[发明专利]一种基于压缩感知高光谱成像的快速无损监测装置

说明书

本发明公开了一种基于压缩感知的高光谱成像装置，其目的在于提供一种通过单探测器进行压缩采样的高光谱相机对植物进行快速无损监测。包括成照明系统、成像物镜、空间光调制装置(数字微镜设备)、准直镜组、光栅、旋转台、可调狭缝、单探测器、模/数转换设备及便携式计算机。目标通过成像物镜成像到空间光调制装置后，通过准直镜组，平行地照射到固定在旋转台的光栅上进行分光，得到的光谱通过狭缝被单探测器接收。可通过旋转光栅对光谱谱段进行选择，通过设置可调节狭缝的宽度来保证光谱分辨率。本发明的基于单像素技术的高光谱相机，代替传统的二维阵列传感器，能够以远低于奈奎斯特采样定理的采样率实现压缩高光谱成像，大幅度地提高了灵敏度和动态范围，同时能够灵活选择成像谱段，实现快速无损监测。

所属技术领域

本发明涉及光谱成像领域，具体是指一种高光谱成像装置，它基于单像素技术仅使用单探测器进行快速光谱成像，并能够实现高光谱分辨率。

技术背景

高光谱成像技术是近年来光谱成像领域发展起来的一项新技术，它最初主要被应用到航天遥感。该技术能够通过窄而连续的光谱通道对地物持续地进行光谱成像，光谱通道数多达数十甚至上百个，而且各个光谱通道间往往是连续的，因而其能够同时获取待测样品的空间和光谱信息，进而得到样品的材料信息和化学组成。相比于传统的光谱成像技术不能同时兼顾共线性消除和信息充分获取的矛盾，高光谱成像不仅具有图谱合一的优势，还可以通过建立高光谱数据立方体及其本身所具有的高分辨率增强对物品的探测能力。由此，其不仅极大地推进了航天航空探测技术地发展，同时在水体资源控制、大气环境监控、金属分布探测、生物医药与医疗、生物荧光检测、生物无损监测等领域均有广泛应用。但是，由于高光谱数据本身具有因相邻波段的相关性较高所带来的较高的数据冗余度、高光谱特征值多变以及由维数束缚的特征，因此现有的高光谱成像技术也存在一些亟待解决的问题，包括：第一，如何减少高光谱成像仪器收集的数据量。目前高光谱系统捕捉了大量的光谱数据，过多的数据不仅对数据处理带来了沉重的负担，也对芯片数据的实时处理提出了较高的要求。第二，是如何将尺寸由大转型到小，并实现设备性能、分辨率、视场大小与设备尺寸之间的权衡。

现在，光谱成像的方法通常是将待测物体以各种方式耦合入光谱仪中，然后通过二维探测器阵列进行成像。由于耦合效率限定了成像方式，只能是远距离成像或是显微成像，也导致了冗余的数据。因此成像光谱仪的发展不仅要突破成像方式的限制，还依赖于探测器焦平面技术的发展。焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。未来红外系统(如热成像系统、导引系统、监视系统)中的信与探测几乎都将建立在红外探测器焦平面阵列的基础上，利用红外焦平面阵列(1RFPR)可简化或取消光机扫描以改善系统性能。虽然目前光谱成像已经越来越多地应用到红外波段，且近红外波段的硅焦平面探测器技术已经十分成熟，但是由于制作工艺的瓶颈很难突破，其集成度很难再进一步提高，也就是说依赖焦平面探测器集成来提高成像的分辨率已十分困难，且价格昂贵。同时，由于焦平面探测器是由多个探测器组成共同接收信号，因而其对光信号的检测灵敏度和动态范围难以提高。

为了解决高光谱成像技术的海量数据问题，很多研究者进行了压缩高光谱成像的研究，利用各种方式和材料进行空间调制和光谱调制，其中有数码孔径和液晶材料。其中数码孔径为光学掩模，一旦制作完成就不能更改，只能在测量过程中进行替换，极大地降低了成像系统的性能，降低了系统的动态范围。而光谱调制的材米对光谱的调制，依然没有克服掉探测器的昂贵代价及需要一次性获取冗余光谱后再进行特征光谱提取的缺陷。因此，简单、快速、高效地获取和处理大量的高光谱数据仍是非常困难的。

发明内容

本发明的目的是针对上述情况，提出一种基于压缩感知的高光谱成像装置，提供一种结构简单、低采样率、高光谱分辨率、高灵敏度和动态范围并容易扩展到近红外及红外成像的高光谱成像装置。