基于壓縮感知的光譜成像技術研究

姚凱凱

摘要：依據非成像型光譜儀工作特點，結合壓縮感知采樣和計算重構方法，本文提出了一種基于壓縮感知的光譜成像方法。在光譜儀前端搭建壓縮采樣系統，完成場景的壓縮光譜采樣，實現光譜和空間分布數據的同時獲取，結合計算壓縮重構成像方法，實現場景的分波段成像。通過仿真結果和實驗結果的分析，說明本文提出的方法的正確性和可行性，能夠實現實際場景的光譜數據的壓縮采樣，并完成指定波段的圖像重構。

Abstract： According to the working characteristics of non-imaging spectrometer， combined with compressed sensing sampling and reconstruction method， this paper presents a spectral imaging method based on compressed sensing. In the front end of the spectrometer， a compression sampling system is set up to complete the compressed spectrum sampling of the scene and achieve the simultaneous acquisition of spectral and spatial distribution data. Combined with the calculation method of the compression reconstruction imaging， the sub-band imaging of the scene is realized. Through the analysis of simulation results and experimental results， the correctness and feasibility of the proposed method are demonstrated. It can achieve the spectral data compression sampling of actual scene and complete the image reconstruction of the specified band.

關鍵詞：光譜儀;壓縮感知;分波段成像;圖像重構

Key words： spectrometer;compressive sensing;sub-band imaging;image reconstruction

中圖分類號：O439 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）07-0207-03

0 引言

通過光譜儀可獲取光學場景的譜特征，確定光學場景的光譜輻射峰值強度、波段位置、寬度、面積、對稱度等，完成光學場景的譜特征分析。但是非成像型光譜儀獲取的是整個場景的光譜輻射，既包含目標輻射，也包含背景輻射，難以將背景輻射區分開來，給光譜測量帶來較大誤差。光譜成像技術為成像技術與光譜測量技術相結合的圖譜合一信息獲取技術，不僅可獲取成像目標的幾何形狀信息，也可識別目標的光譜特征差異，從而形成包含目標豐富信息的空-譜三維數據立方體，可以將目標與背景區別開來，獲取目標精確光譜信息，從而完成目標的光譜特征精確分析。光譜成像技術被廣泛應用于偵察及探測、航天航空遙感等領域，然而，成像光譜輻射計往往價格昂貴，因此，研究如何利用單元非成像型光譜儀完成場景的空間信息和譜分布信息同時采集具有重要意義。

壓縮感知信息采集理論基于稀疏域表示和優化的思想，可以保證從少量的采樣數據中以較高的概率準確的重構出原始信號，其本質思想為將數據采樣和數據壓縮統一起來，在前端對數據進行壓縮采樣，在后端利用原始數據的稀疏性先驗知識，采用一個數學優化算法將原始信號重構出來。為此，本文在光譜輻射計前端搭建壓縮感知采集系統，完成場景的空間信息和光譜信息的同時采集，然后利用壓縮感知理論完成數據的重構，一方面通過軟件仿真驗證了該方法的正確性，另一方面通過實際測試驗證了該系統能夠完成實際場景的光譜成像。

1 場景的壓縮采樣及光譜重構研究

壓縮感知光譜成像技術是將壓縮感知理論應用于成像領域，通過二維編碼模板獲取光譜圖像的壓縮數據，并利用壓縮感知理論進行圖譜復原，其過程如圖1所示。

3 結論

本文提出基于壓縮感知的光譜成像方法，在獲取場景的光譜分布信息的同時可以獲取場景的空間分布信息。經仿真驗證和實驗驗證，均表明該方法原理正確，實際可行，可實現非成像型光譜儀基于壓縮感知的計算光譜成像，拓展了光譜儀的應用范圍及領域。

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