[發明專利]快速大圖像單像素成像裝置和方法

有效

• 申請號: 201410092819.5
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103837137A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 涂昊;武帥
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三十八研究所
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00
• 代理公司: 安徽匯樸律師事務所 34116
• 代理人: 丁瑞瑞

所屬技術領域

本發明涉及一種快速大圖像單像素成像裝置和方法，屬于成像技術領域。

背景技術

成像技術在各行各業中無處不在，例如可見光的照相機和攝像機、物質分析中的光譜成像、地球探測中的遙感成像、醫學中的X射線成像、雷達成像、紅外波段的熱成像、安檢安防中的毫米波和太赫茲成像等。根據成像系統中探測器的數量，成像技術可以分為單像素(單探測器)技術和陣列（多探測器）技術兩種。單像素技術使用單一探測器，通常通過移動探測器或者移動系統中成像元件的方式實現對目標的掃描成像。陣列技術通常則不需要移動任何元件，可直接在像平面上同時探測多點的信息，直接生成目標的像。

在可見光波段，陣列技術已經十分成熟，如CCD技術等。然而在電磁波譜中更為廣闊的其他波段，例如毫米波、太赫茲、紅外等區域，陣列式探測器的成本高昂，且其元件性能（如靈敏度等）達不到單探測器獨立工作時的水平，因而在這些波段，單像素技術體現出了其優勢。采用機械掃描的單像素技術的主要問題在于其成像速度慢，每次僅采集圖像上一個很小區域的信號，信噪比不高，尤其是在很多被動成像場合，需要很長的時間采集微弱的信號，無法實現對運動目標實時成像的要求。

近年來，壓縮感知（Compressive?Sensing）理論為單像素成像提供了新的解決思路。其核心思想是利用信號的稀疏特性，采用小于Nyquist采樣極限的采樣數據量，通過一定的重構算法，求解欠定線性方程組，恢復出原始信號。壓縮感知技術可以有效地降低圖像的采樣率，縮短采樣時間，而且由于壓縮感知成像中探測器收到的信號是由圖像上多點的信號累加而成，其信噪比也得到大幅提高。一些應用壓縮感知的單像素成像技術方案已經被提出，如已有專利：一種光場采樣及重構方法與裝置，公開（公告）號：CN102306291A。

現有的壓縮感知成像方案多采用對圖像進行空間編碼的方式來實現，成一幅圖像往往需要更換多次空間編碼，因而需要一個較長的編碼序列。隨著圖像像素的增多，編碼序列的長度快速增長，同時重構算法中的計算量以及所需計算機的存儲量也平方級地增長，這導致重構一幅圖像所需的時間隨著圖像尺度的增大而快速延長。這些瓶頸都導致具有很多像素的大圖像（例如1920×1200像素）的快速成像超出了單像素成像的能力范疇。而且采用壓縮感知技術往往需要等待圖像中的所有數據都采集完畢后才可開始圖像重構的計算，在采集數據期間計算機則相對空閑，計算機資源和時間沒有得到充分利用。另一方面，在毫米波太赫茲等波段，完成空間編碼所需的空間光調制技術缺乏，如采用機械調制的方式則更換編碼的速度相對較慢，而且像素很多的大圖像也將導致異常龐大的機械編碼模塊。

綜上所述，單像素系統對于大圖像的快速成像依然是單像素成像領域一個尚未解決的難題。

發明內容

為解決單像素成像系統對于大圖像快速成像能力不足，無法合理有效地利用計算機資源的問題，提出一種快速大圖像單像素成像裝置和方法。

本發明的思想在于：使用一個長度很短的編碼序列生成系統中所需的所有編碼序列和矩陣，采用列編碼的模式替代在整個像平面上進行編碼的模式，每一列均采用同一個短編碼序列和重構算法，所需解決的重構問題的復雜性尺度實現了數量級的降低，同時逐列編碼的模式也使得系統可以在采集數據時就同步地進行重構計算。

本發明的快速大圖像單像素成像裝置和方法是通過如下技術方案來實現的：

一種快速大圖像單像素成像裝置，包括前端成像裝置、列調制裝置、探測裝置、中央控制裝置和并行計算裝置；所述前端成像裝置將帶有被測目標信息的信號成像于列調制裝置所在平面；所述列調制裝置使用中央控制裝置中預存的短編碼序列逐列形成一維空間調制花紋，對目標信號進行一維空間編碼；所述探測裝置檢測空間編碼后的累加強度信號，并將其送入中央控制裝置進行處理；所述中央控制裝置用于對所述快速大圖像單像素成像裝置的各個系統組件進行時間同步，對列調制裝置空間編碼序列的更換進行控制，并將探測裝置輸入的信號分配至并行計算裝置進行圖像重構，并行裝置的圖像重構結果送回中央控制裝置并組合為目標圖像。

優選的，所述的短編碼序列是由0、1組成的二進制編碼序列，其長度為圖像沿列方向的像素值N₁。

優選的，所述的前端成像裝置是成像透鏡反射鏡組。

優選的，所述的列調制裝置是一種可一維編碼的空間光調制器，放置于所述前端成像裝置的像平面上。

優選的，所述的空間光調制器每一單元大小對應于圖像的一個像素；每一單元均可根據編碼序列被置于高透過（全透過）或低透過（不透過）兩種狀態之一。