高信噪比窄帶光譜數(shù)據(jù)獲取與非監(jiān)督分類技術(shù)研究.pdf

1、與傳統(tǒng)單一寬波段圖像相比，窄帶光譜圖像同時(shí)包含了空間信息和光譜信息，能夠更豐富、準(zhǔn)確的描述被探測(cè)場(chǎng)景，因此窄帶光譜成像可以大大提高目標(biāo)的探測(cè)率。為了獲得場(chǎng)景的精準(zhǔn)光譜信息，光譜帶寬一般都達(dá)到納米級(jí)，在如此窄的帶寬下光強(qiáng)通常較弱，如何獲取高信噪比數(shù)據(jù)成為棘手問(wèn)題。獲得目標(biāo)場(chǎng)景的光譜數(shù)據(jù)后，需要利用光譜分類技術(shù)識(shí)別出目標(biāo);在成像探測(cè)領(lǐng)域目標(biāo)的有效先驗(yàn)知識(shí)無(wú)法預(yù)先獲得，因此非監(jiān)督分類技術(shù)成為合理選擇。所以利用窄帶光譜實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)需要解決兩個(gè)問(wèn)

2、題，即高信噪比窄帶光譜數(shù)據(jù)獲取以及高性能非監(jiān)督分類。本文的主要研究工作正是聚焦于上述兩個(gè)問(wèn)題，其具體內(nèi)容可分為以下幾個(gè)部分。
　　(1)基于雙光路的高信噪比光譜數(shù)據(jù)獲取方法。針對(duì)哈達(dá)瑪變換光譜儀單次測(cè)量周期長(zhǎng)以及需要高精度編碼組件的缺點(diǎn)，提出了一種雙光路結(jié)構(gòu)的高信噪比光譜測(cè)量方法。該方法構(gòu)建了一個(gè)卷積光路來(lái)探測(cè)快速變化的光譜，主要具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，即光譜測(cè)量時(shí)只需要一次測(cè)量從而顯著提高了測(cè)量速度，并且系統(tǒng)光路無(wú)需任何物理編碼器件從而大

3、大簡(jiǎn)化了光路結(jié)構(gòu)。
　　(2)哈達(dá)瑪編碼降噪理論與實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)哈達(dá)瑪變換光譜儀存在的技術(shù)爭(zhēng)論，同時(shí)為了改善經(jīng)典哈達(dá)瑪理論中較強(qiáng)假設(shè)條件，從光譜分類出發(fā)，建立了哈達(dá)瑪降噪分析模型，重新分析了其降噪性能。獲得的結(jié)論很好支持了哈達(dá)瑪變換光譜儀比傳統(tǒng)光譜儀具有更高信噪比這一結(jié)論，而且擴(kuò)展了經(jīng)典哈達(dá)瑪降噪理論。
　　(3)哈達(dá)瑪編碼測(cè)量中的稀疏信號(hào)優(yōu)化重建。針對(duì)哈達(dá)瑪變換光譜儀中信噪比會(huì)受到信號(hào)稀疏性影響，分析了重建信號(hào)噪聲與編碼信

4、號(hào)測(cè)量噪聲的關(guān)系，得出了重建信號(hào)噪聲與編碼信號(hào)測(cè)量噪聲的均值相關(guān)，而與真實(shí)信號(hào)大小近乎無(wú)關(guān)這一結(jié)論。提出利用稀疏約束算法來(lái)重建稀疏光譜信號(hào)，優(yōu)化重建結(jié)果比哈達(dá)瑪變換光譜儀直接測(cè)量結(jié)果具有更高的信噪比，優(yōu)勢(shì)大小與信號(hào)的稀疏度大小成近似線性關(guān)系。
　　(4)基于空間一致性的非監(jiān)督分類和顯著目標(biāo)提取方法。考慮到現(xiàn)有非監(jiān)督分類通常需要指定目標(biāo)數(shù)量，而且單純依靠光譜信息忽略了空間特性，對(duì)此結(jié)合空間特征提出了兩種非監(jiān)督分類方法，即基于最小關(guān)聯(lián)

5、窗口的非監(jiān)督分類和基于降元的非監(jiān)督分類，解決了常見(jiàn)算法中的麻點(diǎn)過(guò)多、目標(biāo)邊緣不清和不夠完整的缺點(diǎn)。針對(duì)高光譜數(shù)據(jù)量大計(jì)算耗時(shí)的缺點(diǎn)，還研究了在特征波段內(nèi)提取顯著目標(biāo)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別的方法，提出一種結(jié)合過(guò)渡區(qū)域和邊緣的顯著目標(biāo)識(shí)別算法，其抗噪性好、魯棒性強(qiáng)。
　　(5)窄帶光譜成像系統(tǒng)和偽裝目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)并搭建了兩個(gè)窄帶光譜成像系統(tǒng)，即組件式窄帶光譜系統(tǒng)和雙光路雙色散窄帶光譜系統(tǒng)，開(kāi)展了窄帶光譜反隱身驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示相關(guān)特征波