发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷,从而提供一种基于符合测量的二维压缩鬼成像系统与方法。
为了实现上述目的,本发明提供了一种基于符合测量的二维压缩鬼成像系统,包括:激光器1、旋转毛玻璃2、物体5、空间光调制器6、第一组会聚收光透镜7-1、第二组会聚收光透镜7-2、第一点探测器8-1、第二点探测器8-2、符合测量电路9以及算法模块10;其中,
所述激光器1发出的一束激光打在所述旋转毛玻璃2上,产生可以模拟真热光光场统计性质的赝热光,该赝热光分成物臂光路和参考臂光路;在物臂光路,赝热光光场传播到物体5上,然后通过所述第一组会聚收光透镜7-1和第一点探测器8-1收集物臂光路总光强;在参考臂光路,赝热光光场传播到所述空间光调制器6上,经空间光调制器6调制后,由所述第二组会聚收光透镜7-2和第二点探测器8-2收集参考臂光路总光强;所述符合测量电路9对物臂光路和参考臂光路的总光强进行符合测量,输出符合测量值,最后算法模块10根据推算出的测量矩阵和测量值,运用压缩感知算法重建出空间关联系数分布。
上述技术方案中,还包括分束器3,所述分束器3位于所述旋转毛玻璃2之后,将所述旋转毛玻璃2所生成的赝热光分成物臂光路和参考臂光路。
上述技术方案中,还包括第一组成像透镜4-1、第二组成像透镜4-2,两者具有相同的焦距;
所述第一组成像透镜4-1位于所述物臂光路上,用于将赝热光会聚后成像到所述物体5上;所述第二组成像透镜4-2位于所述参考臂光路上,用于将赝热光会聚后成像到所述空间光调制器6上。
上述技术方案中,所述旋转毛玻璃2用于给光束横截面的各个部分一个随机的相位调制,经随机相位调制的光束能在所述旋转毛玻璃2的后面形成赝热光场。
上述技术方案中,所述第一组成像透镜4-1、第二组成像透镜4-2与所述分束器3具有相同的光程差。
上述技术方案中,所述物体5、空间光调制器6与所述分束器3具有相同的光程差。
上述技术方案中,所述空间光调制器6采用数字微镜器件实现。
上述技术方案中,所述空间光调制器6和第一点探测器8-1、第二点探测器8-2之间同步。
上述技术方案中,所述第一点探测器8-1、第二点探测器8-2采用大感光面积的光电转换点探测器、桶探测器、雪崩二极管或光电倍增管中的任意一种实现。
上述技术方案中,所述符合测量电路9采用二阶关联或者高阶关联。
上述技术方案中,所述算法模块10采用下列任意一种算法实现压缩感知: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;稀疏基采用离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、梯度基、gabor变换基中的任意一种。
本发明还提供了一种二维压缩鬼成像方法,包括:
步骤1)、生成赝热光的步骤;
所述激光器1发出的一束激光打在所述旋转毛玻璃2上,产生赝热光;
步骤2)、赝热光分光与调制的步骤;
步骤1)生成的赝热光分成物臂光路和参考臂光路;在物臂光路,赝热光光场传播到所述物体5上,然后通过所述第一组会聚收光透镜7-1和第一点探测器8-1收集物臂光路总光强;在参考臂光路,赝热光光场传播到所述空间光调制器6上,经空间光调制器6调制后,由所述第二组会聚收光透镜7-2和第二点探测器8-2收集参考臂光路总光强;
步骤3)、符合测量的步骤;
所述符合测量电路9对物臂光路和参考臂光路的总光强进行符合测量,输出符合测量值;
步骤4)、信号重建的步骤;
所述算法模块10根据所述空间光调制器6多次翻转时的二值随机矩阵得到测量矩阵,根据所述符合测量电路9输出的符合测量值得到测量值,根据所述测量矩阵与测量值运用压缩感知算法重建出空间关联系数分布。
上述技术方案中,在步骤4)中,根据所述空间光调制器6多次翻转时的二值随机矩阵得到测量矩阵包括:
步骤4-1)、得到所述空间光调制器6上多次翻转时所加载的二值随机矩阵;
步骤4-2)、将所述空间光调制器6每一次翻转时的二值随机矩阵拉伸为一行向量;
步骤4-3)、由所述空间光调制器6多次翻转时的二值随机矩阵所对应的多个行向量得到测量矩阵。
上述技术方案中,在步骤4)中,根据所述符合测量电路9输出的符合测量值得到测量值包括:
步骤4-4)、得到所述符合测量电路9输出的符合测量值;
步骤4-5)、对由二值随机矩阵拉伸所得的行向量求其中为1元素的个数;
步骤4-6)、将所得到的行向量为1元素的个数和符合测量值相乘,计算出测量值。
本发明的优点在于:
本发明在符合测量的基础上引入了压缩感知理论,充分利用好关联分布稀疏的先验知识,在参考臂用空间光调制器替代具有空间分辨能力的面阵探测器,并通过会聚收光透镜和点探测器进行收集总光强,并对这两臂的总光强进行符合测量,最后根据推算出的测量矩阵和测量值,运用压缩感知算法重建空间关联系数分布,相比于参考臂点扫描方式,可缩减测量时间,相比于参考臂面阵探测方式,可提高光通量和成像质量,且节约成本,可以广泛应用在卫星通信、太阳光鬼成像、关联成像等高新科技领域。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
在对本发明做详细说明之前,首先对本发明中所涉及的概念做简要描述。
压缩感知(CompressiveSensing,CS):压缩感知理论提出,假设信号维度为N,而该信号又是可压缩或可稀疏表示的,则仅需采样M<N次(远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限)便能通过凸优化的算法将信号确切地求解出来,这种采样方式在测量的同时就将信号高效地压缩了,然而测量本身并不能知道哪些元素含有重要的信息,但压缩感知能通过最小化目标函数来判断哪些元素含有重要信息,并能精确恢复出其具体值。压缩感知的基本过程包括:首先利用先验知识,选取合适的稀疏基Ψ,使得待求信号x经Ψ变换后得到x′是最为稀疏的;对于长度为N的k-稀疏的信号,M的规模正比于klog(N/k);在已知测量值y、二值随机测量矩阵A和稀疏基Ψ的条件下,建立起数学模型y=AΨx′+e,利用压缩感知算法进行凸优化, 得到x′后,再由 反演出x。
以上是对本发明中所涉及的相关概念的描述,下面对本发明的系统结构做进一步说明。
附图1为本发明的基于符合测量的二维压缩鬼成像系统在一个实施例中的结构示意图,该成像系统包括:激光器1、旋转毛玻璃2、分束器3、第一组成像透镜4-1、第二组成像透镜4-2、物体5、空间光调制器6、第一组会聚收光透镜7-1、第二组会聚收光透镜7-2、第一点探测器8-1、第二点探测器8-2、符合测量电路9以及算法模块10;其中,
激光器1发出的一束激光打在旋转毛玻璃2上,产生可以模拟真热光光场统计性质的赝热光,经由分束器3分成物臂光路和参考臂光路;在物臂光路,赝热光经由第一组成像透镜4-1成像在物体5上,然后通过第一组会聚收光透镜7-1和第一点探测器8-1收集物臂光路总光强;在参考臂光路,赝热光经由第二组成像透镜4-2成像在空间光调制器6上,经空间光调制器6调制后,由第二组会聚收光透镜7-2和第二点探测器8-2收集参考臂光路总光强;所述符合测量电路9对物臂光路和参考臂光路的总光强进行符合测量,输出符合测量值,最后算法模块10根据推算出的测量矩阵和测量值,运用压缩感知算法重建出空间关联系数分布。
下面对系统中的各个部件做进一步的描述。
所述旋转毛玻璃2用于给光束横截面的各个部分一个随机的相位调制,经随机相位调制的光束能在旋转毛玻璃2的后面形成赝热光场,与真实热光源在其发光表面上具有不同的强度分布不同,赝热光源在光源的发光面(即在旋转毛玻璃2的平面)光强是均匀的,这种光场具有和经典热光场相同的统计特性。在其他实施例中,也可将激光器1、旋转毛玻璃2替换为真实热光源。
所述第一组成像透镜4-1、第二组成像透镜4-2具有相同的焦距,且它们与所述分束器3具有相同的光程差。此外,物体5、空间光调制器6与分束器3也具有相同的光程差。
所述空间光调制器6采用数字微镜器件DMD实现。本发明实施例中所采用的DMD是包含有成千上万个安装在铰链上的微镜的阵列(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10~12°左右(本实施例中取+12°和-12°),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。
根据压缩感知中的RIP准则,DMD上加载的二值矩阵需具有随机性,因而采用二值随机矩阵。具体的说,空间光调制器6每一次翻转时,其所加载的二值随机矩阵ai各不相同;空间光调制器6每翻转一次,符合测量电路9输出符合测量值yi,令Yi=yiri作为第i个测量值,其与测量矩阵A的第i行具有一一对应关系,其中,而为每一次翻转时拉伸向量ai′中为1的元素下标集;算法模块10运算所需的测量矩阵A的第i行为matrixi=ai′,其中ai′为ai拉伸获得的行向量,在二维压缩鬼成像的过程中,空间光调制器6需翻转M次,则所得到的测量矩阵A共计M行;在得到测量值与测量矩阵后,就可以根据压缩感知算法重建空间关联系数分布。
所述空间光调制器6和第一点探测器8-1、第二点探测器8-2之间需同步,即空间光调制器6每翻转一次,第一点探测器8-1、第二点探测器8-2在该翻转时间间隔内累计探测到达的所有光强,翻转完成后,光强探测值转为电信号作为符合测量电路9的输入。
所述第一点探测器8-1、第二点探测器8-2可采用大感光面积的光电转换点探测器、桶探测器、雪崩二极管或光电倍增管中的任意一种实现。
所述算法模块10采用下列任意一种算法实现压缩感知: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;稀疏基可采用离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、梯度基、gabor变换基等。
待求的空间关联系数可以为二阶关联系数或者高阶关联系数,相应地,符合测量电路9需采用二阶关联或者高阶关联。
以上是对本发明的基于符合测量的二维压缩鬼成像系统在一个实施例中的结构描述,在其他实施例中,该系统的结构也可以允许一定的变形。例如,在另一个实施例中,如图2所示,在图1所示实施例所公开的系统的基础上,不包含第一组成像透镜4-1和第二组成像透镜4-2,可实现无透镜的二维压缩鬼成像。在又一个实施例中,在图1或图2所示实施例所公开的系统的基础上,不包括分束器3,利用对光源面上的强度调制,在赝热光作为光源的条件下,可实现无分束器的非局域二维压缩鬼成像。
下面结合图1所示实施例中的纠缠成像系统对本发明的纠缠成像方法做进一步的说明。
该方法包括以下步骤:
步骤1)、生成赝热光的步骤。
激光器1发出的一束激光打在旋转毛玻璃2上,产生可以模拟真热光光场统计性质的赝热光。
步骤2)、赝热光分光与调制的步骤。
步骤1)生成的赝热光经由分束器3分成物臂光路和参考臂光路;在物臂光路,赝热光经由第一组成像透镜4-1成像在物体5上,然后通过第一组会聚收光透镜7-1和第一点探测器8-1收集物臂光路总光强;在参考臂光路,赝热光经由第二组成像透镜4-2成像在空间光调制器6上,经空间光调制器6调制后,由第二组会聚收光透镜7-2和第二点探测器8-2收集参考臂光路总光强。
步骤3)、符合测量的步骤。
所述符合测量电路9对物臂光路和参考臂光路的总光强进行符合测量,输出符合测量值。
步骤4)、信号重建的步骤。
算法模块10根据推算出的测量矩阵和测量值,运用压缩感知算法重建出空间关联系数分布。
在步骤4)中,所述测量矩阵的推算包括以下步骤:
步骤4-1)、得到空间光调制器6上多次翻转时所加载的二值随机矩阵;
步骤4-2)、将空间光调制器6每一次翻转时的二值随机矩阵拉伸为一行向量;
步骤4-3)、由空间光调制器6多次翻转时的二值随机矩阵所对应的多个行向量得到测量矩阵。
为了使得测量矩阵的推算过程更为清晰,下面举例说明。
每次翻转,设空间光调制器6上加载的二值随机矩阵分别为ai,矩阵维度设为m×n,将ai矩阵拉伸为一行ai′,即压缩感知测量矩阵的第i行,维度为1×t,其中t=m×n。空间光调制器6每翻转一次,符合测量电路9都会记录下一个符合测量值。找出每一次翻转时拉伸向量ai′中为1的元素下标集,分别记做
下面给出一个实例,设3×3的二值随机矩阵 和bi=12,ai拉伸为行向量则测量矩阵A的第i行matrixi=ai′,其中ai′为ai拉伸获得的行向量,翻转M次,则测量矩阵A共计M行。
在步骤4)中,所述测量值由所述符合测量电路9所输出的符合测量值而来。这一过程包括如下步骤:
步骤4-4)、得到所述符合测量电路9输出的符合测量值;
步骤4-5)、对由二值随机矩阵拉伸所得的行向量求其中为1元素的个数;
步骤4-6)、将所得到的行向量为1元素的个数和符合测量值相乘,计算出测量值。
下面举例说明。为了建立二维压缩鬼成像的数学模型,设未知的空间关联系数分布为X,设由其拉伸后的列向量为x,符合测量值为y,而对于列向量x上任意一点x(j),则空间光调制器上每点的光强为g(j),存在如下二阶关联表达式:
bi为第一点探测器8-1收集物臂光路总光强值,同理,第二点探测器8-2是对空间光调制器6经ai调制过来的总光强进行收集探测,然后符合测量电路9再对这对总光强值进行符合测量,常用的方式是二阶关联,得到yi。
其中,令测量值Yi=yiri即可得到测量值。
在得到测量矩阵A与测量值Y后,二维压缩鬼成像的数学模型变为:Y=Ax+e,其中e代表噪声,在采样过程中必然存在系统噪声,所述系统噪声主要包含光学噪声和电学噪声。由于测量矩阵A与测量值Y都是已知值,利用压缩感知理论算法就能完美恢复待求未知列向量x,将x按列重排成m×n的矩阵,便是空间关联系数分布X。
本发明利用压缩采样,大大缩减测量时间。对于一个N像素长度的空间分布,压缩采样仅需klog(N/k)次测量,远远小于奈奎斯特/香农采样极限。而且常规的点扫描,总的光通量平均分布到接受平面上,移动点探测器,每次也只能对一个像素的光强进行探测,外加之光通量的均分,实际探测到的信号将会极弱,而本发明所提供的基于符合测量的二维压缩鬼成像系统,很好地克服了这一缺点,空间光调制器加载二值随机矩阵,能收集大约总光通量的1/2,这必将带来极佳的成像质量,获得更好的重建,将测量效率大大提高。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,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。