基于压缩感知的编码孔径光谱成像技术研究

doi:3387DB65FC0F3FA36B9618390F0F9662

	基于压缩感知的编码孔径光谱成像技术研究
	刘铭鑫
学位类型	博士
导师	张新
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	光谱成像压缩感知编码孔径复原算法优化设计
摘要	光谱成像技术将成像技术与光谱技术相结合,能够在获得目标场景的空间信息的同时获得目标场景的光谱信息。因此,光谱成像技术在各个领域上有着广泛的应用。随着科学的发展,技术的进步,各领域对光谱成像技术的指标要求越来越高,高空间、光谱分辨率、高光学利用率、高信噪比以及高效率的存储和传输等要求为光谱成像技术提出了新挑战与发展方向。在目前的光谱成像技术应用中,获取目标信息主要采用推扫、摆扫或者干涉方式。但由于其自身原理性限制,某一项性能指标的提升必然会带来另一项指标的下降。传统的光谱成像技术基于香农采样理论的采样方法对采样频率有着较高的要求,为获取更高的成像质量,势必提高采样频率,从而导致系统更加复杂,技术要求更高;另外,提升分辨率对光电探测器件有着更高的要求。因此,研究新的光谱成像机理和新的采样理论对光谱成像技术的进一步应用具有重要意义。近年来,计算成像作为现代光学的一个分支,由于其光机电一体化的设计优势,受到人们广泛的关注。计算光谱成像技术作为计算成像的一个范畴,采用不同于奈奎斯特采样理论的压缩感知采样理论,通过较少的测量结果就能复原出完整的空间信息和光谱信息,成为光谱成像技术的重要发展方向之一。其中,最具发展潜力的编码孔径光谱成像技术,受到光谱成像技术研究人员的重点关注。编码孔径光谱成像技术具备快照成像、高光通量、高信噪比以及低采样频率的优点。编码孔径作为该技术的关键元件之一,若想实现应用,需要更多的优化和改进。本文针对编码孔径,首先分析了编码孔径的分辨率问题;随后优化编码孔径,配合新的算法完成直接对压缩测量结果进行光谱解混;最后构建新的编码孔径模式,完成系统分析和实验。本文主要研究内容包括以下几个方面:1.深入研究光谱成像技术,对光谱成像的基本理论进行研究。针对计算光谱成像技术进行研究和讨论。完成压缩感知采样理论的系统研究。对编码孔径光谱成像技术进行研究,完成数学模型推导和关键元件分析。2.详细分析编码孔径光谱成像仪在实际应用中遇到的问题,通过建立编码孔径快照光谱成像系统(CASSI)的数学模型,分析了编码模板与探测器分辨率不匹配等因素会对系统分辨率的影响。针对编码模板分辨率高于探测器分辨率这一情况,提出将超分辨技术引入CASSI系统,实现了基于压缩感知的超分辨光谱成像;针对编码模板分辨率低于探测器分辨率这一情况,提出具有灰度分级的编码孔径,实现高分辨率的编码模式,从而保证了编码孔径光谱成像仪的分辨率。随后通过搭建实验,验证了所提方法的可行性。3.针对编码孔径快照光谱成像仪的光谱解混复杂、速度慢等问题,通过稀疏表示和对端元丰度的稀疏估计,打破传统先重建数据立方体再进行光谱解混的流程,提出直接在获得的测量结果上进行光谱解混的算法。利用设计的优化编码孔径的开展实验。结果表明采用优化后的编码孔径及新的解混算法,光谱解混速度快,精度高。4.对编码孔径快照光谱成像仪结构进行优化,利用彩色光学滤波器阵列代替编码孔径,并将其与探测器组合,基于此提出了一种快照式彩色压缩光谱成像系统。对该系统进行了数学建模和重构算法设计。计算机模拟实验表明该技术相比传统编码孔径光谱成像系统具有更高的复原精度。
页数	139
DOI	3387DB65FC0F3FA36B9618390F0F9662
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63826
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	刘铭鑫. 基于压缩感知的编码孔径光谱成像技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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基于压缩感知的编码孔径光谱成像技术研究.（5959KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文