計，除了能獲得更高的分辨率外，在數(shù)據(jù)采集的同時也達(dá)到了數(shù)據(jù)壓縮的效果，因此該研究受到眾多學(xué)者的關(guān)注，相關(guān)的研究成果多，提出的高光譜壓縮成像方案也很多，但目前影響較大的主要有兩大類：一類是可實現(xiàn)空間和譜間聯(lián)合壓縮采樣的編碼孔徑光譜成像儀，將傳統(tǒng)的色散型光譜成像技術(shù)中的狹縫更換為特殊形式的二維編碼模板，該成像系統(tǒng)對高光譜圖像的空間信息進(jìn)行編碼，再將各譜段圖像移位混疊壓縮，再通過算法重建空間光譜圖像；另一類是基于單像素相機(jī)的高光譜壓縮感知成像儀，實現(xiàn)了同時對空間信息和光譜信息的壓縮采樣。這些高光譜壓縮成像方案都需要傳感器一次性獲取圖像在整個空間范圍內(nèi)的信息，而實際的高光譜遙感成像通常都是利用遙感平臺(機(jī)載或星載)的固有運動，采用基于行的推掃或基于點的擺掃方 式來逐步獲取圖像在整個空間范圍內(nèi)的信息。

高光譜擺掃式壓縮成像

Whiskbroom(擺掃)是高光譜遙感中廣泛使用的一種掃描模式，它建立在一次對單個空間位置(像元)采樣的基礎(chǔ)上，逐點實現(xiàn)整個空間的成像。擺掃式高光譜壓縮成像方案的設(shè)計，先是光譜維向量單個壓縮采樣值的光學(xué)實現(xiàn)，再研究如何用并行方式來實現(xiàn)在一次曝光時間內(nèi)獲取多個壓縮采樣值，最后得到完整的擺掃式壓縮方案。

參考上面的設(shè)計原理，高光譜擺掃型壓縮成像方式先對單個像元進(jìn)行光譜維向量的壓縮采樣，再通過擺掃運動依次掃描獲取其他空間像元的壓縮采樣值。獲取單個像元壓縮采樣值方案如圖1所示：輸入光信號對應(yīng)單個空間點(像元)的光斑，通過色散元件(如衍射元件光柵)轉(zhuǎn)換成多個不同波長的光譜線，形成線狀光譜。

然后經(jīng)過一維編碼孔徑對線狀光譜實現(xiàn)空間編碼，實現(xiàn)壓縮采樣。光電探測元件探測到會聚透鏡聚集形成的光斑獲得像元的壓縮采樣值。

高光譜推掃式壓縮成像

Pushbroom(推掃)式成像是傳統(tǒng)高光譜成像儀經(jīng)常采用的方式，典型代表如中科院上海技術(shù)物理所的PHI系統(tǒng)。推掃式成像每次采集數(shù)據(jù)均對應(yīng)為一維空間信息，即一次對地面空間成像行(行像元)進(jìn)行采集。推掃式高光譜壓縮成像方案研究，先是如何實現(xiàn)地面行中所有像元光譜維信息的壓縮采樣，再設(shè)計完整的推掃式壓縮方案。推掃式壓縮成像技術(shù)在信號采集時，對地面成像行中每個像元光譜維信息進(jìn)行隨機(jī)壓縮采樣，地面空間成像行具體采樣過程方案如下：首先采用入射狹縫使得地面的入射輻射光線中只有空間成像行對應(yīng)的光線能進(jìn)入成像系統(tǒng)的準(zhǔn)直系統(tǒng)前焦平面上進(jìn)行準(zhǔn)直，然后再采用棱鏡做色散分光處理。各波段單色光通過會聚鏡后可平行入射到數(shù)字微鏡器件(DMD，DigitalMicromirror Device) ，由可編程控制的DMD各微鏡通過偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)壓縮采樣，再經(jīng)過柱面透鏡被線探測器獲取壓縮采樣值。方案如圖2所示。