一种超构透镜高光谱成像方法

本发明涉及高光谱成像，具体提供一种超构透镜高光谱成像方法。

背景技术：

1、高光谱成像（hyperspectral imaging，hsi）是一种强大的技术，应用于农业、环境监测、监视和医学成像等各个领域。现有的高光谱成像技术有推扫式成像、挥扫成像、快照成像、可调谐滤光片成像和干涉成像五种原理。

2、在推扫式成像中，传感器随着平台（例如飞机或卫星）移动进而连续逐行扫描场景，每条线对应不同的波长，捕获高光谱数据集。因不同的材料在不同的波长下反射、吸收或发射不同的光，从而可以识别和表征场景中的材料。但推扫式成像结构复杂，需要传感器和平台运动之间的精确同步，容易出现运动模糊和失真，且空间分辨率较差。挥扫成像的操作方式与推扫式成像类似，但挥扫成像一次只捕获一条空间线，而不是连续扫描整个场景，其通过扫描镜或棱镜将光重定向到不同的光谱带。与推扫式成像类似，挥扫成像结构复杂，需要精确的同步，并且容易受到运动相关问题的影响，且在空间分辨率和光谱范围方面存在限制。快照成像通过专门的光学器件或光谱滤波器，可实现同时捕获所有光谱带，这些器件将入射光分离成其组成波长，然后由探测器阵列捕获。快照成像的光学器件和探测器阵列的复杂性会使快照系统变得昂贵，且空间分辨率和光谱范围较差。可调谐滤光片成像的成像系统使用可调谐滤光片选择性地过滤不同波长的光，通过过滤一系列波长，可以捕获高光谱数据，可以基于液晶可调谐滤波器或声光可调谐滤波器等技术。与其他技术相比，可调谐滤光片成像的光谱范围和分辨率有限，且由于可调谐滤波器响应速度慢，无法在动态场景中的使用。干涉成像通常使用法布里－佩罗干涉仪或迈克尔逊干涉仪等干涉仪，可实现将入射光分离为其组成波长。但结构复杂，导致其光学装置难以对准和校准，且光谱分辨率和灵敏度有限。

3、鉴于现有技术的缺点，有必要提出结构更为简单、空间分辨率和光谱分辨率更高的高光谱成像方法。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种超构透镜高光谱成像方法，该方法利用了超构透镜自身的色散性质，通过相机在不同的理想焦距位置拍摄图像并建立目标函数来求解理想的高光谱图像，整体结构简单，且提高了空间分辨率和光谱分辨率。

2、本发明提供的超构透镜高光谱成像方法，包括：

3、s1：在超构透镜的个波段对应的理想焦距位置处通过相机采集幅超构透镜所成的图像；并记录每幅图像对应的调焦位置；

4、s2：通过微型光谱仪获得个波段对应的光谱分量分别占光谱总能量的比例；

5、s3：依据超构透镜的成像原理，建立求解理想高光谱图像的目标函数：

6、；

7、其中，表示超构透镜的个波段中的任意一个波段的标号，表示波段对应的点扩散函数所构造的卷积矩阵，表示在调焦位置处拍摄的图像中的任意一幅，表示与图像对应的待求解的理想的高光谱图像，表示经过超构透镜散射的散射光光强，表示阈值，表示惩罚函数；

8、s4：依据图像、调焦位置和光谱分量分别占光谱总能量的比例求解目标函数，获得理想高光谱图像。

9、优选的，将相机设置在调焦平台上，调焦平台可带动相机运动。

10、优选的，图像的采集方法为：

11、通过调焦平台，带动相机由超构透镜成像最长波段对应的理想焦距位置逐步移动到超构透镜成像最短波段对应的理想焦距位置，每到达任意一个理想焦距位置，均通过相机采集一幅超构透镜所成的图像，获得图像。

12、优选的，惩罚函数为岭回归惩罚函数：。

13、优选的，经过超构透镜散射的散射光光强的计算方法为：

14、；

15、其中，表示超构透镜的衍射效率。

16、优选的，超构透镜成像原理表达式为：

17、；

18、其中，表示独立同分布的0均值的高斯噪声向量。

19、优选的，相机与超构透镜之间信号始终同步。

20、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

21、本发明所提供的超构透镜高光谱成像方法利用了超构透镜自身的色散性质，通过相机在不同的理想焦距位置拍摄图像并建立目标函数来求解理想的高光谱图像，从结构上看，仅需要调焦平台、可跟随调焦平台移动的相机和微型光谱仪，整体结构简单，布局难度低，成本低，无复杂结构可使整体系统应用场景不受限制，更加灵活；将相机与超构透镜之间信号始终保持同步，可确保相机响应及时准确，提高了相机采集图像的效率，降低了图像数据冗余的可能性；依据目标函数，通过计算获取理想高光谱图像，提高了空间分辨率和光谱分辨率。

技术特征：

1.一种超构透镜高光谱成像方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的超构透镜高光谱成像方法，其特征在于，将所述相机设置在调焦平台上，所述调焦平台可带动所述相机运动。

3.如权利要求2所述的超构透镜高光谱成像方法，其特征在于，所述图像的采集方法为：

4.如权利要求1所述的超构透镜高光谱成像方法，其特征在于，所述惩罚函数为岭回归惩罚函数：。

5.如权利要求1所述的超构透镜高光谱成像方法，其特征在于，所述经过超构透镜散射的散射光光强的计算方法为：

6.如权利要求1所述的超构透镜高光谱成像方法，其特征在于，所述超构透镜成像原理表达式为：

7.如权利要求1所述的超构透镜高光谱成像方法，其特征在于，所述相机与所述超构透镜之间信号始终同步。

技术总结
本发明涉及高光谱成像技术领域，具体提供一种超构透镜高光谱成像方法，控制调焦平台带动相机，从成像最长波段所对应的理想焦距位置逐步移动到成像最短波段所对应的理想焦距位置，每移动至一个波段对应的理想焦距位置，控制相机进行拍摄，得到该理想焦距位置对应的超构镜所成的图像，记录该理想焦距位置，并控制微型光谱仪获取该波段的光谱分量，基于所获取的每个波段对应的理想焦距位、超构镜所成的图像和光谱分量，获取包含多个谱段信息的高光谱图像。本发明的成像方法不需要复杂的结构支撑，且提高了空间分辨率和光谱分辨率。

技术研发人员：王斌,李硕,吴元昊,董磊,刘帅,马鑫雪,李航
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5