壓縮編碼的計算光譜成像方法研究.pdf

1、遙感光譜數(shù)據(jù)對場景中的地物識別，具有巨大的優(yōu)勢，在遙感地質(zhì)勘測、森林監(jiān)護、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、海洋研究等領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注和研究。光譜分辨率是評價該設(shè)備性能的重要參數(shù)之一。更高的分辨率意味著更多的細(xì)節(jié)。但通過提高傳感器密度來提高分辨率，受限于體積、質(zhì)量、功耗、傳輸帶寬等條件。如何突破這些限制，滿足應(yīng)用領(lǐng)域里的這些需求，成為一個挑戰(zhàn)。
　　近年來興起的計算光譜成像方法，綜合考慮成像方式、分光方式、光電聯(lián)合等技術(shù)，將光學(xué)系統(tǒng)中的元件當(dāng)作計算元件

2、，在成像的過程中完成成像面?zhèn)鞲衅麝嚵信c光譜數(shù)據(jù)的特定對應(yīng)關(guān)系，再利用優(yōu)化算法，最終獲得滿足要求的光譜數(shù)據(jù)。這為設(shè)計光譜成像儀提供了一個嶄新的思路。
　　本文以壓縮感知(compressive sensing，CS)為基礎(chǔ)，圍繞推掃式光譜成像儀的信號采樣問題，提出了壓縮編碼的計算光譜成像方法。計算光譜成像方法將成像過程分成兩個步驟:編碼感知場景、重構(gòu)光譜數(shù)據(jù);這兩個步驟與CS的壓縮觀測、優(yōu)化重構(gòu)互相對應(yīng)。借助于CS在觀測矩陣、稀疏表

3、示、重構(gòu)算法等方面豐富的研究結(jié)果，本文從編碼感知場景入手，完成了壓縮編碼的計算光譜成像方法設(shè)計，圍繞在成像過程中完成“壓縮編碼”，設(shè)計了相應(yīng)的計算光譜成像方法，主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　1.提出了一種多狹縫光譜成像方法。高質(zhì)量、高分辨率遙感光譜數(shù)據(jù)的獲取受限于成像系統(tǒng)的光通量。針對傳統(tǒng)推掃式的光譜儀增加狹縫的光通量以提高信噪比會降低空間分辨率這個問題，從信號處理角度為推掃式光譜成像系統(tǒng)建模，引入CS，使得系統(tǒng)可以通過增加狹縫數(shù)目

4、的方式來增加光通量，進而提高成像系統(tǒng)的信噪比。從理論上，該方法增加了光通量而沒有降低空間分辨率。在仿真實驗中，光通量增大128倍，用25％的曝光頻率，就可以很好地獲得512×512的光譜圖像。該光譜成像方法，在保證光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量（高分辨率）的情況下，有效地降低了曝光次數(shù)、數(shù)據(jù)的存儲傳輸量。
　　2.提出了一種基于編碼分光的高分辨率光譜成像方法。由于在推掃式光譜成像系統(tǒng)中，入射光的能量是恒定的，所以提高圖像的空間分辨率和光譜分辨率往往

5、以犧牲另外一方為代價。針對該問題，提出了一種通過提高樣本中所包含場景信息量的成像方法，實現(xiàn)由低分辨率傳感器陣列獲得高光譜分辨率數(shù)據(jù)。在壓縮觀測階段，該方法分別利用旋轉(zhuǎn)棱鏡編碼隨機曝光、基于光柵的編碼分光兩種方式，以較低分辨率的傳感器陣列獲得壓縮觀測數(shù)據(jù)，然后對壓縮觀測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化重構(gòu)，從而獲得高光譜分辨率數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效地獲得高光譜分辨率數(shù)據(jù)。
　　3.提出了一種觀測數(shù)目可變的壓縮光譜成像方法。CS突破奈奎斯特定

6、理的限制，能以更少的樣本獲得目標(biāo)的信息。本研究提出的方案是將“更少的樣本”實現(xiàn)為成像面上更少的傳感器，以適用于傳感器器陣列密度受限于電池，容量，傳輸帶寬和成本等情況。所提出的方案是基于編碼分光，通過重新設(shè)計它的觀測矩陣，從而成像面上所需的傳感器數(shù)目比原有的編碼分光更少。此外，當(dāng)對場景的先驗知識增多時，可以相應(yīng)地減少樣本，該觀測方法還允許用戶可以在圖像質(zhì)量和傳輸時間之間權(quán)衡，以確定合適的樣本數(shù)目進行下傳，以節(jié)省傳輸帶寬。我們設(shè)計了相應(yīng)的仿