基于强度调制的编码孔径光谱偏振成像测量技术研究

发布时间：2020-04-29 20:53

【摘要】：光谱偏振成像技术是一种集目标空间二维图像、光谱、偏振于一体的新型信息获取和应用技术,该技术在光谱成像技术的基础上,增加待测目标的偏振特性测量,多维信息的有效获取使其在目标识别探测方面有着显著优势,可广泛应用于军事探测、医疗检测和大气环境监测等领域。针对现有的光谱偏振成像测量技术存在不同程度的扫描及信息丢失椎体问题,论文提出强度调制技术和编码孔径光谱成像技术相结合的新型光谱偏振成像测量方法,实现在单次测量条件下获取图像的光谱偏振信息。本论文将主要从以下几个方面来进行阐述研究。首先,以编码孔径光谱成像技术的核心压缩感知理论出发,详细研究了压缩感知的三个基本问题:稀疏表示、测量矩阵的选取和信号重构。深入分析了编码孔径光谱成像系统的工作原理及性能,为进一步研究光谱偏振成像测量提供了坚实的理论基础。其次,提出了基于强度调制的编码孔径光谱偏振成像测量新的技术,在分析了光的偏振特性及其表示方法的基础上,利用Stokes矢量表示法对强度调制原理进行推导分析,分别选用一个消色差1/4波片和一个多级相位延迟器或者两个多级相位延迟器作为强度调制模块核心,设计了两套光谱偏振成像测量系统,可分别实现斯托克斯参量S=[S_0、S_1、S_2、S_3]中前三参量及全部四参量的测量。对两套系统的偏振光谱调制及调制光谱数据立方体压缩编码全过程进行建模,并对偏振光谱图像重建进行理论分析,选用两步迭代收缩阈值算法重构光谱数据立方体,并对重构调制光谱进行解调实现原Stokes参量的复原。最后,利用MATLAB开展了基于强度调制的编码孔径光谱偏振成像测量技术的算法模拟仿真,包括偏振调制过程,光谱图像编码压缩过程,数据立方体的重构过程及偏振光谱解调过程。得出的仿真结果表明:该偏振光谱成像测量技术具有高效获取空间、光谱、偏振四维信息的能力,有效地验证了编码孔径光谱偏振成像测量技术的可行性,为进一步搭建实验系统提供理论依据。
【图文】：

成像数据,光谱,立方体,偏振光谱

图 1.1 光谱偏振成像数据立方体.2 光谱偏振成像技术国内外研究现状光谱偏振成像技术经过 20 多年的技术发展，国外学者已经研制出多种 SPI 成像系国内对其该技术的研究起步较晚，目前也逐步从理论技术研究过渡到实际应用阶段。1992 年，美国国家航空航天局(NASA)研制出偏振光谱成像仪[36]，该 SPI 系统首次共线声光可调滤光器(Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF)与 CCD 联合使用，并安装文望远镜进行天文观测，实现相互正交的光谱图像同时获取，该偏振光谱成像仪仅地表对目标进行观测。1996 年，法国空间局研制出大视场偏振光谱成像仪器 POLDER(Polarization andectionality of the Earth Reflectance)[37-39]，其利用旋转滤光片选取不同波长的光谱，通偏振片控制偏振方向，，进而获取光谱偏振信息。PILDER 还有一显著优势是其通过

感知过程,测量矩阵

图 2.2 压缩感知过程2.1.1 压缩感知数学模型压缩感知是通过原始信号在测量矩阵下投影降维，因此可以利用测量矩阵将此过程表示为一般的线性泛函问题。设一维长度为 N 的离散信号 x，(即 N×1 列向量)，并且该信号是 K 度稀疏，即 x 中有 K 个非零值，测量矩阵为Φ，大小为 M×N，则测量信号可用下式表示：y x(2.1)由上一节已知，自然信号 x 一般不是稀疏信号，因此我们先对信号进行稀疏化，这里令正交基矩阵为Ψ，大小为 N×N，则x s(2.2)式中，s 表示稀疏变换后的系数。将式(2.2)代入(2.1)，可以得到压缩感知过程的完整数学式为：
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O436.3

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