[發明專利]一種單像素毫米波成像裝置和方法

有效

• 申請號: 201410092842.4
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103809176A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 武帥;涂昊;馮輝
• 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: G01S13/89
• 分類號: G01S13/89
• 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

本發明涉及一種單像素毫米波成像裝置技術，屬于毫米波成像技術領域。

背景技術

毫米波成像技術在許多領域有著廣闊的應用前景，例如安檢安防、化學品鑒別、氣象探測、地球遙感技術、飛行盲降系統、射電天文學等。毫米波成像系統可以采用單像素（單探測器）模式，通過機械掃描使接收天線依次對準目標上的每一個成像區域；也可采用多探測器或天線陣列模式，可直接對較大區域實現成像。

目前的毫米波成像系統存在的不足主要有：

（1）單像素系統多采用機械掃描成像方式，圖像信噪比低，成像速度較慢，尤其是對于被動式成像，在有些應用場合，對于具有數千像素的圖像總成像時間可達小時的量級，只能滿足對靜止目標和極緩慢運動目標成像的要求。

（2）陣列式系統中的單個探測陣元多為輻射熱計，其探測性能如信噪比等無法與單探測器相比，因而陣列式成像系統的圖像分辨率往往不及單探測器，同時陣列系統的成本也遠遠高于單像素系統。

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，每一編碼單元的大小不小于波長的一半，成像過程一般需要大量的編碼序列，而實現快速且可自動變換的空間編碼往往需要響應速度較快的空間光調制器。在可見光到近紅外等波段，空間光調制技術已經比較成熟，如數字微鏡陣列、液晶空間光閥等，這使得壓縮感知技術在這些波段比較易于實現，現在提出的壓縮感知成像系統也基本都工作在可見光到紅外波段。然而在毫米波等波長更長的區域，現在還缺少速度快、調制深度高、技術成熟的空間光調制器。若不采用空間光調制器，另一種空間編碼的實現方式是制作表面具有編碼結構的機械模板。這種機械模板可以通過二維平移臺來進行更換，但這種方法變換模板速度很慢，不能充分體現壓縮感知提升成像速度的優勢，對于大圖像來說，所需模板尺寸也十分巨大，因而機械模板無法應用到具有大量像素值的大圖像成像上。這些因素都導致壓縮感知原理還無法與毫米波技術很好地結合。

發明內容

為有效提高毫米波成像的速度和信噪比，提升系統的大圖像處理能力，本發明提出一種單像素毫米波成像裝置技術，實現了壓縮感知原理與毫米波成像技術的融合。

本發明的思想在于：將大圖像上的每一列作為一幅獨立的圖像處理，采用壓縮感知算法對每一列進行一維信號重構，使得整個系統僅需使用一列成像所需的編碼矩陣模板數目，大大減小了所需模板的尺寸，同時使用并行計算技術，在對新一列進行采樣時即可對前一列進行圖像重構計算，并可同時計算多列信號。

本發明的一種單像素毫米波成像裝置技術是通過如下技術方案來實現的：

一種單像素毫米波成像裝置技術，包括平面鏡（1）、編碼矩陣模板（2）、列狹縫模板（3）、會聚反射鏡（4）、接收天線（5）、數據采集卡（6）、中心控制CPU（7）、并行計算CPU（8）、顯示屏（9）和控制模塊（10)；帶有被成像物體信息的毫米波輻射經過前端光學系統進入成像裝置后，經過平面鏡（1）反射后依次穿過編碼矩陣模板（2）、列狹縫模板（3），經會聚反射鏡（4）匯聚后進入接收天線（5）；接收天線（5）的輸出端數據通過數據采集卡（6）連接中心控制CPU（7）；中心控制CPU（7）連接各并行計算CPU（8）。

優化的，編碼矩陣模板（2）和列狹縫模板（3）緊密靠近放置于前端毫米波光學系統的像平面上；編碼矩陣模板（2）與列狹縫模板（3）到會聚反射鏡（4）中心的距離和接收天線（5）到會聚反射鏡（4）中心的距離符合會聚反射鏡（4）的物像關系。

優化的，編碼矩陣模板（2）和列狹縫模板（3）通過控制模塊（9）連接中心控制CPU（6）的控制信號輸出端口。