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高光谱压缩成像方法研究

高光谱遥感成像技术集光谱与成像为一体,同时获取目标物体的空间信息和光谱信息,具有极强的地物分类和识别能力,研究人员可以利用地物光谱特征来进行定性或定量分析,因此在航空航天遥感、国土资源调查、环境监测等领域有着广泛应用前景。

基于压缩感知理论设计的高光谱压缩成像技术为研制具有高分辨率的高光谱成像仪提供了新的思路,能保证同时提升光谱分辨率和空间分辨率,在资源受限的遥感平台(星载/机载)有广泛应用前景。

1、高光谱压缩采样实现

随着压缩感知在各种应用领域研究的开展,高光谱压缩感知研究也开始受到重视,如美国杜克大学、哈佛大学以及国内的中科院遥感所、中国科技大学等高等院校和研究机构都开展了这方面的研究工作,近几年国内外每年都有较多关于高光谱压缩成像研究的文章在遥感和图像处理领域的学术期刊和国际会议上发表,该领域的研究虽然起步相对较晚,但是近几年来却相当活跃,一个主要研究方向就是高光谱压缩感知的采样实现。

2、编码孔径光谱成像与单像素光谱压缩成像

将压缩感知用于高光谱成像仪的设计,除了能获得更高的分辨率外,在数据采集的同时也达到了数据压缩的效果,因此该研究受到众多学者的关注,相关的研究成果多,提出的高光谱压缩成像方案也很多,但目前影响较大的主要有两大类:一类是可实现空间和谱间联合压缩采样的编码孔径光谱成像仪,将传统的色散型光谱成像技术中的狭缝更换为特殊形式的二维编码模板,该成像系统对高光谱图像的空间信息进行编码,再将各谱段图像移位混叠压缩,再通过算法重建空间光谱图像;另一类是基于单像素相机的高光谱压缩感知成像仪,实现了同时对空间信息和光谱信息的压缩采样。这些高光谱压缩成像方案都需要传感器一次性获取图像在整个空间范围内的信息,而实际的高光谱遥感成像通常都是利用遥感平台(机载或星载)的固有运动,采用基于行的推扫或基于点的摆扫方 式来逐步获取图像在整个空间范围内的信息。

3、高光谱摆扫式压缩成像

Whiskbroom(摆扫)是高光谱遥感中广泛使用的一种扫描模式,它建立在一次对单个空间位置(像元)采样的基础上,逐点实现整个空间的成像。摆扫式高光谱压缩成像方案的设计,先是光谱维向量单个压缩采样值的光学实现,再研究如何用并行方式来实现在一次曝光时间内获取多个压缩采样值,最后得到完整的摆扫式压缩方案。

参考上面的设计原理,高光谱摆扫型压缩成像方式先对单个像元进行光谱维向量的压缩采样,再通过摆扫运动依次扫描获取其他空间像元的压缩采样值。获取单个像元压缩采样值方案如图1所示:输入光信号对应单个空间点(像元)的光斑,通过色散元件(如衍射元件光栅)转换成多个不同波长的光谱线,形成线状光谱。

然后经过一维编码孔径对线状光谱实现空间编码,实现压缩采样。光电探测元件探测到会聚透镜聚集形成的光斑获得像元的压缩采样值。

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4、高光谱推扫式压缩成像

Pushbroom(推扫)式成像是传统高光谱成像仪经常采用的方式,典型代表如中科院上海技术物理所的PHI系统。推扫式成像每次采集数据均对应为一维空间信息,即一次对地面空间成像行(行像元)进行采集。推扫式高光谱压缩成像方案研究,先是如何实现地面行中所有像元光谱维信息的压缩采样,再设计完整的推扫式压缩方案。推扫式压缩成像技术在信号采集时,对地面成像行中每个像元光谱维信息进行随机压缩采样,地面空间成像行具体采样过程方案如下:首先采用入射狭缝使得地面的入射辐射光线中只有空间成像行对应的光线能进入成像系统的准直系统前焦平面上进行准直,然后再采用棱镜做色散分光处理。各波段单色光通过会聚镜后可平行入射到数字微镜器件(DMDDigitalMicromirror Device) ,由可编程控制的DMD各微镜通过偏转实现压缩采样,再经过柱面透镜被线探测器获取压缩采样值。方案如图2所示。

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