CN102768070A - 一种互补测量的单光子计数成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种互补测量的单光子计数成像系统及方法，该系统由光学成像部件、空间光调制器、两组会聚收光部件、可见光单光子点探测器、近红外光单光子点探测器和多通道计数器组成。该方法包括以下步骤：将携带物体信息的光成像在空间光调制器上，将图像中可见光和近红外光成分分别看成一维列向量，空间光调制器通过测量矩阵对其调制，反射至两臂方向，经会聚后，分别由可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器进行双臂探测，光子计数作为测量值，根据两臂矩阵互补特性，用关联的压缩传感算法同时重建出可见光和近红外光的灰度图像。这种互补探测、以点采样获取平面信息的方法能极大提高光通量、信噪比，减少测量规模，达到理想的成像效果。

Description

一种互补测量的单光子计数成像系统及方法

技术领域

本发明涉及极弱光探测的技术领域，特别涉及一种互补测量的单光子计数成像系统及方法。

背景技术

在生物检测、天文观测、夜视观测、极弱光探测、浓度检测、遥感成像、医疗成像、监控等新兴高科技领域，不仅需要探测极弱光，还要对特定波段的成分分布进行分析，仅仅是可见光的探测已经很难满足需求，科学家们更多时候需要知道近红外光波段的特征信息，而现有仪器很难做到极弱光对象的高精度分辨，更难实现对极弱光对象进行可见光成分和近红外光成分的同时检测分析，亟待一种全新的成像系统来满足日益增长的科研需求。

本发明为解决上述问题而应运而生，同时也是基于前人工作的改进与创新。在本领域，本研究所已有一份相关专利：《一种单光子计数成像系统及其方法》（申请号或专利号：201110103559.3，申请人或专利权人：中国科学院空间科学与应用研究中心），其特征在于仅采用空间光调制器的一臂反射光路进行光子收集，而且仅能对可见光进行探测，算法较为简陋，重建质量差，运算量巨大，原理上尚存在一定技术上的缺陷，本发明提出一种互补测量的单光子计数成像系统及方法，采用双臂互补测量，且可见光与近红外光同时测量，改进了原理和算法，以解决上述一系列的问题。

单光子属于极弱光，被认为是光不可分割的最小能量单位，是可以探测的极限。单光子探测技术已广泛应用于生物自发光、医疗诊断、非破坏性物质分析、天文观测、光谱测量、量子光学等领域，并在其中扮演着重要角色。

而光子计数成像就是一种极弱光探测技术，通过记录成像位置的光子计数，计数等效于光强信息，于是得到光强的空间分布情况，最后累计出一幅图像，一般采用弱光面元探测器，如ICCD、EMCCD、APDs等。面元探测器在对极弱光进行探测时需要曝光一定时间（即积分时间），平均到单位像素上的光通量极小，加上暗计数的影响，信噪比较差，极难准确推算落在该像元上的光强值，具有灵敏度的问题。其中ICCD、EMCCD都号称可以做到单光子探测，但需深度半导体制冷，成本昂贵，ICCD空间分辨率较差，而EMCCD空间分辨率稍好，存在的共同问题都是弱光下很难对仪器噪声进行控制或线性输出；而APDs可以工作在盖革模式，但尚处在研究阶段，而且高精度的APD阵列很难制造和流片，林肯实验室对外公布的APD阵列也仅有64×256像素，对中国禁运，且目前的APD阵列波长响应范围十分有限，仅在中可视波段达到量子效率峰值，由于每个像素都极小，光通量必须平均分配在整个阵列上，那么散粒噪声的影响将变得十分显著。

因而，弱光面元探测器的灵敏度、信噪比、噪声控制、面阵规模、波长响应范围直接限制获取高质量极弱光图像的能力。为此采用压缩传感理论和互补测量技术来弥补原理上的缺陷，用单光子点探测器获取面上的总光子计数，其光通量显著高于弱光面元探测器单位像素上的光通量，极大提高了灵敏度、信噪比、空间分辨能力和图像重建质量，还节省了维度。

所述压缩传感（Compressive Sensing，简称CS）理论是由Donoho、Candès和Tao等人提出的一个全新数学理论，实现以随机采样的方式、更少的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）来完美地恢复信号，且具有更高鲁棒性。该原理先压缩采样，将被测信号由高维向低维映射并对其进行采样，选取合适的稀疏变换框架Ψ，使得x经Ψ变换所得向量

是稀疏的，然后根据观测数据y、测量矩阵A和框架Ψ，求解

最后由

反演出x。

所述空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，在随时间变化的电驱动信号或其它信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，一般采用二值表征反射方向的状态，常见的空间光调制器有数字微镜器件、液晶光阀、毛玻璃等。其中，数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，简称DMD），是世界上最精密的光开关。DMD的核心是由成千上万个安装在铰链上的微反射镜组成的微镜阵列（主流的DMD由1024×768的阵列构成，最大可至2048×1152），每一镜片的尺寸为14μm×14μm（或16μm×16μm）并可以通断一个像素的光，这些微镜皆悬浮着，通过对每一个镜片下的存储单元都以二进制平面信号进行电子化寻址，便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜，把这两种状态记为1和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。

这种“先采样，后重建”的思想将平面二维信号转化为一维内积和测量信号，通过记录每次采样的总光子数这种方式，使点采样获取空间信息成为可能，具有高通量的特点。且单光子点探测器无论在探测灵敏度、波长范围具有更高的性能指标，成本低廉，基于空间光调制器的可将入射光向两臂方向反射的原理，在这两臂反射方向分别设置可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器，以此同时获取可见光灰度信息和近红外光灰度信息，具有极好的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于，为解决可见光与近红外光同时探测、算法精度低、灵敏度、维度、信噪比等问题，从而提供一种互补测量的单光子计数成像系统，以压缩传感理论为基础，采用互补测量技术将DMD两臂的反射光同时收集，分别用可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器进行探测，先采样，后重建。

为实现上述目的，本发明提供了一种互补测量的单光子计数成像系统，其特征在于，所述系统包括：光学成像部件、空间光调制器、第一会聚收光部件、第二会聚收光部件、可见光单光子点探测器、近红外光单光子点探测器和多通道计数器；

极弱光经所述光学成像部件成像在所述空间光调制器上，所述空间光调制器可向两臂方向反光；其中，第一臂反射方向设置有第一会聚收光部件和可见光单光子点探测器，第二臂方向设置有第二会聚收光部件和近红外光单光子点探测器，同时探测两个方向上的光子，其总光子数分别记录在多通道计数器的两个计数通道中，根据互补矩阵和计数值分别恢复可见光和近红外光的灰度图像。

优化的，当极弱光光强超出可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器的探测范围时，在可见光单光子点探测器或近红外光单光子点探测器前的任意光路位置上设置衰减片，用于将光衰减到可见光单光子点探测器或近红外光单光子点探测器的探测范围。

上述技术方案中，所述可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器的位置可置换。

基于上述系统本发明还提供了一种互补测量的单光子计数成像方法，所述方法包含：

步骤1，用于压缩采样的步骤：

由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的第一会聚收光部件和可见光单光子探测器与第二会聚收光部件和近红外光单光子点探测器，所述空间光调制器上的随机阵列每变换一次，同时测量并记录下两个会聚点上的总光子数，测量M次，其中M远小于信号维度N，完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样；

其中，所述空间光调制器是指在随时间变化的信号的控制下，对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，采用二值表征反射方向的状态；

步骤2，用于稀疏重建的步骤：

将可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器在空间光调制器随机阵列两次变换间隔内探测到的总光子数作为两组测量值y_i和y_i′，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a_i′，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I-a，其中I是单位阵，将a_i和a_i′分别拉伸至一行，分别作为可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，y和y′都共计M个值，利用关联的压缩传感重建算法便可重建出观测对象在可见光波段和近红外光波段的灰度图像。

上述技术方案中，所述压缩传感数学模型如下：

来自观测物体的光投影到空间光调制器上，在任意一臂光路上将反射光收集到一个点，若将待测可见光信号和近红外光信号拉伸至一列：

则该过程可看作两组测量矩阵和相应待测信号作内积的过程，分别得到两组观测向量

其中（K<M＜＜N），

是系统噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则

其中Ψ=[ψ₁,ψ₂,...,ψ_N]是稀疏变换矩阵（即稀疏框架），

即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y,y^{\&prime;}]=[\mathrm{A\&Psi;}\stackrel{\&OverBar;}{x}+e,A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}+e^{\&prime;}]$

其中，AΨ,A′Ψ均需满足Restricted Isometry Property（RIP），A,A′与Ψ需不相关，由于A,A′互补，为满足上述条件，本发明中仅需将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y,y′和测量矩阵A,A′的条件下求解具体用压缩传感的思想进行求解，求解方法描述为下式：

$\underset{\stackrel{\&OverBar;}{x}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y-\mathrm{A\&Psi;}\stackrel{\&OverBar;}{x}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|\stackrel{\&OverBar;}{x}\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y^{\&prime;}-A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left|\right|}_1$

其中‖…‖_p代表范数算符，

仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在可见光波段和近红外光波段的光强空间分布信息x和x′。

上述技术方案中，所述压缩传感算法包括：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法或l₂重建算法。

上述技术方案中，所述的关联的压缩传感算法所基于的两个测量矩阵是互补的，且将单位阵看作测量矩阵参与运算，基于压缩传感算法加入修正参数，所得值再与x做符合运算，便得到x′，可见光信号x与近红外光信号x′可同时获得。

与现有技术相比本发明的优点在于：本发明采用压缩传感理论与互补测量技术相结合的方案，以点探测器实现高精度的空间分辨探测，灵敏度可以达到单光子量级，分辨率高，本发明采用双臂收集探测，分别设置可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器，可对极弱光的可见光信息和近红外光信息同时进行探测分析，利用改进后的关联压缩传感算法，极大简便运算，缩小存储空间，并能计算像素更大的图像，两臂信号可同时重建恢复，且重建质量更高。同时，本发明还解决了目前该领域中弱光面元探测器灵敏度低、信噪比低、噪声控制差、面阵规模小、波长响应范围窄与日益增长的科研需求之间的矛盾。

基于以上优点和创新点，本发明可广泛应用于生物检测、天文观测、夜视观测、极弱光探测、浓度检测、医疗成像、军事国防、监控、遥感成像、鬼成像等领域。

附图说明

图1是本发明的互补测量的单光子计数成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的模拟实验结果；其中，图2（a）和图2（b）分别是M51星系可见光原图像和算法模拟重建图，图2（c）和图2（d）分别是M51星系近红外光原图像和算法模拟重建图；

图3是本发明实施例的模拟实验结果；其中，图3（a）和图3（b）分别是NGC1514星云的可见光原图像和算法模拟重建图，图3（c）和图3（d）分别是NGC1514星云的近红外光原图像和算法模拟重建图；

图4是本发明实施例的模拟实验结果，其中，图4（a）和图4（b）分别是停车场夜间的可见光原监控图像和算法模拟重建图，图4（c）和图4（d）分别是停车场夜间的近红外光原监控图像和算法模拟重建图。

附图标识

1、光学成像部件                  2、空间光调制器

3、第一组会聚收光部件            4、第二组会聚收光部件

5、可见光单光子点探测器          6、近红外光单光子点探测器

7、多通道计数器

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的一种互补测量的单光子计数成像系统，其特征在于，该单光子计数成像系统采用压缩传感理论和互补测量技术，并以可见光单光子点探测器、近红外光单光子点探测器作为探测元件，实现了单光子量级的可见光和近红外光灰度图像的同时探测，所述的单光子计数成像系统包括：光学成像部件、空间光调制器、两组会聚收光部件、可见光单光子点探测器、近红外光单光子点探测器和多通道计数器；

其中，极弱光经光学成像部件成像在空间光调制器（SLM）上，所述空间光调制器可向两臂方向反光，在这两个出射方向上分别设置会聚收光部件、可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器，同时探测两个方向上的光子，其总光子数分别记录在多通道计数器的两个计数通道中，根据互补矩阵和相关计数值便可分别恢复出可见光和近红外光的灰度图像。

可选的，当极弱光光强超出单光子点探测器的探测范围时，需在单光子点探测器前的任意光路位置上设置合适的衰减片，用于将光衰减到单光子点探测器的探测范围，若极弱光光强已经在单光子点探测器的探测范围内，则无需再设置衰减片。

可选的，可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器的位置可置换。

本发明还提出一种互补测量的单光子计数成像方法，该方法采用了压缩传感理论和互补测量技术，并以单光子点探测器为探测元件，实现单光子量级的对极弱光对象的可见光和近红外光波段的灰度成像，所述方法包含如下步骤：

步骤1，用于压缩采样的步骤：

由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的会聚收光部件和单光子点探测器，空间光调制器上的随机阵列每变换一次，同时测量并记录下两个会聚点上的总光子数，测量M次，M远小于信号维度N，以完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样；

所述空间光调制器是指在随时间变化的电驱动信号或其它信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，其方向并不需要是某个固定角度，可限定在一定角度范围内，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，一般采用二值表征反射方向的状态，常见的空间光调制器有数字微镜器件(DMD)、液晶光阀、毛玻璃等；

步骤2，用于稀疏重建的步骤：

将可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器在空间光调制器随机阵列两次变换间隔内探测到的总光子数作为两组测量值y_i和y_i′，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a_i′，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I-a，其中I是单位阵，将a_i和a_i′分别拉伸至一行，分别作为可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，y和y′都共计M个值，利用关联的压缩传感重建算法便可重建出观测对象在可见光波段和近红外光波段的灰度图像。

其数学模型如下：

来自观测物体的光投影到空间光调制器上，在任意一臂光路上将反射光收集到一个点，若将待测可见光信号和近红外光信号拉伸至一列：

则该过程可看作两组测量矩阵和相应待测信号作内积的过程，分别得到两组观测向量

其中

（K<M＜＜N），

是系统噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则其中Ψ=[ψ₁,ψ₂,...，ψ_N]是稀疏变换矩阵（即稀疏框架），

即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y,y^{\&prime;}]=[\mathrm{A\&Psi;}\stackrel{\&OverBar;}{x}+e,A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}+e^{\&prime;}]$

其中AΨ,A′Ψ均需满足Restricted Isometry Property（RIP），A,A′与Ψ需不相关，由于A,A′互补，为满足上述条件，本发明中仅需将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y,y′和测量矩阵A,A′的条件下求解

具体用压缩传感的思想进行求解，求解方法描述为下式：

$\underset{\stackrel{\&OverBar;}{x}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y-\mathrm{A\&Psi;}\stackrel{\&OverBar;}{x}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|\stackrel{\&OverBar;}{x}\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y^{\&prime;}-A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left|\right|}_1$

其中‖…‖_p代表范数算符，

仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在可见光波段和近红外光波段的光强空间分布信息x和x′。

可选的，所述压缩传感算法包括：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法等；算法的核心思想是相通的，在于交替最小化和更新乘子，在算的技巧上会略有区别，以TV算法为例作算法核心思想说明：

TV模型为：

等价于 $\underset{w_i,u}{\min }\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|\right|w_i\left|\right|}_2,s.t.\mathrm{Au}=b$ 且D_iu=w_i；

相应的增广拉格朗日问题为：

$\underset{w_i,u}{\min }\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}({\left|\right|w_i\left|\right|}_2-v_i^T(D_{i}u-w_i)+\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}{\left|\right|D_{i}u-w_i\left|\right|}_2^2)-{\mathrm{\&lambda;}}^T(\mathrm{Au}-b)+\frac{\mathrm{\&mu;}}{2}{\left|\right|\mathrm{Au}-b\left|\right|}_2^2$

输入b,A,μ，β>0，初始化u=b；

当没有收敛时，通过交替方向方案（alternating direction scheme）来近似最小化增广拉格朗日功能函数，并不断更新乘子，即重复以下三步操作：

步骤(1)固定u不变，按下式计算w

$w_i=\max \{{\left|\right|D_{i}u-v_i/\mathrm{\&beta;}\left|\right|}_2-\frac{1}{\mathrm{\&beta;}},0\}\frac{D_{i}u-v_i/\mathrm{\&beta;}}{{\left|\right|D_{i}u-v_i/\mathrm{\&beta;}\left|\right|}_2}$

步骤(2)固定w不变，按下式计算u

$u=F^{-1}\left(\frac{F\left(D^{\left(1\right)}\right)*\mathrm{oF}\left(w_1\right)+F{\left(D^{\left(2\right)}\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(w_2\right)+(\mathrm{\&mu;}/\mathrm{\&beta;})F{\left(A\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(b\right)}{F\left(D^{\left(1\right)}\right)*\mathrm{oF}\left(D^{\left(1\right)}\right)+F{\left(D^{\left(2\right)}\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(D^{\left(2\right)}\right)+(\mathrm{\&mu;}/\mathrm{\&beta;})F{\left(A\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(A\right)}\right)$

其中，D⁽¹⁾和D⁽²⁾分别是一阶有限矩阵水平差异和垂直差异，F为二维离散傅里叶变换，*表示复数共轭，o表示数乘；

步骤(3)更新乘子： $v_i\&LeftArrow;v_i-\mathrm{\&beta;}(D_i\hat{u}-{\hat{w}}_i),\mathrm{\&lambda;}\&LeftArrow;\mathrm{\&lambda;}-\mathrm{\&mu;}(A\hat{u}-b).$

所述的关联的压缩传感算法是基于两个测量矩阵是互补的而提出的，核心算法思想在于将单位阵看作测量矩阵参与运算，在上述算法思想的基础上加入修正参数，所得值再与x做符合运算，便得到x′，极大简便运算，缩小存储空间，可见光信号x与近红外光信号x′可同时获得。

如图1所示，携带观测物体信息的极弱光通过光学成像部件1成像在空间光调制器2上。空间光调制器可对入射光进行随机光调制，使其以一定概率出射至两臂方向，在这两个出射方向上分别设置第一组会聚收光部件3和第二组会聚收光部件4、可见光单光子点探测器5和近红外光单光子点探测器6，以此同时收集并探测两个方向上的光子。需说明的是，可见光单光子点探测器5和近红外光单光子点探测器6的位置可置换。两路的总光子数分别记录在多通道计数器7的两个计数通道中，信息处理单元根据空间光调制器2上的互补矩阵和多通道计数器7的两个计数通道上的两组测量值，便可分别恢复出可见光和近红外光的灰度图像。

需要说明的是，当极弱光光强超出可见光单光子点探测器5和近红外光单光子点探测器6的探测范围时，需在单光子点探测器前的任意光路位置上设置合适的衰减片，用于将光衰减到单光子点探测器的探测范围，若极弱光光强已经在单光子点探测器的探测范围内，则无需再设置衰减片。

图2是本发明实施例的模拟实验结果，目的是验证算法的可行性，该算法主要针对灰度图像，图2中第一列是原始图片，大小为400×400，这两张图片来自哈勃太空望远镜，拍摄的是著名的大旋涡星系-M51的两种不同面貌，分别是可见光和近红外光成像，已于2011年1月13日公布于西雅图召开的全美天文学大会上。图2（a）和图2（b）分别是M51星系可见光原图像和算法模拟重建图，图2（c）和图2（d）分别是M51星系近红外光原图像和算法模拟重建图。可见光图像仅能获得部分星光，其余被尘埃所阻挡；而近红外光图像显示多得多的星光，因为它能透过尘埃。研究人员将两个图像中都有的星光减去，以显示尘埃结构。探查尘埃结构是天文学家的一个重要星系诊断工具，提供了气体尘埃如何坍缩形成恒星的无价信息。本实例为说明本发明在未来的天文观测中将发挥重要作用。

图3同样是本发明实施例的模拟实验结果，图3（a）和图3（b）分别是NGC1514星云的可见光原图像和算法模拟重建图，图3（c）和图3（d）分别是NGC1514星云的近红外光原图像和算法模拟重建图，大小皆为256×256，来自美国宇航局的宽视野红外巡天探测器（WISE），拍摄的都是NGC1514，被称为“水晶球星云”，距离地球约800光年，可见光下只能看到似乎球形的圆状物，和一般星云没什么区别，但在WISE的红外视野之中，则可以清晰看见它被几个松散的环状结构包围着，这一环状结构可能是由一对双星喷射出的尘埃形成的，这一结构在红外波段发光。因而可见光和近红外光同时观测对天体物理研究的推动性影响不可小觑，本发明将有广阔应用背景。

图4也是本发明实施例的模拟实验结果，图4（a）和图4（b）分别是停车场夜间的可见光原监控图像和算法模拟重建图，图4（c）和图4（d）分别是停车场夜间的近红外光原监控图像和算法模拟重建图，大小皆为70×123。可见光下由于有灯光的影响，在灯光后的车辆无法分辨，若有人经过也无法辨识，而近红外光图像能很好规避灯光的影响，清晰分辨目标。目前急需能同时做到可见光和近红外光监控的设备，能弥补各自的盲点，实现更好的监控，本发明提供了很好的方案，优点在于采样次数少，图例中用了45%的采样，实际可低至20%，且可见光和近红外光重建图像的Rel-Err误差率分别达到2.3750%和5.1524%，重建效果好，具有很好应用前景。

最后需要说明的是，具体实施方式中所述算法已经经过大量实验数据验证，是真实可靠的，搭配硬件便可实现本发明的技术方案。所述所有实施例仅为对本发明进行进一步详细说明，并非绝对，可相应扩展。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改、添加、删减或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种互补测量的单光子计数成像系统，其特征在于，所述系统包括：光学成像部件、空间光调制器、第一会聚收光部件、第二会聚收光部件、可见光单光子点探测器、近红外光单光子点探测器和多通道计数器；

极弱光经所述光学成像部件成像在所述空间光调制器上，所述空间光调制器向两臂方向反光；其中，第一臂反射方向设置有第一会聚收光部件和可见光单光子点探测器，第二臂方向设置有第二会聚收光部件和近红外光单光子点探测器，同时探测两个方向上的光子，其总光子数分别记录在多通道计数器的两个计数通道中，根据互补矩阵和计数值分别恢复可见光和近红外光的灰度图像。

2.根据权利要求1所述的互补测量的单光子计数成像系统，其特征在于，当极弱光光强超出可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器的探测范围时，在可见光单光子点探测器或近红外光单光子点探测器前的任意光路位置上设置衰减片，用于将光衰减到可见光单光子点探测器或近红外光单光子点探测器的探测范围。

3.根据权利要求1所述的互补测量的单光子计数成像系统，其特征在于，所述可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器的位置可置换。

4.一种互补测量的单光子计数成像方法，所述方法包含：

步骤1，用于压缩采样的步骤：

由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的第一会聚收光部件和可见光单光子探测器与第二会聚收光部件和近红外光单光子点探测器，所述空间光调制器上的随机阵列每变换一次，同时测量并记录下两个会聚点上的总光子数，测量M次，其中M远小于信号维度N，完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样；

其中，所述空间光调制器是指在随时间变化的信号的控制下，对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，采用二值表征反射方向的状态；

步骤2，用于稀疏重建的步骤：

将可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器在空间光调制器随机阵列两次变换间隔内探测到的总光子数作为两组测量值y_i和y_i′，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a_i′，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I-a，其中I是单位阵，将a_i和a_i′分别拉伸至一行，分别作为可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，y和y′都共计M个值，利用关联的压缩传感重建算法便可重建出观测对象在可见光波段和近红外光波段的灰度图像。

5.根据权利要求4所述的互补测量的单光子计数成像方法，其特征在于，所述压缩传感数学模型如下：

来自观测物体的光投影到空间光调制器上，在任意一臂光路上将反射光收集到一个点，若将待测可见光信号和近红外光信号拉伸至一列：

则该过程可看作两组测量矩阵和相应待测信号作内积的过程，分别得到两组观测向量

其中（K<M＜＜N），

是系统噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则

其中Ψ=[ψ₁,ψ₂,...,ψ_N]是稀疏变换矩阵（即稀疏框架），

即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y,y^{\&prime;}]=[\mathrm{A\&Psi;}\stackrel{\&OverBar;}{x}+e,A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}+e^{\&prime;}]$

其中，将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y,y′和测量矩阵A,A′的条件下求解

具体用压缩传感的思想进行求解，求解方法描述为下式：

$\underset{\stackrel{\&OverBar;}{x}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y-\mathrm{A\&Psi;}\stackrel{\&OverBar;}{x}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|\stackrel{\&OverBar;}{x}\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y^{\&prime;}-A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left|\right|}_1$

其中‖…‖_p代表范数算符，

仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在可见光波段和近红外光波段的光强空间分布信息x和x′。

6.根据权利要求4所述的互补测量的单光子计数成像方法，其特征在于，所述压缩传感算法包括：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法或l₂重建算法。

7.根据权利要求4所述的互补测量的单光子计数成像方法，其特征在于，所述的关联的压缩传感算法所基于的两个测量矩阵是互补的，且将单位阵看作测量矩阵参与运算，基于压缩传感算法加入修正参数，所得值再与x做符合运算，便得到x′，可见光信号x与近红外光信号x′可同时获得。

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