计算机层析成像

计算层析成像技术也称为计算机断层扫描技术, 是由低维投影数据重建高维目标的一项技术, 最早由 Cormack 于1963 年提出, 在医学上起到了划时代的作用。但由于计算机水平和探测器技术水平的限制, 直到 20 世纪 90 年代,层析投影成像理论才开始应用于成像光谱技术。

简介

计算层析成像光谱技术( computed tomography imaging spectrometer,CTIS) 借用计算机断层扫描的原理, 与成像光谱技术相结合,探测目标数据立方体的一个投影或者多个投影方向的投影图像, 然后由这些投影图像重建目标的光谱信息和空间图像信息。它在光谱与图像的快速探测、无视场扫描、高通量、性能稳定等方面具有显著特征, 可应用在诸多领域。

计算层析成像光谱仪按照工作模式的不同分为光栅型层析成像光谱仪和棱镜型层析成像光谱仪。前者最初由日本学者 Okamoto 提出, 然后美国亚利桑那大学的 Descour 和Dereniak 等在原理和实验上大大发展了该类型的成像光谱仪。它具有高速画幅式的突出优点, 与空间调制干涉成像光谱仪相比具有高通量的优势。后者是由美国空军基地的Mooney 等提出并发展的, 具有高通量的明显优点。它工作在凝视方式, 与时间调制干涉成像光谱仪相比缺点是光谱分辨率受限, 但能量利用率更高, 抗震性更好。

CTIS 作为一项新兴的技术, 近些年特别是 2000 年至今取得了很大的进展, 多种新技术和新方法相继出现, 并且该技术已经在环境监测、军事、天文、医学、地质测量等应用领域崭露头角；可以说这一阶段是从实验室的原理实验验证阶段走向初步的工程应用阶段的重要时期。

CTIS技术基本原理

CTIS 通过光学手段探测获取目标图像的三维信息( x , y ,λ): 它将经探测系统视场光阑的目标看成是一个具有二维空间信息( x , y) 和一维光谱信息(λ)的数据立方体, 先利用成像系统记录数据立方体在不同方向上的投影图像, 然后再利用 CT 重建算法重建出三维数据立方体。

CTIS 图像重建算法的理论基础是 Radon 变换和中心切片定理( central slice theorem, 又称 Fourier 切片定理) 。Radon 变换是一种直线积分的投影变换, 设二维目标的分布函数为 f ( x , y ), 则 Radon 变换 Pa( p )的函数值为 f ( x , y ) 在投影线( ProjLine) 上的直线积分,即

其中, 投影角a为投影线与y 轴的夹角, P 为投影变换的坐标。

从中心切片定理可得到两个重要结论：

(1) 图像的投影数据包含了该图像的特征信息, 并且可以利用这些信息重建出原来的图像；

(2) 为实现图像重建, 理论上需要无穷多个连续的投影数据。但实际应用中,一般利用有限个投影角度的投影数据就可得到满意的重建效果。

在上述理论基础上 CTIS 得到了发展。图 1 给出了 CTIS 的投影成像原理。

光栅型层析成像光谱技术

该类成像光谱仪亦称画幅式层析成像光谱仪, 不包含任何运动部件, 能对空间位置和光谱特性瞬时变化的二维目标进行光谱成像, 得到目标的空间信息和光谱信息, 并兼具高通量和多通道的优点, 这些是其他色散型或干涉型成像光谱仪所无法比拟的。

光栅型计算层析成像光谱仪由前置光学系统 ( 包括望远镜或会聚镜、视场光阑等) 、准直系统、色散和再成像系统( 光栅、成像镜和焦平面探测器等) 组成。它采用 3 个呈 60b夹角交叠的一维光栅色散目标图像, 然后用焦平面阵列来记录衍射图案。衍射图案中间为零级衍射级, 即目标的直接全色图像, 确定了成像大小, 但对目标的光谱信息没有贡献；其他衍射图案为目标的不同衍射级, 这些色散图案对应目标立方体在相应投影角下的投影值, 利用基于 CT 的重建算法便可从这些投影图案中重建出光谱图像数据来。

旋转棱镜型成像光谱技术

该类成像光谱仪亦称高通量层析成像光谱仪, 它与前者的不同是, 只能在一次曝光时间内获取目标的数据立方体的一个投影方向的投影数据；通过绕光轴旋转直视棱镜, 获取多个方向的投影, 对多个投影进行层析处理, 从而重建数据立方体。它工作在凝视方式下, 没有分束器, 能量利用率接近 100%。

应用

CTIS 图像重建的过程实际上就是如何由低维投影数据计算出高维原始图像, 及在该过程中如何有效减小/ 失锥对重建图像质量的影响。通常用的 CT 重建算法有变换法和迭代法两类。

CTIS 特别是画幅式 CTIS 在探测快速变化目标方面有明显的优势, 突出应用在军事、生物医学、天文等方面。

展望

计算层析成像光谱技术 CTIS 是近年来发展起来的一项高新技术, 它的诸多优点和应用前景受到国际成像光谱领域的广泛重视。可以预见, 针对不同情景目标的重建算法以及 CTIS 模型的优化将可能是 CTIS 迅速发展的基础,光学遥感的应用将很可能是该技术的重点应用方向, 偏振计算层析成像光谱技术及其应用将可能是未来的研究热点。由于该技术研究理论上图像重建还受到有限投影角、色散器件自由光谱范围等的约束, 工程研制中受到色散器件和探测器制作工艺、以及探测器尺寸等的限制, 目前的研究多数处于实验室的仿真模拟和实验阶段, 要使得 CTIS 获得广泛的研究并走向成熟的工程应用还有一段距离。但是该技术已经在多个不同领域发展和应用, 随着其应用波段范围的扩展, 以及与多种其他技术的联合, CTIS 的发展前景会越来越受到关注和重视。

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