一种基于压缩感知的光谱超分辨单像素成像方法

1.本发明涉及超分辨成像领域，特别涉及一种基于压缩感知的光谱超分辨成像方法。


背景技术：

2.在光学领域中，成像分辨率由于受到瑞利衍射极限的限制，不能在远处区域分辨小于半波长的两个点，也无法得到半波长以下大小的聚焦光斑，大约在200nm的量级。而在实际应用中，成像分辨率还受到光学系统和探测系统的噪声和带宽的影响和限制，实际空间分辨率更低。随着纳米技术、医学成像技术等的显著发展，希望获得更高的空间分辨率的要求也变得更为突出。如何克服衍射限制超越传统光学系统的分辨极限，突破光学显微镜、遥感成像和天文探测等领域的性能瓶颈，实现亚波长的超分辨成像，提高成像系统分辨率的超分辨技术目前已成为所有成像科学领域都在进行的科学研究，是成像科学领域和现代光学高新技术领域重要的研究方向,也是光学界长期追求的目标。
3.近十多年新兴的单像素成像技术是超分辨成像的重要候选者之一，它既可以像传统透镜成像系统那样实现有透镜成像，也可以实现无透镜成像。虽然单像素成像技术在相同的条件下比传统成像具有更高的成像分辨率，但是依然受制于成像系统的衍射极限，同时单像素成像技术的成像分辨率与对比度是相互制约的关系，通常情况下，高分辨率的成像会导致对比度很低，这是单像素成像技术的不足之处。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是将光谱分辨率和小波多分辨率分解融合算法系统应用于超分辨成像领域，突破瑞利衍射极限，从而提供一种基于压缩感知的光谱超分辨成像方法。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
6.一种基于压缩感知的光谱超分辨单像素成像系统，其特征在于：包括宽谱光源(1)，由宽谱光源(1)射出方向，依次设有目标(3)、成像透镜(4)、空间光调制器件(5)、汇聚透镜(6)、光谱仪(11)；所述的空间光调制器件(5)上的hadamard散斑与光谱仪 (11)中处理后的信号传输至计算机(10)中进行关联计算成像。
7.所述的宽谱光源(1)为太阳光、宽谱激光、白炽灯光源、led光源、卤素灯光源、红外或紫外光源。
8.所述的目标(3)为相邻两条颜色不同的单缝或是其他彩色物体。
9.所述的成像透镜(4)为凸透镜、凹面镜、望远镜、显微镜或相机镜头。
10.所述的空间光调制器件(5)为反射式数字微镜阵列dmd或液晶空间光调制器slm。
11.所述的单点探测器(7)为高灵敏度的光电偏压探测器或桶探测器。
12.所述的光谱仪(11)为棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪或干涉光谱仪，并且内置有阵列探测器。
13.所述的光谱仪(11)采用单点探测器(7)、光电二极管放大器(8)及采集卡(9)替代，
所述的宽谱光源(1)与目标(3)之间设有分光器(2)。
14.所述的空间光调制器件(5)反射发出的光信号由汇聚透镜(6)聚集到单点探测器 (7)内，光电二极管放大器(8)将模拟信号去噪并放大，再由数据采集卡(9)完成模数转换和数字信号采集。
15.所述的分光器件(2)为干涉滤光片、单色仪、原子滤波器或光纤滤波器。
16.本发明创造的有益效果是：
17.1.本发明具有打破衍射极限的超分辨成像能力，可将分辨率提到传统成像的多倍；
18.2.本发明继承了传统成像技术的全部优势，可以用于升级相干光源以及基于计算机调制的空间调制光束的压缩感知关联成像技术来提高关联成像系统的分辨率及成像对比度和信噪比；
19.3.本发明结构简单，易于操作，不增加单像素成像系统的复杂程度和数据处理复杂度，仅在传统单像素成像系统基础上增加分光器件或者增加光谱仪，利用计算软件对数据进行数字化技术处理即可；
20.4.本发明对光强的不稳定性不敏感，具有抵抗大气扰动、湍流等影响恶劣天气影响的能力，能够实现超分辨成像。
附图说明
21.图1是实施例1的原理框图。
22.图2是实施例2的原理框图。
23.图3是本发明基于压缩感知的光谱超分辨单像素成像系统方案一的分辨率结果对比图。
24.图中：1、宽谱光源；2、分光器件；3、目标；4、成像透镜；5、空间光调制器件；6、汇聚透镜；7、单点探测器；8、光电二极管放大器；9、采集卡；10、计算机；11、光谱仪。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体的实施例对本发明系统与方法进行详细描述，以对本发明方法进一步了解其目的、方案及效果。
26.实施例1：
27.由宽谱光源(1)射出方向，依次设有分光器件(2)、目标物体(3)、成像透镜(4)、空间光调制器件(5)、汇聚透镜(6)、单点探测器(7)、光电二极管放大器 (8)、数据采集卡(9)、计算机(10)。宽谱光源(1)发射出的光束经由分光器件(2) 照射到目标物体(3)上，被物体透过或者反射散射的光打在的成像透镜(4)上，成像在空间光调制器件(5)上；经空间光调制器件(5)反射发出的光信号由汇聚透镜(6)聚集到单点探测器(7)内，光电二极管放大器(8)将模拟信号去噪并放大，再由数据采集卡 (9)完成模数转换和数字信号采集，最终在计算机(10)将加载到空间光调制器件上的 hadamard散斑与采集到的数字信号进行关联计算成像。
28.所述的宽谱光源(1)为太阳光、宽谱激光、白炽灯光源、led光源、卤素灯光源、红外或紫外光源。所述的分光器件(2)为干涉滤光片、单色仪、原子滤波器或光纤滤波器。所述的
目标物体(3)为相邻两条颜色不同的单缝或是其他彩色物体。所述的成像透镜(4) 为凸透镜、凹面镜、望远镜、显微镜或相机镜头。所述的空间光调制器件(5)为反射式高分辨率、高对比度、高响应度的数字微镜阵列dmd或液晶空间光调制器slm。所述的汇聚透镜6为凸透镜、凹面镜、望远镜、显微镜或相机镜头。所述的单点探测器(7)用于收集反射物光的强度信息，可以为高灵敏度的光电偏压探测器，如硅光电探测器、pin光电探测器；也可以为桶探测器，如ccd、emccd、cmos、iccd、ingaas。所述的光电二极管放大器 (8)为以超低噪声放大很小光电二极管电流的跨阻放大器，放大倍数高达108并且可以实现光电二极管暗电流的偏移补偿。所述的采集卡(9)为高速模数转换数据采集卡(9)，采集由单点探测器(7)捕获到的光强信息。所述的计算机(10)分别与空间光调制器件(5) 和数据采集卡(9)相连接，用于控制空间光调制器件(5)加载的基底图案，并对数据采集卡(9)采集的测量数据进行处理、存储和显示。计算机(10)应用小波多分辨分解融合算法系统，使用matlab运算程序，对图像进行小波变换，对各分解层分别进行融合处理，得到融合后的小波金字塔，最后对小波金字塔进行小波重构得到融合图。上述系统经过数次重复实验操作得到不同波长的重构图。
29.图1是根据本发明一个实施例基于压缩感知的光谱超分辨单像素成像方法的示意性结构布置图。成像系统基本构成包括宽谱光源:led、分光器件:滤光片、目标物体：彩色双缝、焦距为150mm的成像透镜、空间光调制器件：数字微镜阵列、焦距为100mm的汇聚透镜、单点探测器：硅探测器、光电二极管放大器、采集卡。
30.实验步骤为：
31.1)宽谱光源发射出的光束经由分光器件照射到目标物体上，反射散射光通过成像透镜后成像到加载了基底图案的空间光调制器件上；
32.2)经空间光调制器件反射后由单点探测器完成强度收集，光电二极管放大器对强度信号进行放大并去噪，最后由采集卡对放大后的信号进行模数转换并采集；
33.3)在计算机端利用matlab运算程序，应用压缩感知关联算法分别对经过分光器件的数个不同光谱波长信号和基底图案进行图像重构，经过数次实验分别能够得到数个相应光谱波长的重构图；
34.4)应用小波多分辨分解融合算法系统，利用matlab运算程序，对数个相应光谱波长的重构图进行小波变换，对各分解层分别进行融合处理，得到融合后的小波金字塔，最后对小波金字塔进行小波重构得到目标物体的重构图；
35.其中，根据实际空间光调制器件的分辨率大小1024
×
768，预先将hadamard散斑进行放大并加载到空间光调制器件上。利用空间光调制器件翻转的可调制性，控制空间光调制器件翻转的速度，实现每翻转一次，采集卡可采集到相应的大量有效数据，我们取平均值确保了数据的稳定性。然后，在计算机端将采集到的平均数据与hadamard散斑矩阵一一对应，利用压缩感知关联算法即可重现目标的像。
36.这里我们引入压缩感知算法tval3(基于全变分正则化的重建算法)，成像过程就变成通过了以下规划问题来解决对目标图像的重构：
37.t
cs
＝t
[0038][0039]
yi＝∫dxdydx0dy0ai(x,y)
×
t(x0,y0),i＝1,2,
…
,n
[0040]
式中，t为待成像物体的透射函数，a为hadamard矩阵，i为采样数。
[0041]
然后，在相同条件下在成像系统中依次更换中心波长cwl为532.0nm和650.8nm的干涉滤光片，利用不同光谱分别重构出目标物体每一条缝的灰度图。应用小波多分辨分解融合算法系统，也就是对图像的低频和高频分别做特别的处理封装，得到融合后的重构图。从图3 的分辨率曲线中可以明显看出，融合后的重构图fusion分辨率明显要比相同条件下单像素成像的重构图single好很多。由于实验中的宽谱光源在532nm波段的相对光谱强度远强于 650.8nm波段，所以会造成在传统单像素成像条件下的重构图single第一个峰值532nm会更高。
[0042]
实施例2：
[0043]
方案二中由宽谱光源(1)射出方向，依次设有目标物体(3)、成像透镜(4)、空间光调制器件(5)、汇聚透镜(6)、光谱仪(11)、计算机(10)。所述的宽谱光源(1) 发射出的光束照射到目标物体(3)上，被物体透过或者反射散射的光打在的成像透镜(4) 上，成像在空间光调制器件(5)上；经空间光调制器件(5)反射发出的光信号由汇聚透镜 (6)聚集到光谱仪(11)内，利用光谱仪的阵列探测器，一次实验得到多个光谱波长的单像素探测信号，最终在计算机(10)将加载到空间光调制器件上的hadamard散斑与采集到的数字信号进行关联计算成像。
[0044]
所述的光谱仪(11)为棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪或干涉光谱仪等，并且内置有阵列探测器。
[0045]
实验步骤为：
[0046]
1)宽谱光源发射出的光束照射到目标物体上，反射散射光通过成像透镜后成像到加载了基底图案的空间光调制器件上；
[0047]
2)经空间光调制器件反射后通过成像透镜，在像距的位置接入光谱仪。利用光谱仪的阵列探测器，一次实验得到多个光谱波长的单像素探测信号；
[0048]
3)在计算机端利用matlab运算程序，应用压缩感知关联算法对采集到的信号和基底图案进行图像重构，经一次实验便能得到数个相应光谱波长的重构图；
[0049]
4)应用小波多分辨分解融合算法系统，利用matlab运算程序，对数个相应光谱波长的重构图进行小波变换，对各分解层分别进行融合处理，得到融合后的小波金字塔，最后对小波金字塔进行小波重构得到目标物体的重构图。
[0050]
相比实施例1，实施例2中方法更简单，但需要使用光谱仪(11)。在实验设备受限，没有光谱仪(11)的情况下可以选择实施例1的系统和方法进行实验。