[發明專利]基于隨機采樣的短波紅外單像素相機

在審

• 申請號: 201410571880.8
• 申請日: 2014-10-24
• 公開（公告）號: CN104301634A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 李智;李健;向中輝
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H04N5/33
• 分類號: H04N5/33;H04N5/225
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于短波紅外波段中圖像采集和處理領域，特別涉及一種基于隨機采樣的短波紅外單像素相機。

背景技術

在實際應用中，人們采用高速采樣對寬帶信號進行處理。根據奈奎斯特采樣定理，為了不丟失信號的信息，必須要以高于信號兩倍帶寬的采樣頻率進行采樣。為了降低存儲和傳輸的成本，又采用壓縮方式以較少的數據比特數表示信號，大量的非重要的數據被拋棄，實際提供的信息數據只占實際采樣數據的很少一部分。然后這些數據傳輸到期望的位置，再進行解壓縮，復現信號的有用信息。?

近年來在國際信號處理領域新興的壓縮傳感理論（compressive?sensing簡稱CS理論），為我們提供了一種新的圖像采集和處理思路。其核心思想是將壓縮與采樣合并進行，首先采集信號的非自適應線性投影（測量值），然后根據相應重構算法由測量值重構原始信號。壓縮傳感的優點在于信號的投影測量數據量遠遠小于傳統采樣方法所獲的數據量，突破了香農采樣定理的瓶頸，使得高分辨率信號的采集成為可能。

特定波段選用了短波紅外，短波紅外可提供可見光、微光夜視、中波、長波紅外所不能提供的信息，圖像有更好的動態范圍，細節更清晰，可實現目標辨識和晝夜全天候目標監測；穿透霧靄、煙塵的能力強，可以在煙霧下看清目標細節。

傳統的圖像采集傳輸過程中，存在采集、存儲資源的巨大浪費。將壓縮傳感理論應用于成像不僅有效的避免資源的浪費而且大大降低了系統成本和復雜度。與傳統CCD和CMOS成像儀相比,單像素相機只需一個探測器，同時進行圖像采集和壓縮，大大降低了系統的規模、成本和復雜度，在航天遙感、導彈制導、水下探測、特定信號探測等領域應用前景廣闊。使用靈敏度更高的探測器,可以探測更加微弱的信號。

發明內容

本發明提出一種基于隨機采樣的短波紅外單像素相機，通過對稀疏信號進行觀測，只需少量觀測點就能精確的重構原始信號。基于壓縮傳感理論，采用?DMD數字微鏡結合單點探測器，而非傳統?CCD，進行數字成像，突破了傳統數字成像系統的設計，建立了新型的成像系統；該發明選用短波紅外波段，因為短波紅外圖像有很好的動態范圍，成像細節更清晰，同時穿透能力強，可在惡劣環境中工作；該發明首先利用第一透鏡組對短波紅外場景入射光匯聚到DMD陣列上；第二透鏡組將DMD陣列上的反射光線匯聚到單點傳感器上；DMD陣列將從第一透鏡組匯聚的光通過測量矩陣的微鏡片把光線反射到第二透鏡上；單點傳感器接收DMD陣列反射的光線，將光信號轉換為電信號；圖像重建模塊對從?A/D?接收的數字信號進行圖像重建，具體為：選擇DMD的測量矩陣，對數字信號進行稀疏表示，并求出稀疏表示中的過渡矩陣，對1范數求約束最小，從而得到重建的圖像。

附圖說明

圖1是本發明的結構框圖

圖2是本發明的光路原理圖

圖3是本發明中壓縮感知理論的框架圖

圖4是本發明的實驗原始漢字“中”圖

圖5是本發明的實驗原始漢字“國”圖

圖6是本發明的測量率為10%的漢字恢復“中”圖

圖7是本發明的測量率為10%的漢字恢復“國”圖

圖8是本發明的測量率為20%的漢字恢復“中”圖

圖9是本發明的測量率為20%的漢字恢復“國”圖

圖10是本發明的測量率為30%的漢字恢復“中”圖

圖11是本發明的測量率為30%的漢字恢復“國”圖。

具體實施方式

本發明基于隨機采樣的短波紅外單像素相機，具體步驟如下：

信號的稀疏表示：

長度為N的離散實值信號x，記為x(n)，n∈[1,?2,?…,?N]。由信號理論可知x能用一組基ψ，T＝[ψ1，?ψ2,…,?ψM]線性表示，則：x＝ψs，其中s為信號x的K稀疏表示，稱ψ為信號x的稀疏基。

第一透鏡組將場景入射光匯聚到DMD陣列上：

短波紅外入射光通過第一透鏡組，光線被匯聚在數字微鏡設備（DMD陣列）上，將DMD陣列放置在第一透鏡組所成像面上，對每個像素進行光路調制。