时-空-谱压缩感知的灵巧红外图谱一体化探测仪

Various objects in the objective world posses unique time-space-spectra sparsity essentially. However, existing detecting instruments did not take full advantage of this feature, leading to such contradictions as huge acquired data vs little interesting information, being incapable of giving attention to all of time, space and spectra, broad application vs expensive instruments. To address these challenges, on pre-working basis, this project will focus on studying time-space-spectra sparsity of objects and researching detection and reconstruction methods with compressive sensing characteristics of object time-space-infrared spectra multi-dimensional features, design such key modules with independent intellectual property rights as programmable resolution-adjustable spectra-optional spectra detector module, multi-band infrared optical system, process and control hardware and software modules and so on, and complete system integration. Under the support of key defense research project and key NSFC project finished during the" Eleventh Five-Year ", this project had verified that the new method of image-spectra integrated target detection was feasible, and developed the prototype of image-spectra integrated detection system. Method study, key modules design and instrument integration in this project can provide time-space-spectra characteristics data and information of research subjects in such advancing areas as environmental science, life science, aerospace science , and etc, impetus the development of innovation and high-tech equipment, and have great scientific significance and value.

现有探测仪器没有充分利用客观世界中各种对象本质上独特的时间-空间-光谱稀疏性，导致获取数据太多而感兴趣信息太少、时-空-谱不能兼顾、应用需求广泛而价格昂贵等矛盾的局面。为解决上述难题，本项目将在前期工作基础上重点研究探测对象时-空-谱的稀疏特性、具有压缩感知特点的时-空-谱多维度探测、重构方法，设计具有自主知识产权的可编程分辨率可变的光谱探测模块、多波段红外光学系统、处理与控制软硬件模块，完成系统集成。本项目在“十一五”重点国防基础科研项目和国家自然科学基金重点项目支撑下，验证了压缩感知目标探测新方法的可行性，并研制成功图谱一体化的探测系统原理样机。通过本项目的方法研究、关键模块设计、仪器集成研制，可提供环境科学、生命科学、航空航天科学等前沿科学领域诸多研究对象的时-空-谱综合特性数据和信息，有力推动这些领域的创新和高新技术仪器的发展，具有重大的科学意义和应用价值。

现有探测仪器无法充分利用客观世界各种对象独特的时间-空间-光谱稀疏性，导致获取数据太多而感兴趣信息太少、价格昂贵等矛盾局面。本项目为解决上述难题，重点研究了探测对象时-空-谱的稀疏特性，设计了具有自主知识产权的灵巧二维伺服扫描转镜、宽波段红外光学系统、处理与控制软硬件模块，完成了整套系统的集成，验证了压缩感知目标探测新方法的可行性，并成功研制出国内外首创的红外图谱一体化的探测系统实用化样机。取得的研究成果如下：.1. 提出红外成像(8-14um)和非成像红外测谱(2-12um)耦合的共口径共光路新型灵巧探测架构，利用图谱关联探测和扫描跟踪算法，不仅能获取典型目标的形状、运动特征，还能快速获取典型目标及其局部背景在不同状态下的光谱特征差异，提取光谱(线)指纹特征，通过空间-时间约束的新算法提取时-空-谱综合指纹特征。.2．利用场景内在的空-时关系为约束，辅以灵巧高速的二维伺服扫描镜，结合多尺度多级滤波跟踪算法，采用FPGA+DSP+专用ASIC、SOC的硬件体系结构构造实时并行处理与控制系统。.3．在目标红外特性数据积累方面，开展了多次外场试验研究，积累了大量各类典型目标的红外辐射特性数据，结合已有公开的目标光谱数据库，搭建了丰富的基于目标状态信息、目标图像及光谱的特性数据库。.本项目实施过程中，项目组在图像处理、光谱学及仪器科学领域的Sensor and Actuator等国际期刊和本领域重要的国际会议(SPIE等)上发表(含已录用)论文17篇，其中在国际期刊发表论文11篇，在国际主流会议上发表(含录用)论文4篇。培养研究生15名，授权美国发明专利6项，授权国家发明专利12项，同时有8项发明专利申请已公开。项目研制的实用化样机参加第二届军民融合展，受到相关领导与专家的好评。项目组通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。