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高光譜壓縮成像方法研究
閱讀：478 發布時間：2023-5-25
高光譜遙感成像技術集光譜與成像為一體，同時獲取目標物體的空間信息和光譜信息，具有較強的地物分類和識別能力，研究人員可以利用地物光譜特征來進行定性或定量分析，因此在航空航天遙感、國土資源調查、環境監測等領域有著廣泛應用前景。
基于壓縮感知理論設計的高光譜壓縮成像技術為研制具有高分辨率的高光譜成像儀提供了新的思路，能保證同時提升光譜分辨率和空間分辨率，在資源受限的遙感平臺(星載/機載)有廣泛應用前景。
1、高光譜壓縮采樣實現
隨著壓縮感知在各種應用領域研究的開展，高光譜壓縮感知研究也開始受到重視，如美國杜克大學、哈佛大學以及國內的中科院遙感所、中國科技大學等高等院校和研究機構都開展了這方面的研究工作，近幾年國內外每年都有較多關于高光譜壓縮成像研究的文章在遙感和圖像處理領域的學術期刊和國際會議上發表，該領域的研究雖然起步相對較晚，但是近幾年來卻相當活躍，一個主要研究方向就是高光譜壓縮感知的采樣實現。
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計，除了能獲得更高的分辨率外，在數據采集的同時也達到了數據壓縮的效果，因此該研究受到眾多學者的關注，相關的研究成果多，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：一類是可實現空間和譜間聯合壓縮采樣的編碼孔徑光譜成像儀，將傳統的色散型光譜成像技術中的狹縫更換為特殊形式的二維編碼模板，該成像系統對高光譜圖像的空間信息進行編碼，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的高光譜壓縮感知成像儀，實現了同時對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空間范圍內的信息，而實際的高光譜遙感成像通常都是利用遙感平臺(機載或星載)的固有運動，采用基于行的推掃或基于點的擺掃方式來逐步獲取圖像在整個空間范圍內的信息。
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，它建立在一次對單個空間位置(像元)采樣的基礎上，逐點實現整個空間的成像。擺掃式高光譜壓縮成像方案的設計，先是光譜維向量單個壓縮采樣值的光學實現，再研究如何用并行方式來實現在一次曝光時間內獲取多個壓縮采樣值，最后得到完整的擺掃式壓縮方案。
參考上面的設計原理，高光譜擺掃型壓縮成像方式先對單個像元進行光譜維向量的壓縮采樣，再通過擺掃運動依次掃描獲取其他空間像元的壓縮采樣值。獲取單個像元壓縮采樣值，輸入光信號對應單個空間點(像元)的光斑，通過色散元件(如衍射元件光柵)轉換成多個不同波長的光譜線，形成線狀光譜。
然后經過一維編碼孔徑對線狀光譜實現空間編碼，實現壓縮采樣。光電探測元件探測到會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)式成像是傳統高光譜成像儀經常采用的方式，典型代表如中科院上海技術物理所的PHI系統。推掃式成像每次采集數據均對應為一維空間信息，即一次對地面空間成像行(行像元)進行采集。推掃式高光譜壓縮成像方案研究，先是如何實現地面行中所有像元光譜維信息的壓縮采樣，再設計完整的推掃式壓縮方案。推掃式壓縮成像技術在信號采集時，對地面成像行中每個像元光譜維信息進行隨機壓縮采樣，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應的光線能進入成像系統的準直系統前焦平面上進行準直，然后再采用棱鏡做色散分光處理。各波段單色光通過會聚鏡后可平行入射到數字微鏡器件，由可編程控制的DMD各微鏡通過偏轉實現壓縮采樣，再經過柱面透鏡被線探測器獲取壓縮采樣值。
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