均匀背景中的动态小目标光谱数据获取方法研究

光谱是一种可以表征物质特性的光学信息,利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像,成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体,相应系统的时间分辨率比较低,不适用于动态目标的光谱获取。快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势,其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术,在采样过程中完成数据压缩,具有高通量优势,可以利用单次曝光的混叠数据,重构出目标光谱数据立方体,实现快照式成像,使得对动态的目标进行监测成为可能。实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设,实际目标很难满足这样的条件,重构误差比较大,不利于对动态的小目标进行监测和识别。针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取,提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法,系统由两个通道组成,每个通道均包含一个光谱仪,其色散方向互相垂直,并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。由于两个通道的色散方向互相垂直,可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。假设目标出现在视场中前后,背景的辐射特性变化很小,利用目标出现前的数据计算出背景光谱;目标出现后,通过帧间差分运算,消除背景辐射的影响,提取出目标位置对应色散区域中数据,利用约束最小二乘算法,重构运动小目标的光谱数据立方体。进行光谱数据重构,进行背景光谱补偿后,获得完整的动态小目标光谱数据。文章对成像过程建立了数学模型,并对重构方法进行了仿真验证,结合编码孔径的统计特征,使目标随机出现在不同的位置,统计重构光谱的峰值信噪比概率分布,并调整目标尺寸,分析目标尺寸对重构精度的影响,最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。结果表明,这种方法在均匀背景中,采用随机编码矩阵进行编码,目标尺寸小于5×5个像元时,相对于编码孔径成像系统,提高了目标的信息重构精度和概率,并且极大的减小了运算量,可以实现对运动目标的实时监测。     

压缩感知光谱成像技术的编码孔径与探测器匹配优化

编码孔径光谱成像仪在实际应用中存在着编码模板与探测器分辨率不匹配从而降低系统分辨率的问题。针对该问题进行了两种情况分析,并通过数学理论建模给出了相应的解决方案。对于编码模板分辨率高于探测器分辨率这一情况,提出引入邻域嵌入超分辨技术的方法,实现了基于压缩感知的超分辨光谱成像。对于编码模板分辨率低于探测器分辨率这一情况,提出区块阈值划分的编码孔径,将编码微元按照区块阈值重新划分并进行灰度分级,从而实现低分辨率编码模板的高分辨率编码孔径。利用梯度投影稀疏重构(GPSR)算法进行数据立方体重建,实验结果表明:运用基于超分辨理论的编码孔径快照光谱成像系统所测得的光谱图像更精准,内容更丰富;采用基于区块阈值划分的编码孔径的编码孔径快照光谱成像系统具有更高的空间分辨率和光谱分辨率。结果证实优化后的编码孔径快照光谱成像系统,其分辨率和成像质量大幅度提升,并实现了高分辨率元件的100%利用。     

推扫误差对计算光谱成像数据重构的影响分析

计算光谱成像技术利用计算方法改变传统成像方式,在光路中引入编码模板实现正变换,最后通过逆变换获得目标光谱数据立方体。介绍了一种推扫式编码孔径计算光谱成像仪的成像原理,在实际应用中,其推扫速度与帧频的匹配误差会影响光谱数据重构的准确性。在建立了推扫模型的基础上,得到了重构数据的误差项,分析了匹配误差对光谱数据重构的影响,并引入光谱二次导数误差和strehl比分别作为复原光谱和空间图像的评价参数,进行了数据仿真分析,结果表明,当一组完整数据的累积误差超过一个像元时,明暗变化剧烈的区域恢复结果比较差,而对比较均匀的区域影响不大;累计误差不超过0.5个像元时,各通道的strehl比均在0.9以上,并且光谱能量越低的通道strehl比越小,因此编码模板的行列数越多平台的稳定性要求越高。     

基于探测信号叠加的推扫式压缩多光谱关联成像

针对推扫模式下多光谱关联成像重构图像模糊、信噪比低问题,提出了一种利用探测信号叠加提高重构图像信噪比的多光谱关联成像方案.该方案基于稀疏约束关联成像光谱相机实验系统,通过单次曝光获得一帧探测信号,对前后帧连续探测信号进行错位叠加,计算出系统总探测矩阵,结合标定测量矩阵,采用压缩感知算法得到待测目标物体重构图像.数值模拟和实验结果表明:适当延迟曝光时间可以提高系统重构图像质量;相同曝光时间条件下,利用探测信号错位叠加的推扫10帧重构图像信噪比明显高于单帧多光谱重构图像.     

计算光谱成像技术的成像质量评价

计算光谱成像是一种新型的光谱成像技术,具有高通量、快照式成像等优点,但关于其成像质量评价的研究还很少。工作中探索了一种计算光谱成像系统成像质量的定量评价方法。该方法利用ISO 12233靶标作为目标源,进行成像、图谱信息重构,并通过测量重构图的调制传递函数(MTF)作为计算光谱成像系统的成像质量评价标准。结果表明,对于单帧采样,随着混叠谱段数的增加,重构图MTF迅速下降,当混叠波段的数目达到9个时,重构图MTF与目标场景图像相比已下降50%。该研究有助于理解计算光谱成像技术的优缺点,合理安排混叠谱段的数量,以精确地复原目标信息。     

编码孔径光谱成像仪光学简化彗差对图谱反演误差分析

编码孔径光谱成像技术是近年来发展起来的一种新型光谱成像技术, 该技术在一次像面采用特定的编码模板对目标进行编码, 结合特殊的采样成像方式, 获得满足景物重构的采样数据量, 实现了空间信息和光谱信息的高精度重构, 具有高光通量、高信噪比等优势.但该技术实际的光学系统设计, 以及相应加工和装调过程中各种误差的存在, 将逐一传递反映到探测器精度与编码后图谱采样精度的不匹配, 这会引发最终重构图谱质量降低.本文侧重分析研究光学系统设计和研制装调中光学彗差相对设计值间存在的偏差, 通过几何光线追迹与波前像差联合计算的方法, 在成像面仿真出不同数值程度的彗差矩阵, 并以此来分析不同彗差下对重构图像质量的影响结果.并用其分析结论作为依据, 改进了编码孔径光谱成像仪的设计和研制, 提供了相应图像成像反演结果, 由此确保了编码孔径光谱成像仪的成像优势.     

基于衍射理论的哈达玛编码光谱成像数据重构

哈达玛变换光谱成像技术是一种在不牺牲分辨率的情况下,通过多通道复用的方法增加光学系统光通量,使得系统信噪比显著高于传统成像的新型计算光谱成像技术.本文针对系统成像过程中数字微镜器件衍射造成的图像降质问题,建立了基于标量衍射理论的哈达玛编码光谱成像图谱数据退化模型,提出以Lucy-Richardson (L-R)算法为核心的重构数据修正算法,提高重构数据立方体的图像质量和光谱精度.通过对成像过程的模拟和重构算法的仿真实验,数字化生成了系统成像衍射降质的物理过程,并验证了本文所采用修正方法的有效性.经过L-R修正之后的复原数据立方体的光谱角距离评价结果为0.1296,图像相似度评价因子优于0.85,相比修正前的重构数据质量有较大提升,表明算法对哈达玛编码光谱成像数据的重构及修正具有较好的效果.     

编码孔径成像光谱仪光学放大率误差影响分析

编码孔径光谱成像技术是近年来发展起来的一种新型光谱成像技术,在一次像面采用特定的编码模板对目标进行编码,结合特殊的采样成像方式,获得满足景物重构的采样数据量,实现了空间信息和光谱信息的高精度重构,具有高光通量、高信噪比等优势。该技术在实现过程中,通常要求一次像面与最终探测器像面间满足既定的尺寸比例,但在实际的光学系统加工和装调过程中,由于加工和装调误差的存在,使得光学放大率与设计值间存在偏差,从而降低了编码图谱的采样精度,导致最终重构图谱质量降低。通过仿真不同光学放大率下编码模板的可逆范围及重构图像质量的分析,给出了图像质量与系统光学放大率之间的曲线关系,为编码孔径光谱成像仪的设计和研制提供了参考依据。     

单色散压缩编码光谱成像系统研究

随着光谱成像技术向高空间分辨率、高光谱分辨率、高信噪比方向发展, 传统的光谱成像系统面临着数据采集量过大的问题,同时,系统分辨率受探测器帧频与像元尺寸影响较大、大口径长焦距系统难于精密装调、系统能量受限引起信噪比提高困难。为了解决上述问题,研究了一种单色散压缩编码光谱成像系统, 并针对国内压缩编码光谱成像系统工程实现与试验验证不足的问题,重点研究了该新系统的设计与实现,模板平移下的系统数学模型及多帧重构算法,并给出实际样机试验及数据处理结果。最后,根据试验情况,总结提出该新技术后续发展需重点关注的研究内容,包括编码模板误差分析,多维稀疏重构模型与算法,压缩编码光谱成像系统标定技术,重构算法/重构图谱评价技术。单色散压缩编码光谱成像系统通过编码、色散、甚至下采样,由探测器接收得到成像观测图像,然后,利用该成像数据,通过重构算法,得到目标光谱图像数据,其优点是低数据量采样、工程实现硬件要求减低、多通道高通量探测。相关研究结果表明,该系统获取的数据有效,样机设计合理,重构算法与标定方法较为准确,其得到的字母HSI目标光谱图像的空间信息清晰,光谱信息较为准确,符合钨灯光谱,其系统设计与实现具有工程可行性。     

一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术

为了改善光学成像中的成像质量和效率,提出一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术.通过物镜、编码板、色散元件、准直镜、聚焦镜、探测器等组成前端成像系统,然后,利用稀疏重构算法在后端处理器上重构光谱数据,从而将成像运算量从前端转移到后端.同时,引入块重构、错位预处理、多帧重构技术,提高重构的准确度,减小后端处理内存,降低计算复杂度.通过仿真实验对原始数据和重构数据的光谱曲线、信噪比、光谱误差、分类识别效果等指标进行对比分析,结果表明,利用本文压缩传感技术可以实现超分辨光学三维成像,且成像质量较高,数据应用效果较好,可用于大幅宽、高分辨率、低功耗、动态目标的成像观测.     

Piecewise spectrally band-pass for compressive coded aperture spectral imaging

Coded aperture snapshot spectral imaging(CASSI) has been discussed in recent years. It has the remarkable advantages of high optical throughput, snapshot imaging, etc. The entire spatial-spectral data-cube can be reconstructed with just a single two-dimensional(2D) compressive sensing measurement. On the other hand, for less spectrally sparse scenes,the insufficiency of sparse sampling and aliasing in spatial-spectral images reduce the accuracy of reconstructed threedimensional(3D) spectral cube. To solve this problem, this paper extends the improved CASSI. A band-pass filter array is mounted on the coded mask, and then the first image plane is divided into some continuous spectral sub-band areas. The entire 3D spectral cube could be captured by the relative movement between the object and the instrument. The principle analysis and imaging simulation are presented. Compared with peak signal-to-noise ratio(PSNR) and the information entropy of the reconstructed images at different numbers of spectral sub-band areas, the reconstructed 3D spectral cube reveals an observable improvement in the reconstruction fidelity, with an increase in the number of the sub-bands and a simultaneous decrease in the number of spectral channels of each sub-band.     

菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达实验室验证

对菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达进行了实验室尺度条件下的原理验证实验。实验中利用不同曲率半径、垂直正交偏振的两个球面波通过二维(2D)扫描方式照明远距离处的目标,接收望远镜接收到的目标回波经过偏振分光镜分成两束作为信号光和本振光进入2×4 90°桥接器,桥接器输出的四路光信号被两个平衡探测器接收,平衡探测器输出电信号经模数转换后经过复数化、两维相位二次项匹配滤波算法处理后可以重构出目标图像。对4.3m处点目标和2D面目标进行了成像实验,取得了具有良好成像分辨率和对比度且带有散斑效应的预期成像结果,证明了该合成成像激光雷达概念的正确性。     

A 3D image encryption technique using computer-generated integral imaging and cellular automata transform

A novel three-dimensional (3D) image encryption approach by using the computer-generated integral imaging and cellular automata transform (CAT) is proposed, in which, the two-dimensional (2D) elemental image array (EIA) digitally recorded by light rays coming from the 3D image is mapped inversely through the virtual pinhole array according to the ray-tracing theory. Next, the encrypted image is generated by using the 2D CAT scrambling transform for the 2D EIA. The reconstructed process is carried out by using the modified computational integral-imaging reconstruction (CIIR) technique; the depth-dependent plane images are reconstructed on the output plane. The reconstructed 3D image quality of the proposed scheme can be greatly improved, because the proposed encryption scheme carries out in a computer which can avoid the light diffraction caused by optical device CIIR, and solves blur problem caused by CIIR by using the pixel-averaging algorithm. Furthermore, the CAT-based encryption algorithm is an error-free encryption method; CAT as an orthogonal transformation offers considerable simplicity in the calculation of the transform coefficient, that is, it can improve the quality of the reconstructed image by reducing energy loss compared with the traditional complicated transform process. To show the effectiveness of the proposed scheme, we perform computational experiments. Experimental results show that the proposed scheme outperforms conventional encryption methods.     

Three-dimensional polarimetric integral imaging

A three-dimensional (3D) polarimetric image sensing and display technique based on integral imaging is proposed. Three-dimensional polarization distribution of reflected light from a 3D object can be measured as elemental image arrays by a rotating linear polarizer. After the measurement of the polarization of the 3D object, the 3D polarimetric object can be reconstructed optically by displaying the polarization-selected elemental images in spatial light modulators with two quarter-wave plates. Experimental demonstration of 3D polarimetric imaging of a 3D object attached to two orthogonal linear polarizers is presented. To the best of our knowledge, this is the first report on 3D polarimetric sensing imaging and 3D optical reconstruction by integral imaging.     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法.仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息.某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上.平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息.根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°.利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原.针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法.为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间.对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作.复原光谱分辨率为194 cm-1,优于设计指标(250 cm-1).     

基于邻域分割的空谱联合稀疏表示高光谱图像分类技术研究

传统的高光谱遥感影像分类算法侧重于光谱信息的应用。随着高光谱遥感影像的空间分辨率的增加,高光谱影像中相同类别的地物在空间分布上呈现聚类特性,将空间特性有效地应用于高光谱遥感影像分类算法对分类精度的提升非常关键。但是,高光谱影像的高分辨率提供空间聚类特性的同时,在不同地物边缘处表现出的差异性更加明显,若不对空间邻域像素进行甄选,直接将邻域光谱信息引入,设计空谱联合稀疏表示进行图像分割,则分类误差较大,收敛速度大大降低。将光谱角引入空谱联合稀疏表示图像分类理论中,提出了一种基于邻域分割的空谱联合稀疏表示分类算法。该算法利用光谱角计算相邻像素的空间相似度,剥离相似度较低的邻域像素,将相似度高的邻域像素定义为同类地物,引入空谱联合稀疏表示模型中,采用子联合空间追踪算子和联合正交匹配追踪算子对其优化求解,以最小重构误差为准则进行分类。选取AVIRIS及ROSIS典型光谱影像数据进行实验仿真,从中可以看出,随着光谱角分割阈值的提高,复杂的高光谱影像分类精度和平滑区域的高光谱影像分类精度均逐步提高,表明邻域分割在空谱联合稀疏表示分类中的必要性。     

Compressive optical image watermarking using joint Fresnel transform correlator architecture

A new optical image watermarking technique based on compressive sensing using joint Fresnel transform correlator architecture has been presented. A secret scene or image is first embedded into a host image to perform optical image watermarking by use of joint Fresnel transform correlator architecture. Then, the watermarked image is compressed to much smaller signal data using single-pixel compressive holographic imaging in optical domain. At the received terminal, the watermarked image is reconstructed well via compressive sensing theory and a specified holographic reconstruction algorithm. The preliminary numerical simulations show that it is effective and suitable for optical image security transmission in the coming absolutely optical network for the reason of the completely optical implementation and largely decreased holograms data volume.     

光学相干层析成像的图像重建

层析成像技术－光学相干层析术是基于光学低相干反射测量发展而来的。介绍了用图像恢复的基本原理在光学相干层析术图像增强方面的工作。通过实验测量行到了解卷积所必需的点扩展函数。重建后的膜层结构图像的深度分辨率提高了一个数量级,图像也取得了了的锐化、去噪的效果。     

光学三维成像实验系统

建立光学投影层析三维成像系统,该系统包括光学成像、图像采集、断层重建及三维显示,重建算法为滤波反投影算法.实验结果表明:利用该系统得到的重建图像与样品的形状吻合,重建结果边缘清晰,伪迹较小.     

新型双通道差分偏振干涉成像系统

针对Wollaston棱镜和Savart偏光镜(SP)组合的差分成像光谱系统存在光线溢出和无法改变系统光程等问题,设计了一种新型双通道差分偏振干涉成像系统.此系统不仅可获取正交偏振图像,还可以通过调整Savart偏光镜的厚度来改变系统光程.介绍了该系统的结构、理论原理,并利用琼斯矩阵推导出四束偏振光线的复振幅及其相干光干涉强度表达式.分析了宽视场Savart偏光镜(WSP)和可调光程的Savart偏光镜(MSP)的分束特性,得出WSP相较于SP具有更好的剪切能力和WSP可优化系统光路的结论.获得了不同楔形结构角下MSP的光程差、横向剪切量随楔形移动量的变化曲线.通过实验验证,获取了不同剪切量下的干涉图像和复色光下平行、垂直分量的空间图像,进而获得了总的强度图像和差分强度图像.得出差分强度图像相较于偏振强度图像具有较高对比度的结论.研究结果对双通道成像光谱系统的性能优化具有一定的参考意义.