編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統及方法

2023-11-07 08:56:22 1

編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統及方法，望遠鏡接收脈衝光源經過物體反射光經由成像透鏡和光擴束準直後，在第一數字微陣列反射鏡分束後，經第二數字微陣列反射鏡對圖像編碼，經第三數字微陣列反射鏡對光場隨機空間調製，經成像透鏡成像，經匯聚透鏡匯聚入射到多個光電探測器，經壓縮算法模塊重構對應編碼圖像，對編碼圖像解碼後獲得低分辨圖像，對所有低解析度圖像的每個像素灰度值列出稀疏線性方程組，其最小二乘解即為超解析度圖像；然後通過同步時間測量提供圖像的時間碼信息，重構出超解析度三維圖像。
【專利說明】編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及超解析度成像領域，特別涉及一種基於壓縮感知的編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統及方法。
【背景技術】
[0002]上世紀四十年代，M.J.E.Golay最先提出「模板調製」調製思想，基於這種思想，Golay設計出多狹縫模板光譜儀，認識了模板調製的作用。隨後，吉拉德(Girad)提出以菲涅爾波帶片製作的柵欄作為模板的柵欄光譜儀，利用菲涅爾波函數的正交性實現波長調製，增強了光通量；默脫(Mertz)提出以旋轉柵欄方法實現光場調製，利用傅立葉變換獲得輻射光譜，同時具有多通道和高通量的優點；隨著研究的進一步發展，出現了簡易模板光譜儀，1968年Ibbett、Decker和Harwit研究了 Golay光譜儀的基本特徵，提出間歇步進模板取代連續旋轉盤；Gottlieb研究了與正交二元數字碼相關的循環碼，提出循環碼可摺疊成二維陣列，Sloane等人在此基礎上，提出Reed-Mullet碼尤其適用於光譜測量，由於Reed-Mullet碼與hadamard矩陣密切相關，因此,這種新型的模板調製技術被稱作Hadamard變換光譜技術。
[0003]Hadamard變換光譜學是上世紀末期逐漸發展起來的新型光譜調製技術。這種技術以Hadamard編碼模板代替傳統的色散型光譜儀的狹縫，實現多通道多譜元高通量同時測量。近幾年來隨著微型光機電學技術的發展，使Hadamard光譜技術成為研究熱點之一，如歐空局計劃發射的歐幾裡德望遠鏡就採用這種技術實現對空間天文的觀測。與傳統光譜儀相比，這種技術具有如下優點:1)光通量高，採用數字微陣列反射鏡替代傳統的光譜細窄狹縫；2)光譜解析度高，與傅立葉光譜儀一樣可以不受狹縫產生的儀器函數的限制；3)信噪比高，調製和解調方法有效抑制北京和幹擾信號，相對提高有用的光譜信號；4)靈活性高，根據觀測對象有目的選擇特定對象的光譜信息，降低背景和其他對象的幹擾，同時這種技術也可以用於成像領域，實現超解析度成像。
[0004]壓縮感知是由E.J.Candes> J.Romberg、T.Tao 和 D.L.Donoho 等研究人員於 2004年提出，早在上世紀法國數學家Prony提出稀疏信號恢復方法，這種方法是通過解特徵值問題估計稀疏三角多項式的非零幅度和對應的頻率Logan最早提出基於LI範數最小化的稀疏約束方法。隨後發展出的壓縮感知理論是將LI範數最小化稀疏約束與隨機矩陣結合，獲得稀疏信號重建性能的最佳結果，壓縮感知基於信號的可壓縮性，通過低維空間、低解析度、欠Nyquist採樣數據的非相關觀測來實現高維信號的感知。廣泛應用於資訊理論、圖像處理、地球科學、光學/微波成像、模式識別、無線通信、大氣科學、地球科學、物理天文學等學科領域。
[0005]壓縮感知理論是將採樣和壓縮同時進行，很好地利用了自然信號可以在某個稀疏基下表示的先驗知識，可以實現遠低於奈奎斯特/香農採樣極限的亞採樣，並能近乎完美地重建信號信息。其最廣泛的應用是單像素照相機技術，它能使用一個點探測器而不是面陣探測器便可完成所有的探測任務，倘若這項技術應用在稀疏孔徑上，必將減少探測維度，避免由面陣探測器帶來的光學噪聲和電學噪聲，而且採用數字微鏡器件DMD，這是一個被動光學元件，不會給信號帶來任何噪聲，探測器方面也不再需要前置放大器，此外系統還能做到23kHz的高速採樣，這是傳統面陣探測器所無法企及的，外加之魯棒的重建算法，必將引發更多潛在應用。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於將壓縮感知理論應用於Hadamard變換光學超解析度成像領域，從而提供一種壓縮感知的編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統及方法。
[0007]為實現上述目的，本發明提供了一種編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統，所述系統包括:望遠鏡單元、成像透鏡單元、光擴束準直單元、數字微陣列反射鏡單元、匯聚透鏡單元、光電探測器單元、壓縮算法模塊、解碼與稀疏線性算法模塊、脈衝光源單元和同步時間測量單元組成；
[0008]所述望遠鏡單元包括凹面反射鏡(I)、凸面反射鏡(2)和反射鏡(3)；
[0009]所述成像透鏡單元包括第一成像透鏡(4-1)、第二成像透鏡(4-2)；
[0010]所述數字微陣列反射鏡單元包括第一數字微陣列反射鏡(6-1)、第二數字微陣列反射鏡(6-2)和第三數字微陣列反射鏡(6-3)；
[0011]脈衝光源單元包括脈衝光源(12)、聚焦透鏡(13)、光源擴束透鏡(14)、第一光源反射鏡(15-1 )、第二光源反射鏡(15-2)和第三光源反射鏡(15-3);
[0012]同步時間測量單元包括同步時鐘信號(16)、觸發延遲器(17)和脈寬調製器(18)；
[0013]通過第一成像透鏡(4-1)成像後，經過光擴束準直透鏡(5)將多目標圖像映射到第一數字微陣列反射鏡(6-1)表面，通過控制第一數字微陣列反射鏡(6-1)將非目標物體的背景光反射出後續光學系統；使背景雜散光反射到收光器(7);控制第一數字微陣列反射鏡(6-1)將多目標物體光場反射到第二數字微陣列反射鏡(6-2)，經其對圖像進行編碼孔徑編碼後，入射到第三數字微陣列反射鏡(6-3)，對編碼圖像進行隨機光學調製後，通過第二成像透鏡(4-2)成像後，再通過匯聚透鏡(8)匯聚後入射到光電探測器(9)，經壓縮算法模塊(10)重構多目標編碼圖像，再經過解碼與稀疏線性算法模塊(11)，對編碼圖像解碼後形成低分辨圖像，再通過該模塊對所有探測器獲得的多個低解析度圖像的每個像素灰度值列出稀疏線性方程組，求解最小二乘解即可獲得多目標物體的超解析度圖像；通過同步時鐘信號(17)為脈衝光源(12)提供同步脈衝信號，然後通過觸發延遲器(17)和脈寬調製器
(18)為光電探測器(9)提供同步門控信號，觸發延遲器(17)延遲的時間數據作為多目標超解析度圖像的時間碼信號，最後形成超解析度三維圖像。
[0014]進一步的，所述望遠鏡單元包括凹面反射鏡(I)、凸面反射鏡(2)和反射鏡(3);其中所述望遠鏡單元為伽利略望遠鏡、克卜勒望遠鏡、牛頓望遠鏡、卡塞格林望遠鏡；所述望遠鏡單元結構為反射式、折射式或折返式望遠鏡；所述望遠鏡單元在光譜範圍包括紫外、可見光、紅外波段望遠鏡。
[0015]進一步的，所述第一成像透鏡(4-1)用於對望遠鏡入射光進行成像，第二成像透鏡(4-2)用於對編碼圖像隨機空間光調製後成像。
[0016]進一步的，所述第一數字微陣列反射鏡(6-1)將多目標圖像中的非目標的背景光和雜散光反射到收光器(7)，將有效多目標圖像反射到第二數字微陣列反射鏡(6-2)上；[0017]所述第二數字微陣列反射鏡(6-2)將多目標圖像進行Hadamard編碼，或快速Hadamard變換算法對圖像進行編碼；其中Hadamard編碼採用H矩陣或S矩陣,所述S矩陣採用N階循環S矩陣，基於m序列構造的循環S矩陣；其中N階循環S矩陣的階數可以是7、
11、15、19、23、27等數值，階數越高解析度越高；所述數字微陣列反射鏡單元還包括液晶空間光調製器；
[0018]所述第三數字微陣列反射鏡(6-3)用於將多目標編碼圖像進行隨機空間光調製後，通過第二成像透鏡(4-2)對隨機調製後的編碼圖像成像，然後輸入到匯聚透鏡(8)。
[0019]進一步的，所述匯聚透鏡單元由匯聚透鏡(8)將第三數字微陣列反射透鏡(6-3)隨機光調製後的圖像匯聚到一點，然後入射到對應的光電探測器(9)，通過匯聚透鏡(8)實現高通量成像，應用於弱光、超弱光和單光子成像；
[0020]所述光電探測單元由光電探測器組(9)接收對應匯聚透鏡(8)匯聚後的光信號，然後輸入到對應壓縮算法模塊(10)，其中所述光電探測器組包含M個點探測器，每個點探測器採用紫外、可見光、近紅外、紅外線陣光電探測器或單光子探測器，以光學光譜範圍或超高靈敏探測；其中單光子探測器是紫外、可見光、近紅外、紅外雪崩二極體，固態光電倍增管或超導單光子探測器。
[0021]進一步的，其特徵在於，所述壓縮算法模塊(10)採用下列任意一種算法實現壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0ΜΡ、基跟蹤算法BP、LASS0、LARS, GPSR、貝葉斯估計算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA算法、TwIST算法、10重建算法、I1重建算法、I2重建算法等，稀疏基可採用離散餘弦變換基、小波基、傅立葉變換基、梯度基或gabor變換基；通過使用上述壓縮算法模塊重構出光電探測器組對應的M個編碼圖像。
[0022]進一步的，所述解碼與稀疏線性算法模塊(11)，通過對N個編碼圖像進行解碼後形成低解析度圖像，然後通過M個圖像中相關區域的每個像素灰度值列出線性方程組，構成稀疏線性方程組，求解最小二乘解即可獲得多目標物體的超解析度圖像。
[0023]進一步的，所述的脈衝光源單元中，脈衝光源(12)發射出成像照明光源，經聚焦透鏡(13)聚焦後，再通過光源擴束透鏡(14)後，再經過第一光源反射鏡(15-1 )、第二光源反射鏡(15-2)和第三光源反射鏡(15-3)反射後，照射到望遠鏡單元所觀測的有效視場區域，再經過與有效觀測目標的相關作用後，反射回接收望遠鏡單元；其中脈衝光源(12)包含紫外、可見光、近紅外和紅外波段的脈衝光源，包括超連續譜光源、超波段連續光源和雷射光源等，通過調Q開關、聲光調製器等組成的脈衝光源。
[0024]進一步的，所述第三數字微陣列反射鏡(6-3 )與M個光電探測器組(9 )之間，第三數字微陣列反射鏡(6-3)中的微鏡陣列每翻轉一次，光電探測器組(9)中的每個獨立探測器在該翻轉時間間隔內累計探測到達所有光強，實現光電信號採集轉換，然後送到對應的壓縮算法模塊(10)。
[0025]本發明還提供了一種編碼模板多目標超解析度時間飛行成像方法，所述方法包括:
[0026]步驟I)、脈衝光源同步觸發，同步時鐘信號(16)為脈衝光源(12)提供同步脈衝信號，然後通過觸發延遲器(17)和脈寬調製器(18)為光電探測器(9)提供同步門控信號，觸發延遲器(17)延遲的時間數據Tn (I≤η≤m)作為多目標超解析度圖像的時間碼信號；[0027]步驟2)、壓縮感知的成像調製，保持觸發延遲器(17)延遲的時間數據Tn不變，然後在脈衝光源(12)入射的成像光信號通過系列光學變換後，傳輸到數字微陣列反射鏡(6-3)上，數字微陣列反射鏡(6-3)通過加載隨機矩陣A對其反射光進行光強調製；
[0028]步驟3)、壓縮採樣的，所述光電探測器組(9)在對應的數字微陣列反射鏡(6-3)每次翻轉的時間間隔內同時採樣，並將光電探測器轉換後的數值作為最終的測量值y;
[0029]步驟4)、信號重建，所述二值隨機測量矩陣A測量值y與一起作為壓縮算法模塊
(10)的輸入，選取合適的稀疏基使得成像X能由最少量的係數表示，通過壓縮感知算法進行信號重建，最終實現多目標物體的編碼圖像。
[0030]步驟5)、時間飛行成像，改變觸發延遲器(17)延遲的時間數據Tn，重複上述步驟
(2)- (4)，直到延遲的時間數據Tm，然後將對應的超解析度圖像與Tn時間碼重構出超分辨
率三維圖像。
[0031]本發明的優點在於:
[0032]本發明將壓縮感知理論與Hadamard變換編碼孔徑或模板相結合，並採用時間飛行測量技術，創造性的提出稀疏Hadamard變換超解析度三維成像方法，具有多通道、高通量、高信噪比、快速靈活的特點，適宜於常規光強、弱光、微弱光、超微弱光和單光子光譜儀成像方式，是一種動態範圍大的新型超解析度三維成像機制。通過對觀測目標對象的選擇，減小非觀測對象和背景光對成像的幹擾，進而有效提高超解析度成像信噪比，通過採用數字微陣列反射鏡技術實現對hadamard變換模板的編碼，實現多通道快速編碼成像。因此是一種新型變換超解析度三維成像技術。憑藉著這些顯著的優勢，壓縮感知的編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統必將替代原有的成像裝置的作用，將成為開展變換超解析度光學成像領域的一個重要發展方向，同時該項技術也可以廣泛應用在空間天文觀測、地基天文觀測、全天候對地觀測、夜間主動光源三維成像和對地實時多目標超解析度成像等高新科技領域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發明的壓縮感知的編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統的結構示意圖；
[0034]1、望遠鏡單元的凹面反射鏡
[0035]2、望遠鏡單元的凸面反射鏡
[0036]3、反射鏡
[0037]4-1、成像透鏡單元的第一成像透鏡
[0038]4-2、成像透鏡單元的第二成像透鏡
[0039]5、光擴束準直透鏡
[0040]6-1、數字微陣列反射鏡單元的第一數字微陣列反射鏡
[0041]6-2、數字微陣列反射鏡單元的第二數字微陣列反射鏡
[0042]6-3、數字微陣列反射鏡單元的第三數字微陣列反射鏡
[0043]7、光反射到收光器
[0044]8、匯聚透鏡
[0045]9、光電探測器[0046]10、壓縮算法模塊
[0047]11、解碼與稀疏線性算法模塊
[0048]12、脈衝光源單元的連續光源
[0049]13、脈衝光源單元的聚焦透鏡
[0050]14、脈衝光源單元的光源擴束透鏡
[0051]15-1、脈衝光源單元的第一光源反射鏡
[0052]15-2、脈衝光源單元的第二光源反射鏡
[0053]15-3、脈衝光源單元的第三光源反射鏡
[0054]16、同步時鐘信號
[0055]17、觸發延遲器
[0056]18、脈寬調製器
【具體實施方式】
[0057]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0058]本發明將壓縮感知理論與Hadamard變換光學相結合，創造性的提出稀疏Hadamard變換成像，具有多通道、高通量、高信噪比、快速靈活的特點，適宜於常規光強、弱光、微弱光、超微弱光和單光子成像方式，是一種大動態範圍的新型超解析度主動光學成像機制。
[0059]本發明的基於稀疏孔徑壓縮計算關聯的高光譜成像系統採用了壓縮感知(Compressive Sensing,簡稱CS)原理,能以隨機採樣的方式、通過更少的數據採樣數(遠低於奈奎斯特/香農採樣定理的極限)完美地恢復原始信號。首先利用先驗知識，選取合適的稀疏基Ψ，使得點擴散函數X經Ψ變換後得到X』是最為稀疏的；在已知測量值向量y、測量矩陣A和稀疏基Ψ的條件下，建立起數學模型7=ΑΨχ』+θ，通過壓縮感知算法進行凸優
化，得到X』後，再由χ =反演出X。
[0060]以上是對壓縮感知理論算法的說明，以下將結合壓縮感知原理具體描述本發明的成像光譜系統。
[0061]圖1是本發明編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統，系統包括:望遠鏡單元、成像透鏡單元、光擴束準直單元、數字微陣列反射鏡單元、匯聚透鏡單元、光電探測器單元、壓縮算法模塊、解碼與稀疏線性算法模塊、脈衝光源單元和和同步時間測量單元組成；
[0062]所述望遠鏡單元包括凹面反射鏡(I)、凸面反射鏡(2)和反射鏡(3);所述成像透鏡單元包括第一成像透鏡(4-1)、第二成像透鏡(4-2);所述數字微陣列反射鏡單元包括第一數字微陣列反射鏡(6-1)、第二數字微陣列反射鏡(6-2)和第三數字微陣列反射鏡(6-3);脈衝光源單元包括脈衝光源(12)、聚焦透鏡(13)、光源擴束透鏡(14)、第一光源反射鏡(15-1 )、第二光源反射鏡(15-2)和第三光源反射鏡(15-3)；同步時間測量單元包括同步時鐘信號(16)、觸發延遲器(17)和脈寬調製器(18)。
[0063]其中，通過第一成像透鏡4-1成像後，經過光擴束準直透鏡5將多目標圖像映射到第一數字微陣列反射鏡6-1表面，通過控制數字微陣列反射鏡6-1將非目標物體的背景光反射出後續光學系統；使背景雜散光反射到收光器7 ;控制數字微陣列反射鏡6-1將多目標物體光場反射到第二數字微陣列反射鏡6-2，經其對圖像進行編碼孔徑編碼後，入射到第三數字微陣列反射鏡6-3，對編碼圖像進行隨機光學調製後，通過第二成像透鏡4-2成像後，再通過匯聚透鏡8匯聚後入射到光電探測器9，經壓縮算法模塊10重構多目標編碼圖像，再經過解碼與稀疏線性算法模塊11，對編碼圖像解碼後形成低分辨圖像，再通過該模塊對所有探測器獲得的多個低解析度圖像的每個像素灰度值列出稀疏線性方程組，求解最小二乘解即可獲得多目標物體的超解析度圖像；通過同步時鐘信號17為脈衝光源12提供同步脈衝信號，然後通過觸發延遲器17和脈寬調製器18為光電探測器9提供同步門控信號，觸發延遲器17延遲的時間數據作為多目標超解析度圖像的時間碼信號，最後形成超解析度三維圖像。
[0064]具體的，望遠鏡單元由凹面反射鏡1、凸面反射鏡2和反射鏡3組成；其中望遠鏡單元包括伽利略望遠鏡、克卜勒望遠鏡、牛頓望遠鏡、卡塞格林望遠鏡等；在結構上可以包括反射式、折射式、折返式望遠鏡等；在光譜範圍包括紫外、可見光、紅外波段望遠鏡等。
[0065]具體的，所述的成像透鏡單元包括第一成像透鏡4-1和第二成像透鏡4-2，其中第一成像透鏡4-1實現對望遠鏡入射光進行成像，第二成像透鏡4-2實現對編碼圖像隨機空間光調製後成像；另外也包括紫外、可見光、紅外等波段的半凸透鏡等。
[0066]具體的，所述的數字微陣列反射鏡單元的第一數字微陣列反射鏡6-1將多目標圖像中的非目標的背景光和雜散光反射到收光器7，將有效多目標圖像反射到第二數字微陣列反射鏡6-2上。
[0067]具體的，所述的數字微陣列反射鏡單元的第二個數字微陣列反射鏡6-2將多目標圖像進行Hadamard編碼；其中Hadamard編碼可以採用H矩陣或S矩陣，S矩陣是實用中的最佳編碼矩陣，一般採用N階循環S矩陣，基於m序列構造的循環S矩陣，另外可以採用快速Hadamard變換算法對圖像進行編碼；另外數字微陣列反射鏡單元也包括液晶空間光調製器等其他光學空間調製器；其中N階循環S矩陣的階數可以是7、11、15、19、23、27等數值，階數越高解析度越高。
[0068]具體的，所述的數字微陣列反射鏡單元的第三數字微陣列反射鏡6-3將多目標編碼圖像進行隨機空間光調製後，通過第二成像透鏡4-2對隨機調製後的編碼圖像成像，然後輸入到匯聚透鏡8。
[0069]具體的，所述匯聚透鏡單元由匯聚透鏡8將第三數字微陣列反射透鏡6-3隨機光調製後的圖像匯聚到一點，然後入射到對應的光電探測器9，通過匯聚透鏡8實現高通量成像，可以應用於弱光、超弱光和單光子成像方面。
[0070]具體的，所述光電探測單元由光電探測器組9接收對應匯聚透鏡8匯聚後的光信號，然後輸入到對應壓縮算法模塊10，其中所述光電探測器組包含M個點探測器，每個點探測器可以採用紫外、可見光、近紅外、紅外線陣光電探測器或單光子探測器，以光學光譜範圍或超高靈敏探測；其中單光子探測器可以是紫外、可見光、近紅外、紅外雪崩二極體，固態光電倍增管，超導單光子探測器等。
[0071]具體的，所述壓縮算法模塊10採用下列任意一種算法實現壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0ΜΡ、基跟蹤算法BP、LASSO, LARS, GPSR、貝葉斯估計算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP, LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST 算法、I。重建算法、I1重建算法、I2重建算法等，稀疏基可採用離散餘弦變換基、小波基、傅立葉變換基、梯度基、gabor變換基等；通過使用上述壓縮算法模塊重構出光電探測器組對應的M個編碼圖像。
[0072]具體的，所述解碼與稀疏線性算法模塊11，通過對N個編碼圖像進行解碼後形成低解析度圖像，然後通過M個圖像中相關區域的每個像素灰度值列出線性方程組，構成稀疏線性方程組，求解最小二乘解即可獲得多目標物體的超解析度圖像。
[0073]具體的，所述的脈衝光源單元中，脈衝光源12發射出成像照明光源，經聚焦透鏡13聚焦後，再通過光源擴束透鏡14後，再經過第一光源反射鏡15-1、第二光源反射鏡15-2和第三光源反射鏡15-3反射後，照射到望遠鏡單元所觀測的有效視場區域，再經過與有效觀測目標的相關作用後，反射回接收望遠鏡單元；其中脈衝光源12包含紫外、可見光、近紅外和紅外波段的脈衝光源，包括超連續譜光源、超波段連續光源和雷射光源等，通過調Q開關、聲光調製器等組成的脈衝光源等。
[0074]具體的，所述第三數字微陣列反射鏡6-3與M個光電探測器組9之間需同步，第三數字微陣列反射鏡6-3中的微鏡陣列每翻轉一次，光電探測器組9中的每個獨立探測器在該翻轉時間間隔內累計探測到達所有光強，實現光電信號採集轉換，然後送到對應的壓縮算法模塊10。
[0075]本發明還提供了一種編碼模板多目標超解析度時間飛行成像方法，所述方法包括: [0076]步驟I)、脈衝光源同步觸發步驟；
[0077]同步時鐘信號16為脈衝光源12提供同步脈衝信號，然後通過觸發延遲器17和脈寬調製器18為光電探測器9提供同步門控信號，觸發延遲器17延遲的時間數據Tn(I≤η≤m)作為多目標超解析度圖像的時間碼信號，
[0078]步驟2)、壓縮感知的成像調製的步驟；
[0079]保持觸發延遲器17延遲的時間數據Tn不變，然後在脈衝光源12入射的成像光信號通過系列光學變換後，傳輸到第三數字微陣列反射鏡6-3上，數字微陣列反射鏡6-3通過加載隨機矩陣A對其反射光進行光強調製；
[0080]步驟3)、壓縮採樣的步驟；
[0081]所述光電探測器組9在對應的第三數字微陣列反射鏡6-3每次翻轉的時間間隔內同時採樣，並將光電探測器轉換後的數值作為最終的測量值y ；
[0082]步驟4)、信號重建的步驟；
[0083]所述二值隨機測量矩陣A測量值y與一起作為壓縮算法模塊10的輸入，選取合適的稀疏基使得成像X能由最少量的係數表示，通過壓縮感知算法進行信號重建，最終實現多目標物體的編碼圖像。
[0084]步驟5 )、時間飛行成像步驟:
[0085]改變觸發延遲器17延遲的時間數據Tn，重複上述步驟2_4，直到延遲的時間數據Tm，然後將對應的超解析度圖像與Tn時間碼重構出超解析度三維圖像。
[0086]以上是對本發明的基於壓縮感知的編碼模板多目標成像光譜系統的總體結構的描述，下面對其中各個部件的具體實現做進一步的描述。
[0087]所述數字微陣列反射鏡單元能將信息加載於一維或兩維的光學數據場上，是實時光學信息處理、自適應光學和光計算等現代光學領域的關鍵器件，這類器件可在隨時間變化的電驅動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分布的振幅或強度、相位、偏振態以及波長，或者把非相干光轉化成相干光。其種類有很多種，主要有數字微鏡器件(DigitalMicro-mirror Device,簡稱DMD)、毛玻璃、液晶光閥等,這裡所用到的調製為包括振幅調製在內的光強調製。
[0088]本實施例中所採用的DMD是包含有成千上萬個安裝在鉸鏈上的微鏡的陣列(主流的DMD由1024X768的陣列構成，最大可至2048 X 1152)，每一鏡片的尺寸為14μπιΧ14μπι(或16 μ mX 16 μ m)並可以通斷一個像素的光，這些微鏡皆懸浮著，通過對每一個鏡片下的存儲單元都以二進位平面信號進行電子化尋址，便可讓每個鏡片以靜電方式向兩側傾斜10-12°左右(本實施例中取+12°和-12° )，把這兩種狀態記為I和0，分別對應「開」和「關」，當鏡片不工作時，它們處於0°的「停泊」狀態。
[0089]本發明的優點在於:
[0090]本發明將壓縮感知理論與Hadamard變換編碼孔徑或模板相結合，並採用時間飛行測量技術，創造性的提出稀疏Hadamard變換超解析度三維成像方法，具有多通道、高通量、高信噪比、快速靈活的特點，適宜於常規光強、弱光、微弱光、超微弱光和單光子光譜儀成像方式，是一種動態範圍大的新型超解析度三維成像機制。通過對觀測目標對象的選擇，減小非觀測對象和背景光對成像的幹擾，進而有效提高超解析度成像信噪比，通過採用數字微陣列反射鏡技術實現對hadamard變換模板的編碼，實現多通道快速編碼成像。因此是一種新型變換超解析度三維成像技術。憑藉著這些顯著的優勢，壓縮感知的編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統必將替代原有的成像裝置的作用，將成為開展變換超解析度光學成像領域的一個重要發展方向，同時該項技術也可以廣泛應用在空間天文觀測、地基天文觀測、全天候對地觀測、夜間主動光源三維成像和對地實時多目標超解析度成像等高新科技領域。
[0091]專業人員應該還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬體、計算機軟體或者二者的結合來實現，為了清楚地說明硬體和軟體的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的範圍。
[0092]結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以用硬體、處理器執行的軟體模塊，或者二者的結合來實施。軟體模塊可以置於隨機存儲器(RAM)、內存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬碟、可移動磁碟、CD-ROM、或【技術領域】內所公知的任意其它形式的存儲介質中。
[0093]以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種編碼模板多目標超解析度時間飛行成像系統，其特徵在於，所述系統包括:望遠鏡單元、成像透鏡單元、光擴束準直單元、數字微陣列反射鏡單元、匯聚透鏡單元、光電探測器單元、壓縮算法模塊、解碼與稀疏線性算法模塊、脈衝光源單元和同步時間測量單元組成； 所述望遠鏡單元包括凹面反射鏡(I )、凸面反射鏡(2)和反射鏡(3); 所述成像透鏡單元包括第一成像透鏡(4-1)、第二成像透鏡(4-2 ); 所述數字微陣列反射鏡單元包括第一數字微陣列反射鏡(6-1)、第二數字微陣列反射鏡(6-2)和第三數字微陣列反射鏡(6-3)； 脈衝光源單元包括脈衝光源(12)、聚焦透鏡(13)、光源擴束透鏡(14)、第一光源反射鏡(15-1 )、第二光源反射鏡(15-2)和第三光源反射鏡(15-3); 同步時間 測量單元包括同步時鐘信號(16)、觸發延遲器(17)和脈寬調製器(18)； 通過第一成像透鏡(4-1)成像後，經過光擴束準直透鏡(5)將多目標圖像映射到第一數字微陣列反射鏡(6-1)表面，通過控制第一數字微陣列反射鏡(6-1)將非目標物體的背景光反射出後續光學系統；使背景雜散光反射到收光器(7);控制第一數字微陣列反射鏡(6-1)將多目標物體光場反射到第二數字微陣列反射鏡(6-2)，經其對圖像進行編碼孔徑編碼後，入射到第三數字微陣列反射鏡(6-3)，對編碼圖像進行隨機光學調製後，通過第二成像透鏡(4-2)成像後，再通過匯聚透鏡(8)匯聚後入射到光電探測器(9)，經壓縮算法模塊(10 )重構多目標編碼圖像，再經過解碼與稀疏線性算法模塊(11 )，對編碼圖像解碼後形成低分辨圖像，再通過該模塊對所有探測器獲得的多個低解析度圖像的每個像素灰度值列出稀疏線性方程組，求解最小二乘解即可獲得多目標物體的超解析度圖像；通過同步時鐘信號(17)為脈衝光源(12)提供同步脈衝信號，然後通過觸發延遲器(17)和脈寬調製器(18)為光電探測器(9)提供同步門控信號，觸發延遲器(17)延遲的時間數據作為多目標超解析度圖像的時間碼信號，最後形成超解析度三維圖像。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述望遠鏡單元具體為伽利略望遠鏡、克卜勒望遠鏡、牛頓望遠鏡、卡塞格林望遠鏡；所述望遠鏡單元結構為反射式、折射式或折返式望遠鏡；所述望遠鏡單元在光譜範圍包括紫外、可見光、紅外波段望遠鏡。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第一成像透鏡(4-1)用於對望遠鏡入射光進行成像，第二成像透鏡(4-2)用於對編碼圖像隨機空間光調製後成像。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第一數字微陣列反射鏡(6-1)將多目標圖像中的非目標的背景光和雜散光反射到收光器(7)，將有效多目標圖像反射到第二數字微陣列反射鏡(6-2)上； 所述第二數字微陣列反射鏡(6-2)將多目標圖像進行Hadamard編碼，或快速Hadamard變換算法對圖像進行編碼；其中Hadamard編碼採用H矩陣或S矩陣，所述S矩陣採用N階循環S矩陣，基於m序列構造的循環S矩陣；其中N階循環S矩陣的階數可以是7、11、15、19、23、27等數值，階數越高解析度越高；所述數字微陣列反射鏡單元還包括液晶空間光調製器； 所述第三數字微陣列反射鏡(6-3)用於將多目標編碼圖像進行隨機空間光調製後，通過第二成像透鏡(4-2)對隨機調製後的編碼圖像成像，然後輸入到匯聚透鏡(8)。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述匯聚透鏡單元由匯聚透鏡(8)將第三數字微陣列反射透鏡(6-3)隨機光調製後的圖像匯聚到一點，然後入射到對應的光電探測器(9)，通過匯聚透鏡(8)實現高通量成像，應用於弱光、超弱光和單光子成像； 所述光電探測單元由光電探測器組(9)接收對應匯聚透鏡(8)匯聚後的光信號，然後輸入到對應壓縮算法模塊(10)，其中所述光電探測器組包含M個點探測器，每個點探測器採用紫外、可見光、近紅外、紅外線陣光電探測器或單光子探測器，以光學光譜範圍或超高靈敏探測；其中單光子探測器是紫外、可見光、近紅外、紅外雪崩二極體，固態光電倍增管或超導單光子探測器。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述壓縮算法模塊(10)採用下列任意一種算法實現壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法OMP、基跟蹤算法 BP、LASSO, LARS、GPSR、貝葉斯估計算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、ll_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、10重建算法、I1重建算法、I2重建算法等,稀疏基可採用離散餘弦變換基、小波基、傅立葉變換基、梯度基或gabor變換基；通過使用上述壓縮算法模塊重構出光電探測器組對應的M個編碼圖像。
7.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述解碼與稀疏線性算法模塊(11)，通過對N個編碼圖像進行解碼後形成低解析度圖像，然後通過M個圖像中相關區域的每個像素灰度值列出線性方程組，構成稀疏線性方程組，求解最小二乘解即可獲得多目標物體的超解析度圖像。
8.根據權利要求1所述系統及方法，其特徵在於所述的脈衝光源單元中，脈衝光源(12)發射出成像照明光源，經聚焦透鏡(13)聚焦後，再通過光源擴束透鏡(14)後，再經過第一光源反射鏡(15-1 )、第二光源反射鏡(15-2)和第三光源反射鏡(15-3)反射後，照射到望遠鏡單元所觀測的有效視場區域，再經過與有效觀測目標的相關作用後，反射回接收望遠鏡單元；其中脈衝光源(12)包含紫外、可見光、近紅外和紅外波段的脈衝光源，包括超連續譜光源、超波段連續光源和雷射光源等，通過調Q開關、聲光調製器等組成的脈衝光源。
9.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第三數字微陣列反射鏡(6-3)與M個光電探測器組(9)之間，第三數字微陣列反射鏡(6-3)中的微鏡陣列每翻轉一次，光電探測器組(9)中的每個獨立探測器在該翻轉時間間隔內累計探測到達所有光強，實現光電信號採集轉換，然後送到對應的壓縮算法模塊(10 )。
10.一種編碼模板多目標超解析度時間飛行成像方法，其特徵在於，所述方法包括: 步驟I)、脈衝光源同步觸發，同步時鐘信號(16)為脈衝光源(12)提供同步脈衝信號，然後通過觸發延遲器(17)和脈寬調製器(18)為光電探測器(9)提供同步門控信號，觸發延遲器(17)延遲的時間數據Tn (1≤η≤m)作為多目標超解析度圖像的時間碼信號； 步驟2)、壓縮感知的成像調製，保持觸發延遲器(17)延遲的時間數據Tn不變，然後在脈衝光源(12)入射的成像光信號通過系列光學變換後，傳輸到數字微陣列反射鏡(6-3)上，數字微陣列反射鏡(6-3)通過加載隨機矩陣A對其反射光進行光強調製； 步驟3 )、壓縮採樣的，所述光電探測器組(9 )在對應的數字微陣列反射鏡(6-3 )每次翻轉的時間間隔內同時採樣，並將光電探測器轉換後的數值作為最終的測量值y; 步驟4)、信號重建，所述二值隨機測量矩陣A測量值y與一起作為壓縮算法模塊(10)的輸入，選取合適的稀疏基使得成像X能由最少量的係數表示，通過壓縮感知算法進行信號重建，最終實現多目標物體的編碼圖像。步驟5)、時間飛行成像，改變觸發延遲器(17)延遲的時間數據Tn，重複上述步驟(2)- (4)， 直到延遲的時間數據Tm，然後將對應的超解析度圖像與Tn時間碼重構出超解析度三維圖像。
【文檔編號】G01J3/28GK103913228SQ201410140792
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月9日 優先權日:2014年4月9日
【發明者】陳希浩, 孫志斌, 孟少英, 吳煒, 張靜, 付強 申請人:遼寧大學