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高光譜壓縮成像方法研究
閱讀：487 發(fā)布時(shí)間：2023-5-25
高光譜遙感成像技術(shù)集光譜與成像為一體，同時(shí)獲取目標(biāo)物體的空間信息和光譜信息，具有較強(qiáng)的地物分類和識(shí)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(cè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。
基于壓縮感知理論設(shè)計(jì)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(shí)提升光譜分辨率和空間分辨率，在資源受限的遙感平臺(tái)(星載/機(jī)載)有廣泛應(yīng)用前景。
1、高光譜壓縮采樣實(shí)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(huì)議上發(fā)表，該領(lǐng)域的研究雖然起步相對(duì)較晚，但是近幾年來卻相當(dāng)活躍，一個(gè)主要研究方向就是高光譜壓縮感知的采樣實(shí)現(xiàn)。
2、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(jì)，除了能獲得更高的分辨率外，在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)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(gè)空間范圍內(nèi)的信息，而實(shí)際的高光譜遙感成像通常都是利用遙感平臺(tái)(機(jī)載或星載)的固有運(yùn)動(dòng)，采用基于行的推掃或基于點(diǎn)的擺掃方式來逐步獲取圖像在整個(gè)空間范圍內(nèi)的信息。
3、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(duì)單個(gè)空間位置(像元)采樣的基礎(chǔ)上，逐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)空間的成像。擺掃式高光譜壓縮成像方案的設(shè)計(jì)，先是光譜維向量單個(gè)壓縮采樣值的光學(xué)實(shí)現(xiàn)，再研究如何用并行方式來實(shí)現(xiàn)在一次曝光時(shí)間內(nèi)獲取多個(gè)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(jì)原理，高光譜擺掃型壓縮成像方式先對(duì)單個(gè)像元進(jìn)行光譜維向量的壓縮采樣，再通過擺掃運(yùn)動(dòng)依次掃描獲取其他空間像元的壓縮采樣值。獲取單個(gè)像元壓縮采樣值，輸入光信號(hào)對(duì)應(yīng)單個(gè)空間點(diǎn)(像元)的光斑，通過色散元件(如衍射元件光柵)轉(zhuǎn)換成多個(gè)不同波長(zhǎng)的光譜線，形成線狀光譜。
然后經(jīng)過一維編碼孔徑對(duì)線狀光譜實(shí)現(xiàn)空間編碼，實(shí)現(xiàn)壓縮采樣。光電探測(cè)元件探測(cè)到會(huì)聚透鏡聚集形成的光斑獲得像元的壓縮采樣值。
4、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(duì)應(yīng)為一維空間信息，即一次對(duì)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(shí)現(xiàn)地面行中所有像元光譜維信息的壓縮采樣，再設(shè)計(jì)完整的推掃式壓縮方案。推掃式壓縮成像技術(shù)在信號(hào)采集時(shí)，對(duì)地面成像行中每個(gè)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(duì)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(huì)聚鏡后可平行入射到數(shù)字微鏡器件，由可編程控制的DMD各微鏡通過偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)壓縮采樣，再經(jīng)過柱面透鏡被線探測(cè)器獲取壓縮采樣值。
VIX-N220推掃式可見光近紅外高光譜相機(jī)由深圳市中達(dá)瑞和科技有限公司自主研發(fā)和生產(chǎn)制造，是一款擁有超高光譜分辨率和圖像分辨率的面陣成像高光譜相機(jī)，可廣泛應(yīng)用于掛載、便攜、室內(nèi)等應(yīng)用場(chǎng)景。
VIX-N220基于推掃式高光譜成像原理，覆蓋400-1000nm光譜范圍，光譜分辨率可達(dá)2nm，具備超高成像速度、高靈敏度和*的信噪比，可按需快速、精準(zhǔn)獲取生態(tài)環(huán)境、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、工業(yè)檢測(cè)、資源勘探等
產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：
●光譜分辨率2nm
●超高清圖像分辨率
●從光譜通道中任意選擇多個(gè)感興趣的波段采集
●可同時(shí)、快速獲取光譜和影像信息
●USB3.0數(shù)據(jù)接口，即插即用
●結(jié)構(gòu)小巧緊湊，堅(jiān)固可靠，適合復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境要求
●國產(chǎn)、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、自主可控
