專利名稱：X射線脈沖星成像儀及其編碼成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種X射線脈沖星成像儀及其編碼成像方法，尤其適用于X攝像脈沖星天區(qū)圖像的獲取，為航天器的導(dǎo)航提供更加豐富的視覺信息。
背景技術(shù)：
基于X射線脈沖星的導(dǎo)航方法一直是 航天器自主導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其基本原理是探測脈沖星輻射的X射線光子，測量脈沖到達(dá)時(shí)間(TOA)和提取影像信息，經(jīng)過相應(yīng)的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)航天器自主高精度確定軌道、時(shí)間和姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)的過程。由此可見，利用X射線脈沖星確定航天器導(dǎo)航參數(shù)過程中，通常采用兩種獨(dú)立模式一是以光子計(jì)數(shù)器提取的脈沖信號(hào)和相位為輸入信息，輸出為航天器位置、速度和時(shí)間信息；二是以X射線成像儀提取的脈沖星方向矢量為輸入信息，輸出為航天器姿態(tài)信息。脈沖星導(dǎo)航的設(shè)想最早由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室于1974年提出；1981年美國通信系統(tǒng)研究所的T. J. Chester和S. A. Butman等提出利用脈沖星福射的X射線信號(hào)為航天器導(dǎo)航的構(gòu)想；隨后美國各研究機(jī)構(gòu)不斷通過搭載X射線探測器實(shí)驗(yàn)等來驗(yàn)證X射線脈沖星導(dǎo)航的可行性。2004年，美國DARPA提出“X射線脈沖星導(dǎo)航與自主定位驗(yàn)證(XNAV)”計(jì)劃，整個(gè)計(jì)劃分三階段實(shí)施，最終目的是建立一個(gè)能夠提供定軌精度10m、定時(shí)精度Ins、姿態(tài)測量精度3as的脈沖星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，以滿足未來航天任務(wù)從近地軌道、深空至星際空間飛行的全程高精度自主導(dǎo)航和運(yùn)行管理需求。同時(shí)美國NASA也于2006年2月啟動(dòng)利用X射線脈沖星的深空探測器自主導(dǎo)航技術(shù)研究計(jì)劃。國內(nèi)X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)研究起步較晚，主要集中在X射線脈沖星導(dǎo)航的基本概念和原理、理論模型和算法、脈沖星信號(hào)處理等，涉及的研究單位主要包括中國空間技術(shù)研究院、北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院高能物理研究所、清華大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、中國航天科工信息技術(shù)研究院、中國科學(xué)院國家授時(shí)中心、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)和裝甲兵工程學(xué)院等。盡管美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Wood博士早在1993年就提出X射線脈沖星導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)確定的構(gòu)想，但從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，目前的研究多集中在測量X射線脈沖星的Τ0Α，確定航天器位置和軌道的方法。如何利用X射線成像儀對(duì)X射線脈沖星進(jìn)行探測，如何利用X射線脈沖星的影像信息來計(jì)算航天器的姿態(tài)信息，對(duì)航天器自主導(dǎo)航的姿態(tài)確
定非常重要。傳統(tǒng)的X射線天文觀測中最典型的是編碼多孔徑成像技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)步驟是先利用編碼多針孔相機(jī)獲取目標(biāo)信息，再采用光學(xué)或數(shù)字處理方法重構(gòu)原目標(biāo)圖像。由于目標(biāo)經(jīng)編碼孔徑相機(jī)成一個(gè)重疊像，清晰且高實(shí)時(shí)性地恢復(fù)圖像存在著困難，而X射線源圖像的實(shí)時(shí)成像恰恰是X射線脈沖星導(dǎo)航通過影像信息獲取航天器姿態(tài)信息的關(guān)鍵。于是很自然的引出一個(gè)問題，能否利用其它變換空間描述并采樣圖像信號(hào)，回避圖像采樣的重疊問題，建立新的信號(hào)描述和處理的框架。近年來出現(xiàn)的壓縮感知理論(CS: Compressive Sensing)啟發(fā)我們，圖像信號(hào)的采樣與壓縮能夠同時(shí)以低速率進(jìn)行，比如M維的信號(hào)可以通過少量的N次觀測，即N〈M，便能夠以高概率重構(gòu)出原始的M維信號(hào)，使得傳感器的采樣和計(jì)算成本大大降低。圖像信號(hào)的重構(gòu)與恢復(fù)過程是求解優(yōu)化問題的過程，記*是M維的任意采樣信號(hào)，通過iixM維的隨機(jī)觀測矩陣Φ與采樣信號(hào)X相乘，得到較低維的觀測向量Y，即1=1，最后利用O-范數(shù)意義下的優(yōu)化問題求解X。由于脈沖星天區(qū)圖像信號(hào)具有可壓縮性，因此通過稀疏表示方法合理地設(shè)計(jì)觀測矩陣，能將高維信號(hào)投影到低維空間進(jìn)行壓縮采樣，然后通過求解優(yōu)化問題從少量采樣信號(hào)中重構(gòu)出原始圖像信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種通過壓縮感知理論以較少的采樣點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高分辨率的脈沖星天區(qū)影像信息獲取的X射線脈沖星成像儀及其編碼成像方法。為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案 一種X射線脈沖星成像儀，其特殊之處在于包括X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器、控制機(jī)構(gòu)、第一 X射線光學(xué)器件、隨機(jī)觀測模板、第二 X射線光學(xué)器件、單探測器、計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)、圖像顯示器、隨機(jī)觀測模板行列控制器，控制機(jī)構(gòu)與X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器連接，X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器及其控制機(jī)構(gòu)依次連接第一 X射線光學(xué)器件、隨機(jī)觀測模板、第二 X射線光學(xué)器件、單探測器、計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)，計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)通過行列控制算法來控制隨機(jī)觀測模板的行列控制器，并與隨機(jī)觀測模板連接控制隨機(jī)觀測模板的狀態(tài)；計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)另一路與圖像顯示器連接。一種X射線脈沖星成像儀的編碼成像方法，其特殊之處在于所述的方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一 χ射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器不斷地對(duì)天空進(jìn)行巡天掃描與搜索，始終將X射線脈沖星成像儀的光學(xué)觀測平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)指定的X射線脈沖星所在的天區(qū)；
步驟二 χ射線脈沖星及天區(qū)圖像所輻射的X射線經(jīng)第一 X射線光學(xué)器件會(huì)聚到隨機(jī)觀測模板，計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)通過隨機(jī)模板行列控制器來控制隨機(jī)觀測模板，產(chǎn)生隨機(jī)模板單元Φ對(duì)像素進(jìn)行隨機(jī)采樣，得到一個(gè)從原始圖像整幅圖像獲取的隨機(jī)變換的電磁脈沖信號(hào)；0代表的是隨機(jī)模板單兀的隨機(jī)米樣的電磁脈沖信號(hào)；
步驟三由隨機(jī)觀測模板獲取的若干電磁脈沖信號(hào)，經(jīng)第二 X射線光學(xué)器件逐個(gè)會(huì)聚到單探測器上，并依次輸出電壓信號(hào)序列Γ
步驟四計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)根據(jù)原始圖像的空間結(jié)構(gòu)和測量空間形成的映射關(guān)系，由Γ 精確或近似恢復(fù)出原始圖像I,并在屏幕上顯示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有X射線成像技術(shù)中存在的共同問題一是利用目前單點(diǎn)X射線探測器成熟技術(shù)，通過合理地設(shè)計(jì)隨機(jī)模板即可完成X射線天區(qū)圖像成像，且圖像采樣過程中已壓縮了無用信息，減輕了計(jì)算機(jī)圖像處理任務(wù)，有效提高了成像效率；二是隨機(jī)模板的設(shè)計(jì)可以通過隨機(jī)行列控制器控制空間光調(diào)制器、控制柔性隨機(jī)PCB模板等多種方法實(shí)現(xiàn)，避免了國外器件的禁運(yùn)和高成本等問題。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。參見圖1，本發(fā)明包括X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器、控制機(jī)構(gòu)、第一 X射線光學(xué)器件、隨機(jī)觀測模板、第二 X射線光學(xué)器件、單探測器、計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)、圖像顯示器、隨機(jī)觀測模板行列控制器，控制機(jī)構(gòu)與X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器連接，X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器及其控制機(jī)構(gòu)依次連接第一 X射線光學(xué)器件、隨機(jī)觀測模板、第二 X射線光學(xué)器件、單探測器、計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)，計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)通過行列控制算法來控制隨機(jī)觀測模板的行列控制器，并與隨機(jī)觀測模板連接控制隨機(jī)觀測模板的狀態(tài)；計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)另一路與圖像顯示器連接，完成 采集圖像的顯示。X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器及其控制機(jī)構(gòu)，主要保證整個(gè)成像系統(tǒng)始終對(duì)準(zhǔn)X射線脈沖星所在的天區(qū)，并經(jīng)過第一 X射線光學(xué)器件初步會(huì)聚到隨機(jī)觀測模板。再經(jīng)過隨機(jī)觀測模板、第二 X射線光學(xué)器件、單探測器、計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)、圖像顯示器、隨機(jī)觀測模板行列控制器完成壓縮感知理論體系下的圖像采樣與重構(gòu)。本項(xiàng)目的具體實(shí)施方案如下
X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器通過對(duì)天空進(jìn)行巡天掃描與搜索，對(duì)準(zhǔn)指定的X射線脈沖星天區(qū)，保證X射線脈沖星成像儀的光學(xué)觀測系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)X射線脈沖星所在的天區(qū)；
控制機(jī)構(gòu)通過電機(jī)控制使得X射線脈沖星光學(xué)系統(tǒng)能夠跟隨掃描對(duì)準(zhǔn)器，保證X射線光學(xué)器件對(duì)準(zhǔn)X射線脈沖星所在的天區(qū)位置；
第一 X射線光學(xué)器件將脈沖星及其天區(qū)圖像的X射線會(huì)聚到隨機(jī)觀測模板；
隨機(jī)觀測模板陣列控制器隨機(jī)地控制模板各個(gè)單元的開啟與關(guān)閉，開啟時(shí)使得X射線透過并到第二 X射線光學(xué)器件；
第二X射線光學(xué)器件通過隨機(jī)觀測模板各個(gè)單元的依次開啟，使得第二X射線光學(xué)器件依次將X射線會(huì)聚到單探測器上；
單探測器采集X射線輻射的能量信息，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其依次輸出給計(jì)算機(jī)處理平
臺(tái)；
計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)對(duì)單探測器依次采集的能量信息通過壓縮感知理論，進(jìn)行恢復(fù)與重建，還原原始圖像信息，同時(shí)控制隨機(jī)觀測模板行列控制器；
圖像顯示器對(duì)重建的X射線脈沖星天區(qū)圖像進(jìn)行顯示；
隨機(jī)觀測模板行列控制器根據(jù)計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)的要求，產(chǎn)生隨機(jī)觀測模板的控制策略，完成隨機(jī)觀測模板的控制。本發(fā)明的成像方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一 χ射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器不斷地對(duì)天空進(jìn)行巡天掃描與搜索，始終將X射線脈沖星成像儀的光學(xué)觀測平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)指定的X射線脈沖星所在的天區(qū)；
步驟二 X射線脈沖星及天區(qū)圖像所輻射的X射線經(jīng)第一 X射線光學(xué)器件會(huì)聚到隨機(jī)觀測模板，隨機(jī)模板行列控制器來控制隨機(jī)觀測模板產(chǎn)生的隨機(jī)模板單元Φ對(duì)像素進(jìn)行隨機(jī)采樣，產(chǎn)生一個(gè)從原始圖像整幅圖像獲取的隨機(jī)變換的電磁脈沖信號(hào)；
步驟三由隨機(jī)觀測模板獲取的若干電磁脈沖信號(hào)，經(jīng)第二 X射線光學(xué)器件逐個(gè)會(huì)聚到單探測器上，并輸出電壓信號(hào)Γ ；
步驟四計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)根據(jù)原始圖像的空間結(jié)構(gòu)和測量空間形成的映射關(guān)系，由Γ=Φτ精確或近似恢復(fù)出原始 圖像I并在屏幕上顯示。
權(quán)利要求
1.一種X射線脈沖星成像儀，其特征在于包括X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器、控制機(jī)構(gòu)、第一 X射線光學(xué)器件、隨機(jī)觀測模板、第二 X射線光學(xué)器件、單探測器、計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)、圖像顯示器、隨機(jī)觀測模板行列控制器，控制機(jī)構(gòu)與X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器連接，X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器及其控制機(jī)構(gòu)依次連接第一 X射線光學(xué)器件、隨機(jī)觀測模板、第二 X射線光學(xué)器件、單探測器、計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)，計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)通過行列控制算法來控制隨機(jī)觀測模板的行列控制器，并與隨機(jī)觀測模板連接控制隨機(jī)觀測模板的狀態(tài)；計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)另一路與圖像顯示器連接。
2.一種X射線脈沖星成像儀的編碼成像方法，其特征在于所述的方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一 x射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器不斷地對(duì)天空進(jìn)行巡天掃描與搜索，始終將X射線脈沖星成像儀的光學(xué)觀測平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)指定的X射線脈沖星所在的天區(qū)； 步驟二 x射線脈沖星及天區(qū)圖像所輻射的X射線經(jīng)第一 X射線光學(xué)器件會(huì)聚到隨機(jī)觀測模板，計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)通過隨機(jī)模板行列控制器來控制隨機(jī)觀測模板，產(chǎn)生隨機(jī)模板單元Φ對(duì)像素進(jìn)行隨機(jī)采樣，得到一個(gè)從原始圖像整幅圖像獲取的隨機(jī)變換的電磁脈沖信號(hào)；φ代表的是隨機(jī)模板單元的隨機(jī)米樣的電磁脈沖信號(hào)； 步驟三由隨機(jī)觀測模板獲取的若干電磁脈沖信號(hào)，經(jīng)第二 X射線光學(xué)器件逐個(gè)會(huì)聚到單探測器上，并依次輸出電壓信號(hào)序列Jr; 步驟四計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)根據(jù)原始圖像的空間結(jié)構(gòu)和測量空間形成的映射關(guān)系，由Γ =Φ*Γ精確或近似恢復(fù)出原始圖像X并在屏幕上顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種X射線脈沖星成像儀及其成像方法。本發(fā)明包括X射線巡天掃描對(duì)準(zhǔn)器、控制機(jī)構(gòu)、第一X射線光學(xué)器件、隨機(jī)觀測模板、第二X射線光學(xué)器件、單探測器、計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)、圖像顯示器、隨機(jī)觀測模板行列控制器；被采集的X射線天區(qū)圖像經(jīng)過隨機(jī)觀測模板匯聚到單探測器，完成了X射線脈沖星天區(qū)圖像的稀疏采樣和量化，通過計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)完成恢復(fù)與重構(gòu)，其成像方法是利用得到的X射線天區(qū)圖像的壓縮觀測向量，通過重構(gòu)得到X射線天區(qū)圖像。本發(fā)明通過合理地設(shè)計(jì)隨機(jī)模板即可完成X射線天區(qū)圖像成像，且圖像采樣過程中已壓縮了無用信息，減輕了計(jì)算機(jī)圖像處理任務(wù)，有效提高了成像效率。
文檔編號(hào)G01C21/24GK102829787SQ20121031303
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者馮冬竹, 袁曉光, 何曉川, 郭鶴鶴, 白淵杰, 鄧鑒, 許錄平 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)