高光譜遙感成像技術(shù)集光譜與成像為一體，同時(shí)獲取目標(biāo)物體的空間信息和光譜信息，具有極強(qiáng)的地物分類和識(shí)別能力，研究人員可以利用地物光譜特征來(lái)進(jìn)行定性或定量分析，因此在航空航天遙感、國(guó)土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。

基于壓縮感知理論設(shè)計(jì)的高光譜壓縮成像技術(shù)為研制具有高分辨率的高光譜成像儀提供了新的思路，能保證同時(shí)提升光譜分辨率和空間分辨率，在資源受限的遙感平臺(tái)(星載/機(jī)載)有廣泛應(yīng)用前景。

高光譜壓縮采樣實(shí)現(xiàn)

隨著壓縮感知在各種應(yīng)用領(lǐng)域研究的開(kāi)展，高光譜壓縮感知研究也開(kāi)始受到重視，如美國(guó)杜克大學(xué)、哈佛大學(xué)以及國(guó)內(nèi)的中科院遙感所、中國(guó)科技大學(xué)等高等院校和研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了這方面的研究工作，近幾年國(guó)內(nèi)外每年都有較多關(guān)于高光譜壓縮成像研究的文章在遙感和圖像處理領(lǐng)域的學(xué)術(shù)期刊和國(guó)際會(huì)議上發(fā)表，該領(lǐng)域的研究雖然起步相對(duì)較晚，但是近幾年來(lái)卻相當(dāng)活躍，一個(gè)主要研究方向就是高光譜壓縮感知的采樣實(shí)現(xiàn)。

編碼孔徑光譜成像與單像素光譜壓縮成像

將壓縮感知用于高光譜成像儀的設(shè)計(jì)，除了能獲得更高的分辨率外，在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)也達(dá)到了數(shù)據(jù)壓縮的效果，因此該研究受到眾多學(xué)者的關(guān)注，相關(guān)的研究成果多，提出的高光譜壓縮成像方案也很多，但目前影響較大的主要有兩大類：一類是可實(shí)現(xiàn)空間和譜間聯(lián)合壓縮采樣的編碼孔徑光譜成像儀，將傳統(tǒng)的色散型光譜成像技術(shù)中的狹縫更換為特殊形式的二維編碼模板，該成像系統(tǒng)對(duì)高光譜圖像的空間信息進(jìn)行編碼，再將各譜段圖像移位混疊壓縮，再通過(guò)算法重建空間光譜圖像；另一類是基于單像素相機(jī)的高光譜壓縮感知成像儀，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)空間信息和光譜信息的壓縮采樣。這些高光譜壓縮成像方案都需要傳感器一次性獲取圖像在整個(gè)空間范圍內(nèi)的信息，而實(shí)際的高光譜遙感成像通常都是利用遙感平臺(tái)(機(jī)載或星載)的固有運(yùn)動(dòng)，采用基于行的推掃或基于點(diǎn)的擺掃方 式來(lái)逐步獲取圖像在整個(gè)空間范圍內(nèi)的信息。

高光譜擺掃式壓縮成像

Whiskbroom(擺掃)是高光譜遙感中廣泛使用的一種掃描模式，它建立在一次對(duì)單個(gè)空間位置(像元)采樣的基礎(chǔ)上，逐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)空間的成像。擺掃式高光譜壓縮成像方案的設(shè)計(jì)，先是光譜維向量單個(gè)壓縮采樣值的光學(xué)實(shí)現(xiàn)，再研究如何用并行方式來(lái)實(shí)現(xiàn)在一次曝光時(shí)間內(nèi)獲取多個(gè)壓縮采樣值，最后得到完整的擺掃式壓縮方案。

參考上面的設(shè)計(jì)原理，高光譜擺掃型壓縮成像方式先對(duì)單個(gè)像元進(jìn)行光譜維向量的壓縮采樣，再通過(guò)擺掃運(yùn)動(dòng)依次掃描獲取其他空間像元的壓縮采樣值。獲取單個(gè)像元壓縮采樣值方案如圖1所示：輸入光信號(hào)對(duì)應(yīng)單個(gè)空間點(diǎn)(像元)的光斑，通過(guò)色散元件(如衍射元件光柵)轉(zhuǎn)換成多個(gè)不同波長(zhǎng)的光譜線，形成線狀光譜。

然后經(jīng)過(guò)一維編碼孔徑對(duì)線狀光譜實(shí)現(xiàn)空間編碼，實(shí)現(xiàn)壓縮采樣。光電探測(cè)元件探測(cè)到會(huì)聚透鏡聚集形成的光斑獲得像元的壓縮采樣值。

高光譜推掃式壓縮成像

Pushbroom(推掃)式成像是傳統(tǒng)高光譜成像儀經(jīng)常采用的方式，典型代表如中科院上海技術(shù)物理所的PHI系統(tǒng)。推掃式成像每次采集數(shù)據(jù)均對(duì)應(yīng)為一維空間信息，即一次對(duì)地面空間成像行(行像元)進(jìn)行采集。推掃式高光譜壓縮成像方案研究，先是如何實(shí)現(xiàn)地面行中所有像元光譜維信息的壓縮采樣，再設(shè)計(jì)完整的推掃式壓縮方案。推掃式壓縮成像技術(shù)在信號(hào)采集時(shí)，對(duì)地面成像行中每個(gè)像元光譜維信息進(jìn)行隨機(jī)壓縮采樣，地面空間成像行具體采樣過(guò)程方案如下：首先采用入射狹縫使得地面的入射輻射光線中只有空間成像行對(duì)應(yīng)的光線能進(jìn)入成像系統(tǒng)的準(zhǔn)直系統(tǒng)前焦平面上進(jìn)行準(zhǔn)直，然后再采用棱鏡做色散分光處理。各波段單色光通過(guò)會(huì)聚鏡后可平行入射到數(shù)字微鏡器件(DMD，DigitalMicromirror Device) ，由可編程控制的DMD各微鏡通過(guò)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)壓縮采樣，再經(jīng)過(guò)柱面透鏡被線探測(cè)器獲取壓縮采樣值。方案如圖2所示。