一種基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，包括：偏振光源發(fā)射單元、擴束透鏡、第四準(zhǔn)直透鏡、隨機光學(xué)調(diào)制單元、稀疏孔徑單元、自由空間準(zhǔn)直單元、光束反射單元、束斑合成單元、第一透鏡、偏振光分束器、全反射鏡、會聚收光透鏡、光探測器以及壓縮計算關(guān)聯(lián)算法模塊；偏振光源發(fā)射單元發(fā)出的偏振光照射到隨機光學(xué)調(diào)制單元，進(jìn)行隨機相位調(diào)制，將偏振光反射到第一透鏡；傳播到待測物體；待測物體反射偏振光，反向傳播進(jìn)入會聚收光透鏡，聚焦到光探測器；采集光信號，輸出測量數(shù)序列；隨機光學(xué)調(diào)制單元和光探測器之間同步；將最終測量矩陣與測量數(shù)序列傳輸?shù)綁嚎s計算關(guān)聯(lián)算法模塊，通過壓縮計算關(guān)聯(lián)算法重構(gòu)物體的反射光圖像。
【專利說明】一種基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)及方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及稀疏孔徑主動成像領(lǐng)域，特別涉及一種基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在中遠(yuǎn)距離目標(biāo)的成像探測中，根據(jù)有無照明光源，分為主動成像和被動成像兩種成像方式。被動成像最大的特點就是本身不帶光源，依賴目標(biāo)或環(huán)境反射太陽等自然光或目標(biāo)自身輻射，使用成像設(shè)備檢測這些微弱信號并最終成像。主動成像是指利用人工照明的方式，采用一個人造光學(xué)輻射源照射目標(biāo)，并利用接收機收集和探測目標(biāo)景物直接或反射后的部分光輻射并最后成像。由于激光具有高強度、高準(zhǔn)直性、單色性好、易于同步等優(yōu)點，因而在主動成像系統(tǒng)中常常采用激光器作為照明光源來照射遠(yuǎn)處小目標(biāo)，探測激光脈沖回波信號，獲得遠(yuǎn)處小目標(biāo)的高分辨率圖像。利用激光主動成像技術(shù)與先進(jìn)的圖像處理技術(shù)相結(jié)合探測目標(biāo)，可提高遠(yuǎn)距離目標(biāo)圖像的分辨率，可以在全天時、零照度條件下，隨時在所關(guān)心的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)探測，在中遠(yuǎn)距離成像上具有重要的實用價值和廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]激光主動成像系統(tǒng)獲取的圖像中，電子線路干擾、探測器噪聲(包括熱噪聲、散粒噪聲、光子噪聲)等都會對所成圖像造成影響。激光在大氣中傳輸時，大氣湍流會導(dǎo)致激光閃爍，在圖像上會產(chǎn)生斑紋。此外，由于激光的相干性，所生成的圖像會受到散斑噪聲污染。圖像的散斑噪聲印制問題突出，在抑制噪聲時還要保持細(xì)節(jié)信息，在技術(shù)實現(xiàn)上十分困難。另外，激光主動成像一般采用面陣探測器，面陣探測器帶來的電學(xué)噪聲和成本不容忽視。此外，在微光和夜視、遠(yuǎn)距離小目標(biāo)探測和深空目標(biāo)探測成像等應(yīng)用領(lǐng)域，亮度低，受大氣的傳輸性影響嚴(yán)重，尤其是大氣的后向散射，使最靈敏的微光電視系統(tǒng)也不能提供足夠的分辨率，很難探測和識別目標(biāo)，而紅外成像系統(tǒng)也受到溫度對比低的限制。因而在弱光探測時單位像素上的感光靈敏度成為制約弱光主動成像的主要因素，當(dāng)光均衡到平面上，單位像素上的通光量也隨之 下降，如何提高通光量和減少噪聲，已經(jīng)成為現(xiàn)有激光主動成像系統(tǒng)的瓶頸問題，唯有改變成像方式，提出新的成像理念，才能打破這一限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的激光主動成像系統(tǒng)所具有的缺陷，從而提供一種低成本、高效率的主動成像系統(tǒng)與方法。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，包括:偏振光源發(fā)射單元19、擴束透鏡18、第四準(zhǔn)直透鏡17、隨機光學(xué)調(diào)制單元16、稀疏孔徑單元、自由空間準(zhǔn)直單元、光束反射單元、束斑合成單元13、第一透鏡14、偏振光分束器15、全反射鏡20、會聚收光透鏡21、光探測器22以及壓縮計算關(guān)聯(lián)算法模塊23 ;其中，所述稀疏孔徑單元包括至少三個子望遠(yuǎn)鏡透鏡，所述自由空間準(zhǔn)直單元包括至少三個準(zhǔn)直透鏡，所述光束反射單元包括至少三個反射鏡組；一子望遠(yuǎn)鏡透鏡、一準(zhǔn)直透鏡、一反射鏡組形成一條光路；
[0006]所述偏振光源發(fā)射單元19所發(fā)出的偏振光經(jīng)所述擴束透鏡18擴束、第四準(zhǔn)直透鏡17準(zhǔn)直后照射到所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16，所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16加載隨時間變化的散斑以對偏振光進(jìn)行隨機相位調(diào)制，然后通過所述偏振光分束器15將隨機調(diào)制后的偏振光反射到所述第一透鏡14 ;接著依次通過所述束斑合成單元13、光束反射單元、自由空間準(zhǔn)直單元以及稀疏孔徑單元傳播到待測物體；待測物體反射所接收到的偏振光，反向傳播通過稀疏孔徑單元、自由空間準(zhǔn)直單元、光束反射單元、束斑合成單元13、第一透鏡14、偏振光分束器15、全反射鏡20后進(jìn)入所述會聚收光透鏡21，通過所述會聚收光透鏡21聚焦到所述光探測器22 ;所述光探測器22采集光信號，輸出測量數(shù)序列；所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16和所述光探測器22之間同步；計算出加載在所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16上的隨時間變化的散斑傳播到物體表面上的光場分布，以得到最終測量矩陣，將所述最終測量矩陣與多個同步周期內(nèi)測量得到的測量數(shù)序列傳輸?shù)剿鰤嚎s計算關(guān)聯(lián)算法模塊23，由所述壓縮計算關(guān)聯(lián)算法模塊23通過壓縮計算關(guān)聯(lián)算法重構(gòu)物體的反射光圖像。
[0007]上述技術(shù)方案中，所述稀疏孔徑單元包括第一子望遠(yuǎn)鏡透鏡1、第二子望遠(yuǎn)鏡透鏡2和第三子望遠(yuǎn)鏡透鏡3 ;所述自由空間準(zhǔn)直單元包括第一準(zhǔn)直透鏡4、第二準(zhǔn)直透鏡5和第三準(zhǔn)直透鏡6 ;所述光束反射單元包括由第一反射鏡7、第二反射鏡8組成的第一反射鏡組，由第三反射鏡9、第四反射鏡10組成的第二反射鏡組，由第五反射鏡11、第六反射鏡12組成的第三反射鏡組；
[0008]所述第一子望遠(yuǎn)鏡透鏡1、第一準(zhǔn)直透鏡4、第一反射鏡組形成第一光路，所述第二子望遠(yuǎn)鏡透鏡2、第二準(zhǔn)直透鏡5、第二反射鏡組形成第二光路，所述第三子望遠(yuǎn)鏡透鏡
3、第三準(zhǔn)直透鏡6、第三反射鏡組形成第三光路。
[0009]上述技術(shù)方案中，所述稀疏孔徑單元中的各個子望遠(yuǎn)鏡透鏡的空間組合方式包括:小孔徑望遠(yuǎn)鏡陣列或Golay-6或Golay-9或環(huán)形或環(huán)面或三壁。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述空間準(zhǔn)直單元中的各個準(zhǔn)直透鏡的空間組合方式包括:準(zhǔn)直透鏡陣列組或反射式準(zhǔn)直鏡。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述偏振光分束器15包括起偏器、檢偏器、四分之一玻片和偏振棱鏡，用于對單色光或連續(xù)譜光源實現(xiàn)單方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；實現(xiàn)紫外光、可見光、近紅外和紅外光波段的偏振光的分束功能。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16用于實現(xiàn)相位調(diào)制，以模擬出負(fù)指數(shù)分布的散斑光場；所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16采用包括毛玻璃、液晶光閥在內(nèi)的空間光調(diào)制器實現(xiàn)。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述光探測器22采用光電轉(zhuǎn)換點探測器或桶探測器或單像素探測器或光電倍增管或雪崩二極管或超導(dǎo)單光子探測器中的任意一種實現(xiàn)，波長范圍涵蓋紫外、可見光、近紅外、紅外光波段；當(dāng)配置單光子探測器時需要在其后連接相應(yīng)的計數(shù)器，以計量光子脈沖個數(shù)。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述壓縮計算關(guān)聯(lián)算法模塊23采用下列任意一種算法實現(xiàn)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、Itl重建算法、I1重建算法、I2重建算法，稀疏基采用離散余弦變換基、小波基、傅里葉變換基、梯度基、gabor變換基中的任意一種。
[0015]本發(fā)明還提供了一種基于所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)所實現(xiàn)的主動成像方法，包括:
[0016]步驟I)、稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的相位調(diào)制的步驟；
[0017]所述偏振光源發(fā)射單元19發(fā)出的偏振光經(jīng)過擴束準(zhǔn)直后入射到所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16，經(jīng)所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16做隨機調(diào)制后通過稀疏孔徑系列光學(xué)變換后，自由傳播到待測物體；其中，所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16通過加載隨時間變化的散斑對所述偏振光源發(fā)射單元19發(fā)出的偏振光進(jìn)行相位調(diào)制；
[0018]步驟2)、壓縮采樣的步驟；
[0019]所述光探測器22在所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16每次調(diào)制的時間間隔內(nèi)同時采集到達(dá)的光信號，調(diào)制m次，將光電轉(zhuǎn)換后的數(shù)值組成mX I的測量值向量y ；
[0020]步驟3)、計算關(guān)聯(lián)成像中自由空間光場傳播的步驟；
[0021]通過惠更斯-菲涅爾衍射公式計算出所述隨機光學(xué)調(diào)制單元16上所加載的調(diào)制散斑光場通過自由空間光場傳播到物體面上的光場分布，將計算結(jié)果作為最終的測量矩陣A ；
[0022]步驟4)、信號重建的步驟；
[0023]將步驟3)得到的所述測量矩陣A與步驟2)得到的所述測量值j 一起作為所述壓縮計算關(guān)聯(lián)算法模塊23的輸入，選取合適的稀疏基使得反射物體成像χ能由最少量的系數(shù)表示，通過壓縮計算關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行信號重建，最終實現(xiàn)對反射物體的壓縮感知稀疏孔徑計算關(guān)聯(lián)的主動成像。
[0024]上述技術(shù)方案中，所述壓縮計算關(guān)聯(lián)模塊23中所采用的壓縮計算關(guān)聯(lián)算法的核心為壓縮感知最優(yōu)化算法，在目標(biāo)函數(shù)上結(jié)合了關(guān)聯(lián)成像的成像約束條件，將壓縮感知最優(yōu)化算法的關(guān)鍵目標(biāo)函數(shù)修改為:
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于，包括:偏振光源發(fā)射單元(19)、擴束透鏡(18)、第四準(zhǔn)直透鏡(17)、隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)、稀疏孔徑單元、自由空間準(zhǔn)直單元、光束反射單元、束斑合成單元(13)、第一透鏡(14)、偏振光分束器(15)、全反射鏡(20)、會聚收光透鏡(21)、光探測器(22)以及壓縮計算關(guān)聯(lián)算法模塊(23)；其中，所述稀疏孔徑單元包括至少三個子望遠(yuǎn)鏡透鏡，所述自由空間準(zhǔn)直單元包括至少三個準(zhǔn)直透鏡，所述光束反射單元包括至少三個反射鏡組；一子望遠(yuǎn)鏡透鏡、一準(zhǔn)直透鏡、一反射鏡組形成一條光路； 所述偏振光源發(fā)射單元(19)所發(fā)出的偏振光經(jīng)所述擴束透鏡(18)擴束、第四準(zhǔn)直透鏡(17)準(zhǔn)直后照射到所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)，所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)加載隨時間變化的散斑以對偏振光進(jìn)行隨機相位調(diào)制，然后通過所述偏振光分束器(15)將隨機調(diào)制后的偏振光反射到所述第一透鏡(14);接著依次通過所述束斑合成單元(13)、光束反射單元、自由空間準(zhǔn)直單元以及稀疏孔徑單元傳播到待測物體；待測物體反射所接收到的偏振光，反向傳播通過稀疏孔徑單元、自由空間準(zhǔn)直單元、光束反射單元、束斑合成單元(13)、第一透鏡(14)、偏振光分束器(15)、全反射鏡(20)后進(jìn)入所述會聚收光透鏡(21)，通過所述會聚收光透鏡(21)聚焦到所述光探測器(22);所述光探測器(22)采集光信號，輸出測量數(shù)序列；所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)和所述光探測器(22)之間同步；計算出加載在所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)上的隨時間變化的散斑傳播到物體表面上的光場分布，以得到最終測量矩陣，將所述最終測量矩陣與多個同步周期內(nèi)測量得到的測量數(shù)序列傳輸?shù)剿鰤嚎s計算關(guān)聯(lián)算法模塊(23)，由所述壓縮計算關(guān)聯(lián)算法模塊(23)通過壓縮計算關(guān)聯(lián)算法重構(gòu)物體的反射光圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于，所述稀疏孔徑單元包括第一子望遠(yuǎn)鏡透鏡(I)、第二子望遠(yuǎn)鏡透鏡(2)和第三子望遠(yuǎn)鏡透鏡(3);所述自由空間準(zhǔn)直單元包括第一準(zhǔn)直透鏡(4)、第二準(zhǔn)直透鏡(5)和第三準(zhǔn)直透鏡(6);所述光束反射單元包.括由第一反射鏡(7)、第二反射鏡(8)組成的第一反射鏡組，由第三反射鏡(9)、第四反射鏡(10)組成的第二反射鏡組，由第五反射鏡(11)、第六反射鏡(12)組成的第三反射鏡組； 所述第一子望遠(yuǎn)鏡透鏡(I)、第一準(zhǔn)直透鏡(4)、第一反射鏡組形成第一光路，所述第二子望遠(yuǎn)鏡透鏡(2)、第二準(zhǔn)直透鏡(5)、第二反射鏡組形成第二光路，所述第三子望遠(yuǎn)鏡透鏡(3)、第三準(zhǔn)直透鏡(6)、第三反射鏡組形成第三光路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于，所述稀疏孔徑單元中的各個子望遠(yuǎn)鏡透鏡的空間組合方式包括:小孔徑望遠(yuǎn)鏡陣列或Golay-6或Golay-9或環(huán)形或環(huán)面或三壁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于，所述空間準(zhǔn)直單元中的各個準(zhǔn)直透鏡的空間組合方式包括:準(zhǔn)直透鏡陣列組或反射式準(zhǔn)直鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振光分束器(15)包括起偏器、檢偏器、四分之一玻片和偏振棱鏡，用于對單色光或連續(xù)譜光源實現(xiàn)單方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；實現(xiàn)紫外光、可見光、近紅外和紅外光波段的偏振光的分束功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于，所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)用于實現(xiàn)相位調(diào)制，以模擬出負(fù)指數(shù)分布的散斑光場；所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)采用包括毛玻璃、液晶光閥在內(nèi)的空間光調(diào)制器實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光探測器(22 )采用光電轉(zhuǎn)換點探測器或桶探測器或單像素探測器或光電倍增管或雪崩二極管或超導(dǎo)單光子探測器中的任意一種實現(xiàn)，波長范圍涵蓋紫外、可見光、近紅外、紅外光波段；當(dāng)配置單光子探測器時需要在其后連接相應(yīng)的計數(shù)器，以計量光子脈沖個數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮計算關(guān)聯(lián)算法模塊(23)采用下列任意一種算法實現(xiàn)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，稀疏基采用離散余弦變換基、小波基、傅里葉變換基、梯度基、gabor變換基中的任意一種。
9.基于權(quán)利要求1-8之一所述的基于稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的主動成像系統(tǒng)所實現(xiàn)的主動成像方法，包括: 步驟I)、稀疏孔徑壓縮計算關(guān)聯(lián)的相位調(diào)制的步驟； 所述偏振光源發(fā)射單元(19)發(fā)出的偏振光經(jīng)過擴束準(zhǔn)直后入射到所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)，經(jīng)所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)做隨機調(diào)制后通過稀疏孔徑系列光學(xué)變換后，自由傳播到待測物體；其中，所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)通過加載隨時間變化的散斑對所述偏振光源發(fā)射單元(19)發(fā)出的偏振光進(jìn)行相位調(diào)制； 步驟2)、壓縮采樣的步驟； 所述光探測器(22)在所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)每次調(diào)制的時間間隔內(nèi)同時采集到達(dá)的光信號，調(diào)制m次，將光電轉(zhuǎn)換后的數(shù)值組成mX I的測量值向量y ； 步驟3)、計算關(guān)聯(lián)成像中自由空間光場傳播的步驟； 通過惠更斯-菲涅爾衍射公式計算出所述隨機光學(xué)調(diào)制單元(16)上所加載的調(diào)制散斑光場通過自由空間光場傳播到物體面上的光場分布，將計算結(jié)果作為最終的測量矩陣A ； 步驟4)、信號重建的步驟； 將步驟3)得到的所述測量矩陣A與步驟2)得到的所述測量值y —起作為所述壓縮計算關(guān)聯(lián)算法模塊(23)的輸入，選取合適的稀疏基使得反射物體成像χ能由最少量的系數(shù)表示，通過壓縮計算關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行信號重建，最終實現(xiàn)對反射物體的壓縮感知稀疏孔徑計算關(guān)聯(lián)的主動成像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的主動成像方法，其特征在于，所述壓縮計算關(guān)聯(lián)模塊(23)中所采用的壓縮計算關(guān)聯(lián)算法的核心為壓縮感知最優(yōu)化算法，在目標(biāo)函數(shù)上結(jié)合了關(guān)聯(lián)成像的成像約束條件，將壓縮感知最優(yōu)化算法的關(guān)鍵目標(biāo)函數(shù)修改為:
+rIMIi+^ψ-f去心-餘例]，5=--α,(凡9)
z\m \η? J 1 ^=I i=t 其中A為經(jīng)惠更斯-菲涅爾衍射公式計算出的測量矩陣，Ψ為nXn稀疏基，一般Ψ為正交矩陣，X, = ψΗχ，X為原始物體圖像矩陣經(jīng)拉伸后的列向量，τ和ζ都為常系數(shù)，Il.Il ρ代表1p范數(shù)，<.>表示加和平均，Bi為空間光調(diào)制器上第i (I < i < m)次調(diào)制時計算所得的PXq自由光場傳播光場分布矩陣，共計調(diào)制m次，a/為％經(jīng)拉伸后的列向量，A實際為m 個(a/ )T組成的mXn矩陣，ATy為mX I列向量。
【文檔編號】G01S17/89GK103472456SQ201310418708
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】孫志斌, 俞文凱, 代斌, 劉雪峰, 翟光杰, 蔣遠(yuǎn)大, 楊震, 孟新 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心