【摘要】：隨著對空間遙感成像系統(tǒng)的成像規(guī)模及分辨率要求越來越高,對傳統(tǒng)成像系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。成像分辨率的提高需要探測器更大的像元陣列規(guī)模和更小的像元尺寸,同時產生的海量數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)的存儲及傳輸也帶來了巨大壓力。壓縮感知理論突破了傳統(tǒng)成像系統(tǒng)受到的香農-奈奎斯特采樣定理的限制,其基于信號的稀疏特性,能夠從少量的投影值中高概率的精確重構原始信號,這為高分辨率成像系統(tǒng)的設計提供了新的理論基礎。本文從壓縮感知理論模型及系統(tǒng)實現(xiàn)角度出發(fā),針對面向空間光學遙感領域應用的壓縮感知成像系統(tǒng)及方法展開研究,分別從理論模型的改進,硬件實現(xiàn)方式及成像策略等方面進行了深入探討。首先,提出了一種并行互補壓縮感知成像系統(tǒng),建立了圖像分塊并行處理的數(shù)學模型,與傳統(tǒng)塊壓縮感知系統(tǒng)相比,提高了采樣效率,成像質量得到提升。根據(jù)空間光學遙感成像領域的應用需求,建立了該系統(tǒng)的推掃像移模型。量化分析了像移量對恢復圖像質量的影響。其次,基于壓縮感知理論和TDI CCD的工作方式,提出了一種借助TDI CCD電荷轉移和快門隨機閃動曝光協(xié)同的壓縮編碼成像方法,實現(xiàn)了電荷轉移一維方向上圖像分辨率的提升�；诖朔椒�,提出了一種雙探測器正交化超分辨率成像系統(tǒng),完成了二維方向圖像分辨率的提升。并提出了采用貪婪算法和比例融合算法作為系統(tǒng)的二維圖像融合方式。理論建模及仿真結果表明該成像方法及系統(tǒng)的有效性,為基于壓縮感知理論的超分辨率成像提供了系統(tǒng)實現(xiàn)的新方法。再次,提出了一種壓縮感知理論模型的改進型,并根據(jù)模型需求設計了硬件實現(xiàn)方案及系統(tǒng)工作流程。仿真實驗結果表明,與塊壓縮感知系統(tǒng)相比,所提出的系統(tǒng)在相同參數(shù)條件下,能夠顯著提升圖像質量,且消除了塊壓縮感知系統(tǒng)的塊效應。在所提出系統(tǒng)基礎上,提出了基于頻率預估的權重化迭代恢復策略,通過對重構過程的自適應調整,優(yōu)化了重構過程資源分配,圖像質量得到進一步提升。最后,針對遙感圖像不同區(qū)域特征顯著化的特點,提出了一種自適應塊壓縮感知系統(tǒng),通過預采樣率先獲取目標場景的先驗信息,一方面用于在感知階段指導塊間的自適應采樣率分配,另一方面用于在恢復階段生成權重稀疏系數(shù)矩陣,提升圖像恢復效率,通過采用優(yōu)化組合應用策略,使得提出系統(tǒng)的成像質量相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)明顯提升。同時在此基礎上提出了一種多角度圖像恢復策略,使圖像恢復質量得到了大幅提升。本文針對基于壓縮感知理論的空間光學遙感成像系統(tǒng)及方法進行了深入研究,圍繞壓縮感知理論模型及系統(tǒng)實現(xiàn)等方面展開了有效探索,為壓縮感知理論在空間光學遙感領域的應用起到了推進作用,并具有一定的指導意義。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP751
【圖文】：

壓縮感知理論在空間光學遙感成像系統(tǒng)中的應用方法研究首先在受制于大規(guī)模探測器制造困難且成本高昂的光學成像領域率先實踐。2007年，美國萊斯大學的 Duarte M F 等人提出了單像素相機系統(tǒng)，它以數(shù)字微鏡陣列(DMD)作為編碼器件，應用單個光電二極管作為成像探測器，首次實現(xiàn)了壓縮感知理論的應用[80]。該系統(tǒng)的組成如圖 1.1 所示，通過光學系統(tǒng)將目標投影至DMD 上，DMD 由數(shù)字電壓信號控制微鏡片的機械偏轉實現(xiàn)對入射光線的調整，完成對圖像信號的編碼，反射光經透鏡聚焦到光電二極管上，再經 AD 轉換器轉換為數(shù)字信號。通過多次編碼重復測量，最后根據(jù)采樣數(shù)據(jù)重構得到原始圖像。

圖 1.1 單像素相機原理及實物圖Figure 1.1 The principle schematic and physical diagram of single-pixel camera.光譜成像需同時獲取目標的二維空間信息與一維光譜信息，傳統(tǒng)光譜成像系統(tǒng)采用色散元件將目標不同光譜通道的光進行分離，再分別對不同光譜通道進行成像。這樣一次曝光只能獲得單光譜通道的二維空間信息，需要進行多次曝光才能獲取三維的光譜成像信息。2007 年，美國杜克大學的 DISP 研究小組提出了基于編碼孔徑的光譜成像系統(tǒng)(CASSI)，利用編碼孔徑和色散元件將三維光譜圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼投影至二維探測器上，形成混疊信息，并通過重構算法恢復得到完整三維信息，極大地降低了數(shù)據(jù)采集量[69-71]。

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8 王U

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