CN103472456A - 一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，包括：偏振光源发射单元、扩束透镜、第四准直透镜、随机光学调制单元、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元、第一透镜、偏振光分束器、全反射镜、会聚收光透镜、光探测器以及压缩计算关联算法模块；偏振光源发射单元发出的偏振光照射到随机光学调制单元，进行随机相位调制，将偏振光反射到第一透镜；传播到待测物体；待测物体反射偏振光，反向传播进入会聚收光透镜，聚焦到光探测器；采集光信号，输出测量数序列；随机光学调制单元和光探测器之间同步；将最终测量矩阵与测量数序列传输到压缩计算关联算法模块，通过压缩计算关联算法重构物体的反射光图像。

Description

一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统及方法

技术领域

本发明涉及稀疏孔径主动成像领域，特别涉及一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统及方法。

背景技术

在中远距离目标的成像探测中，根据有无照明光源，分为主动成像和被动成像两种成像方式。被动成像最大的特点就是本身不带光源，依赖目标或环境反射太阳等自然光或目标自身辐射，使用成像设备检测这些微弱信号并最终成像。主动成像是指利用人工照明的方式，采用一个人造光学辐射源照射目标，并利用接收机收集和探测目标景物直接或反射后的部分光辐射并最后成像。由于激光具有高强度、高准直性、单色性好、易于同步等优点，因而在主动成像系统中常常采用激光器作为照明光源来照射远处小目标，探测激光脉冲回波信号，获得远处小目标的高分辨率图像。利用激光主动成像技术与先进的图像处理技术相结合探测目标，可提高远距离目标图像的分辨率，可以在全天时、零照度条件下，随时在所关心的区域内进行目标探测，在中远距离成像上具有重要的实用价值和广泛的应用前景。

激光主动成像系统获取的图像中，电子线路干扰、探测器噪声（包括热噪声、散粒噪声、光子噪声）等都会对所成图像造成影响。激光在大气中传输时，大气湍流会导致激光闪烁，在图像上会产生斑纹。此外，由于激光的相干性，所生成的图像会受到散斑噪声污染。图像的散斑噪声印制问题突出，在抑制噪声时还要保持细节信息，在技术实现上十分困难。另外，激光主动成像一般采用面阵探测器，面阵探测器带来的电学噪声和成本不容忽视。此外，在微光和夜视、远距离小目标探测和深空目标探测成像等应用领域，亮度低，受大气的传输性影响严重，尤其是大气的后向散射，使最灵敏的微光电视系统也不能提供足够的分辨率，很难探测和识别目标，而红外成像系统也受到温度对比低的限制。因而在弱光探测时单位像素上的感光灵敏度成为制约弱光主动成像的主要因素，当光均衡到平面上，单位像素上的通光量也随之下降，如何提高通光量和减少噪声，已经成为现有激光主动成像系统的瓶颈问题，唯有改变成像方式，提出新的成像理念，才能打破这一限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的激光主动成像系统所具有的缺陷，从而提供一种低成本、高效率的主动成像系统与方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，包括：偏振光源发射单元19、扩束透镜18、第四准直透镜17、随机光学调制单元16、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元13、第一透镜14、偏振光分束器15、全反射镜20、会聚收光透镜21、光探测器22以及压缩计算关联算法模块23；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路；

所述偏振光源发射单元19所发出的偏振光经所述扩束透镜18扩束、第四准直透镜17准直后照射到所述随机光学调制单元16，所述随机光学调制单元16加载随时间变化的散斑以对偏振光进行随机相位调制，然后通过所述偏振光分束器15将随机调制后的偏振光反射到所述第一透镜14；接着依次通过所述束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元以及稀疏孔径单元传播到待测物体；待测物体反射所接收到的偏振光，反向传播通过稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元13、第一透镜14、偏振光分束器15、全反射镜20后进入所述会聚收光透镜21，通过所述会聚收光透镜21聚焦到所述光探测器22；所述光探测器22采集光信号，输出测量数序列；所述随机光学调制单元16和所述光探测器22之间同步；计算出加载在所述随机光学调制单元16上的随时间变化的散斑传播到物体表面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，将所述最终测量矩阵与多个同步周期内测量得到的测量数序列传输到所述压缩计算关联算法模块23，由所述压缩计算关联算法模块23通过压缩计算关联算法重构物体的反射光图像。

上述技术方案中，所述稀疏孔径单元包括第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3；所述自由空间准直单元包括第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜6；所述光束反射单元包括由第一反射镜7、第二反射镜8组成的第一反射镜组，由第三反射镜9、第四反射镜10组成的第二反射镜组，由第五反射镜11、第六反射镜12组成的第三反射镜组；

所述第一子望远镜透镜1、第一准直透镜4、第一反射镜组形成第一光路，所述第二子望远镜透镜2、第二准直透镜5、第二反射镜组形成第二光路，所述第三子望远镜透镜3、第三准直透镜6、第三反射镜组形成第三光路。

上述技术方案中，所述稀疏孔径单元中的各个子望远镜透镜的空间组合方式包括：小孔径望远镜阵列或Golay-6或Golay-9或环形或环面或三壁。

上述技术方案中，所述空间准直单元中的各个准直透镜的空间组合方式包括：准直透镜阵列组或反射式准直镜。

上述技术方案中，所述偏振光分束器15包括起偏器、检偏器、四分之一玻片和偏振棱镜，用于对单色光或连续谱光源实现单方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；实现紫外光、可见光、近红外和红外光波段的偏振光的分束功能。

上述技术方案中，所述随机光学调制单元16用于实现相位调制，以模拟出负指数分布的散斑光场；所述随机光学调制单元16采用包括毛玻璃、液晶光阀在内的空间光调制器实现。

上述技术方案中，所述光探测器22采用光电转换点探测器或桶探测器或单像素探测器或光电倍增管或雪崩二极管或超导单光子探测器中的任意一种实现，波长范围涵盖紫外、可见光、近红外、红外光波段；当配置单光子探测器时需要在其后连接相应的计数器，以计量光子脉冲个数。

上述技术方案中，所述压缩计算关联算法模块23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基于所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统所实现的主动成像方法，包括：

步骤1）、稀疏孔径压缩计算关联的相位调制的步骤；

所述偏振光源发射单元19发出的偏振光经过扩束准直后入射到所述随机光学调制单元16，经所述随机光学调制单元16做随机调制后通过稀疏孔径系列光学变换后，自由传播到待测物体；其中，所述随机光学调制单元16通过加载随时间变化的散斑对所述偏振光源发射单元19发出的偏振光进行相位调制；

步骤2）、压缩采样的步骤；

所述光探测器22在所述随机光学调制单元16每次调制的时间间隔内同时采集到达的光信号，调制m次，将光电转换后的数值组成m×1的测量值向量y；

步骤3）、计算关联成像中自由空间光场传播的步骤；

通过惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出所述随机光学调制单元16上所加载的调制散斑光场通过自由空间光场传播到物体面上的光场分布，将计算结果作为最终的测量矩阵A；

步骤4）、信号重建的步骤；

将步骤3）得到的所述测量矩阵A与步骤2）得到的所述测量值y一起作为所述压缩计算关联算法模块23的输入，选取合适的稀疏基使得反射物体成像x能由最少量的系数表示，通过压缩计算关联算法进行信号重建，最终实现对反射物体的压缩感知稀疏孔径计算关联的主动成像。

上述技术方案中，所述压缩计算关联模块23中所采用的压缩计算关联算法的核心为压缩感知最优化算法，在目标函数上结合了关联成像的成像约束条件，将压缩感知最优化算法的关键目标函数修改为：

其中A为经惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出的测量矩阵，Ψ为n×n稀疏基，一般Ψ为正交矩阵，x′＝Ψ^-1x，x为原始物体图像矩阵经拉伸后的列向量，τ和ζ都为常系数，‖·‖_p代表l_p范数，<·>表示加和平均，a_i为空间光调制器上第i(1≤i≤m)次调制时计算所得的p×q自由光场传播光场分布矩阵，共计调制m次，a_i′为a_i经拉伸后的列向量，A实际为m个(a_i′)^T组成的m×n矩阵，A^Ty为m×1列向量。

本发明的优点在于：

本发明采用了数学研究的最新成果—压缩感知理论，结合计算关联理论和稀疏孔径直接成像方法，无需阵列探测器，也无需扫描，仅以点探测器完成对二维平面图像的采样工作，节约了探测维度，大大节约成本，此外还能避免由面阵探测器带来的光学噪声和电学噪声，充分利用计算关联成像中计算自由空间光调制器上散斑经自由空间光场传播后的空间分布，可以模拟物面上真实散斑光场分布，省略了关联成像中具有空间分辨能力的参考臂面阵探测器，而空间光调制器可以模拟出负指数分布的光场。另外，该方法突破传统成像技术，采用新原理构建出新的主动成像机制。同时该项技术也可以广泛应用在空间天文观测、地基天文观测、对地实时观测成像、机载野外中远距离观测成像等高新技术领域。

附图说明

图1是本发明的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统在一个实施例中的结构示意图。

图面说明

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进行介绍。

关联成像，或者称为鬼成像(Ghost Imaging，GI)，是指可以在不包含物体的光路上生成物体的像，是近些年来量子光学领域的前沿和热点之一。鬼成像的概念首先是用由参量下转换产生空间纠缠光子对来验证的。普通鬼成像，在物臂，放置有物体，但用一个没有空间分辨能力的桶（单像素）探测器进行探测，在参考臂，没有物体，但在与物体相同光程处用一个具有空间分辨能力的探测器探测变化的光场信息，通过两臂探测信号的关联，便可得到图像。最新研究表明，鬼成像的光源不但可以是纠缠光源，还可以是热光或者赝热光，因而产生了量子解释和经典解释，为开拓新的光信息技术提供了可能。而计算关联成像是一种改进的关联成像技术，它不再需要具有空间分辨能力的探测器，相反，它可以通过变化的入射光场与反射（或投射）过来的总光强作强度关联获得物体的空间分布信息。计算关联成像采用了可编程的空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）和一个激光器，且在光路上也类似于压缩感知中单像素照相机，都是事先已知测量矩阵和测量值，只是采用不同的算法反演出图像，计算关联成像采用的是强度二阶关联的算法，加权平均，而单像素照相机采用了基于凸优化的算法，迭代收敛。

压缩感知（Compressive Sensing，简称CS）原理：能以随机采样的方式、通过更少的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）完美地恢复原始信号。压缩感知原理的基本步骤包括：首先利用先验知识，选取合适的稀疏基Ψ，使得点扩散函数x经Ψ变换后得到x’是最为稀疏的；在已知测量值向量y、测量矩阵A和稀疏基Ψ的条件下，建立起数学模型y＝AΨx′+e，通过压缩感知算法进行凸优化，得到x’后，再由

反演出x。

稀疏孔径成像系统：稀疏孔径成像系统一般由多个形状相同的子孔径构成，稀疏孔径成像系统的光瞳函数可以根据列阵定理求得。列阵定理表明：如果一个衍射屏上开有N个形状完全相同的孔径，这些孔径的取向完全相同，等效于每一个孔径可由任何其他孔径通过平移得到。因此，对于一个直径为D的圆孔，其点扩散函数（系统对理想物点的成像斑的能量分布的数学描述，可用于评价系统的分辨率）为：

${\mathrm{PSF}}_{\mathrm{sub}}\left(\mathrm{\&rho;}\right)={\left(\frac{\mathrm{\&pi;}{D}^2}{4\mathrm{\&lambda;f}}\right)}^2{\left(\frac{2J_1\left(\frac{\mathrm{\&pi;\&rho;D}}{\mathrm{\&lambda;f}}\right)}{\frac{\mathrm{\&pi;\&rho;D}}{\mathrm{\&lambda;f}}}\right)}^2$

式中(x_i,y_i)是第i个子孔径圆心的坐标。D为圆孔直径，λ是系统采用波长，f为系统焦距，N为子孔径的个数，J₁为1阶贝塞尔函数，ρ是频率平面内任意矢量的半径。

对于单个子孔径，光学调制传递函数（成像系统对目标所成的实际像的频谱与理想频谱的比值）为：

${\mathrm{MTF}}_{\mathrm{sub}}\left(\mathrm{\&rho;}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}[\arccos \left({\mathrm{\&rho;}}_n\right)-{\mathrm{\&rho;}}_n{(1-{\mathrm{\&rho;}}_n^2)}^{1/2}],0\&le;{\mathrm{\&rho;}}_n\&le;1\\ 0,{\mathrm{\&rho;}}_n>1\end{array}\right.$

式中ρ_n＝ρ/ρ_c，ρ是频率平面内任意矢量的半径；ρ_c＝D/λf是截止频率。

稀疏孔径系统由多个子孔径的排列组成，整个入瞳的透过率可以由单孔径的透过率和一个δ函数的二维阵列的卷积得到，可以推导出稀疏孔径成像系统的点扩散函数和光学调制传递函数分别为：

${\mathrm{PSF}}_N(x,y)={\mathrm{PSF}}_{\mathrm{sub}}{\left|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\exp ((-2\mathrm{\&pi;i}/\mathrm{\&lambda;f})\&CenterDot;({\mathrm{xx}}_i+{\mathrm{yy}}_i))\right|}^2$

${\mathrm{MTF}}_N(f_x,f_y)=\frac{{\mathrm{MTF}}_{\mathrm{sub}}}{N}*\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&delta;}(f_x-\frac{x_i-x_j}{\mathrm{\&lambda;f}},f_y-\frac{y_i-y_j}{\mathrm{\&lambda;f}})$

式中(x_i-x_j),(y_i-y_j),表示子孔径之间的相对位置，PSF_sub和MTF_sub分别是单个子孔径的点扩散函数和调制传递函数，f为系统焦距，N为子孔径的个数，λ是系统采用波长。

因此，子孔径在入瞳平面上排列形式对系统MTF有着重要的影响，通过调整子孔径的排列方式就可以改变系统MTF的分布。

以上都是对稀疏孔径成像公式的理论分析，以下将结合压缩计算关联成像原理具体描述本发明的成像系统。

参考图1，本发明的一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，包括：偏振光源发射单元19、扩束透镜18、第四准直透镜17、随机光学调制单元16、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元13、第一透镜14、偏振光分束器15、全反射镜20、会聚收光透镜21、光探测器22以及压缩计算关联算法模块23；其中，所述稀疏孔径单元包括由第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3所组成的小孔径望远镜阵列；所述自由空间准直单元包括由第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜所组成的准直透镜阵列组，所述准直透镜阵列组中的各个子望远镜透镜与所述小孔径望远镜阵列中的各个准直透镜具有一一对应的位置关系；所述光束反射单元包括三个反射镜组，分别为由第一反射镜7、第二反射镜8组成的第一反射镜组，由第三反射镜9、第四反射镜10组成的第二反射镜组，由第五反射镜11、第六反射镜12组成的第三反射镜组，这三个反射镜组分别对应所述准直透镜阵列组中的三个准直透镜；

偏振光源发射单元19所发出的偏振光经扩束透镜18扩束、第四准直透镜17准直后照射到所述随机光学调制单元16，所述随机光学调制单元16加载随时间变化的散斑以对偏振光进行随机相位调制，然后通过偏振光分束器15将随机调制后的偏振光反射到第一透镜14；接着依次通过束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元以及稀疏孔径单元传播到待测物体；待测物体反射所接收到的偏振光，反向传播通过稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元13、第一透镜14、偏振光分束器15、全反射镜20后进入会聚收光透镜21，通过会聚收光透镜21聚焦到光探测器22；所述光探测器22采集光信号，输出测量数序列；所述随机光学调制单元16和所述光探测器22之间同步，即随机光学调制单元16中的散斑每调整一次，光探测器22在该调制时间间隔内累计探测到达的所有光强，实现光电信号采集和AD转换，然后送到压缩计算关联算法模块23；计算出加载在所述随机光学调制单元16上的随时间变化的调制散斑光场传播到物体表面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，将所述最终测量矩阵与多个同步周期内测量得到的测量数序列传输到所述压缩计算关联算法模块23，由所述压缩计算关联算法模块23通过压缩计算关联算法重构物体的反射光图像。

下面对本发明的成像系统做进一步的说明。

之前提到，通过调整子孔径的排列方式可以改变系统MTF的分布。在本实施例中，所述稀疏孔径单元采用由第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3组成小孔径望远镜阵列的结构方式。在其他实施例中，所述稀疏孔径单元的空间组合方式还可以是Golay-6结构、Golay-9等结构和环形、环面、三壁形式等稀疏孔径结构方式。

在本实施例中，所述空间准直单元采用由第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜6组成准直透镜阵列组的结构方式，在其他实施例中，也可采用反射式准直镜方式，通过这种方式可以减小系统体积。

所述的光束反射单元由第一反射镜7、第二反射镜8将第一子望远镜透镜1入射的光信号转换到束斑合成单元13；由第三反射镜9、第四反射镜10将第二子望远镜透镜2入射的光信号转换到束斑合成单元13；由第五反射镜11、第六反射镜12将第三子望远镜透镜3入射的光信号转换到束斑合成单元13。

所述的束斑合成单元13将稀疏孔径的三个子孔径望远镜入射光合并到一个透镜系统中，实现稀疏孔径直接成像。

所述偏振光分束器15包括起偏器、检偏器、四分之一玻片和偏振棱镜，其用于对单色光或连续谱光源实现单方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；可以实现紫外光、可见光、近红外和红外光波段的偏振光的分束功能。所述偏振棱镜可采用偏振分束器、可变偏振分束器、偏振非敏感分束器及声光偏转器等元件。

所述随机光学调制单元16用于实现相位调制，以模拟出负指数分布的散斑光场，该散斑光场通过稀疏孔径系统（指由束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元以及稀疏孔径单元所组成的系统）投影到待测物体上，进而通过惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出散斑光场传播到物体面的光场分布，这一结果可作为最终的测量矩阵。所述散斑具有一定的灰度变化范围，且散斑存在颗粒大小，采用颗粒度越小的散斑进行相位调制，最后所形成的成像质量越好。在实际应用中可根据实际需要确定散斑的颗粒度。所述随机光学调制单元16一般采用毛玻璃、液晶光阀等空间光调制器实现。

所述光探测器22采用光电转换点探测器或桶探测器或单像素探测器或光电倍增管或雪崩二极管或超导单光子探测器中的任意一种实现，波长范围涵盖紫外、可见光、近红外、红外光波段；当配置单光子探测器时需要在其后连接相应的计数器，以计量光子脉冲个数。

所述压缩计算关联算法模块23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。

以上是对本发明的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统在一个实施例中的结构描述，在其他实施例中，该系统还可以有其他变形，例如，所述稀疏孔径单元中的子望远镜透镜的数目可以大于3个，此时，自由空间准直单元中的准直透镜以及光束反射单元中的反射镜组的数目也需要做相应调整。

基于上述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，可实现基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像方法，该方法包括：

步骤1）、稀疏孔径压缩计算关联的相位调制的步骤；

偏振光源经过扩束准直后入射到随机光学调制单元16，发射光场经随机光学调制单元16做随机调制后通过稀疏孔径系列光学变换后，自由传播到待测物体；其中，随机光学调制单元16通过加载随时间变化的散斑对偏振光源发射光进行相位调制；

步骤2）、压缩采样的步骤；

所述光探测器22在随机光学调制单元16每次调制的时间间隔内同时采集到达的光信号，调制m次，将光电转换后的数值组成m×1的测量值向量y；

步骤3）、计算关联成像中自由空间光场传播的计算步骤；

通过惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出随机光学调制单元16上所加载的调制散斑光场通过自由空间光场传播到物体面上的光场分布，将计算结果作为最终的测量矩阵A；

步骤4）、信号重建的步骤；

步骤3）得到的所述测量矩阵A与步骤2）得到的所述测量值y一起作为压缩计算关联算法模块23的输入，选取合适的稀疏基使得反射物体成像x能由最少量的系数表示，通过压缩计算关联算法进行信号重建，最终实现对反射物体的压缩感知稀疏孔径计算关联的主动成像。

其中，压缩计算关联模块23中所采用的压缩计算关联算法的核心为压缩感知最优化算法，在目标函数上结合了关联成像的成像约束条件，将压缩感知最优化算法的关键目标函数修改为：

其中A为经惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出的测量矩阵，Ψ为n×n稀疏基，一般Ψ为正交矩阵，x′＝Ψ^-1x，x为原始物体图像矩阵经拉伸后的列向量，τ和ζ都为常系数，‖·‖_p代表l_p范数，<·>表示加和平均，a_i为空间光调制器上第i(1≤i≤m)次调制时计算所得的p×q自由光场传播光场分布矩阵，共计调制m次，a_i′为a_i经拉伸后的列向量，A实际为m个(a_i′)^T组成的m×n矩阵，A^Ty为m×1列向量。

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。

Claims (10)

1.一种基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，其特征在于，包括：偏振光源发射单元（19）、扩束透镜（18）、第四准直透镜（17）、随机光学调制单元（16）、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元（13）、第一透镜（14）、偏振光分束器（15）、全反射镜（20）、会聚收光透镜（21）、光探测器（22）以及压缩计算关联算法模块（23）；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路；

所述偏振光源发射单元（19）所发出的偏振光经所述扩束透镜（18）扩束、第四准直透镜（17）准直后照射到所述随机光学调制单元（16），所述随机光学调制单元（16）加载随时间变化的散斑以对偏振光进行随机相位调制，然后通过所述偏振光分束器（15）将随机调制后的偏振光反射到所述第一透镜（14）；接着依次通过所述束斑合成单元（13）、光束反射单元、自由空间准直单元以及稀疏孔径单元传播到待测物体；待测物体反射所接收到的偏振光，反向传播通过稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、束斑合成单元（13）、第一透镜（14）、偏振光分束器（15）、全反射镜（20）后进入所述会聚收光透镜（21），通过所述会聚收光透镜（21）聚焦到所述光探测器（22）；所述光探测器（22）采集光信号，输出测量数序列；所述随机光学调制单元（16）和所述光探测器（22）之间同步；计算出加载在所述随机光学调制单元（16）上的随时间变化的散斑传播到物体表面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，将所述最终测量矩阵与多个同步周期内测量得到的测量数序列传输到所述压缩计算关联算法模块（23），由所述压缩计算关联算法模块（23）通过压缩计算关联算法重构物体的反射光图像。

2.根据权利要求1所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，其特征在于，所述稀疏孔径单元包括第一子望远镜透镜（1）、第二子望远镜透镜（2）和第三子望远镜透镜（3）；所述自由空间准直单元包括第一准直透镜（4）、第二准直透镜（5）和第三准直透镜（6）；所述光束反射单元包括由第一反射镜（7）、第二反射镜（8）组成的第一反射镜组，由第三反射镜（9）、第四反射镜（10）组成的第二反射镜组，由第五反射镜（11）、第六反射镜（12）组成的第三反射镜组；

所述第一子望远镜透镜（1）、第一准直透镜（4）、第一反射镜组形成第一光路，所述第二子望远镜透镜（2）、第二准直透镜（5）、第二反射镜组形成第二光路，所述第三子望远镜透镜（3）、第三准直透镜（6）、第三反射镜组形成第三光路。

3.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，其特征在于，所述稀疏孔径单元中的各个子望远镜透镜的空间组合方式包括：小孔径望远镜阵列或Golay-6或Golay-9或环形或环面或三壁。

4.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，其特征在于，所述空间准直单元中的各个准直透镜的空间组合方式包括：准直透镜阵列组或反射式准直镜。

5.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，其特征在于，所述偏振光分束器（15）包括起偏器、检偏器、四分之一玻片和偏振棱镜，用于对单色光或连续谱光源实现单方向全部或部分反射，入射方向全部或部分透射；实现紫外光、可见光、近红外和红外光波段的偏振光的分束功能。

6.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，其特征在于，所述随机光学调制单元（16）用于实现相位调制，以模拟出负指数分布的散斑光场；所述随机光学调制单元（16）采用包括毛玻璃、液晶光阀在内的空间光调制器实现。

7.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，其特征在于，所述光探测器（22）采用光电转换点探测器或桶探测器或单像素探测器或光电倍增管或雪崩二极管或超导单光子探测器中的任意一种实现，波长范围涵盖紫外、可见光、近红外、红外光波段；当配置单光子探测器时需要在其后连接相应的计数器，以计量光子脉冲个数。

8.根据权利要求1或2所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统，其特征在于，所述压缩计算关联算法模块（23）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。

9.基于权利要求1-8之一所述的基于稀疏孔径压缩计算关联的主动成像系统所实现的主动成像方法，包括：

步骤1）、稀疏孔径压缩计算关联的相位调制的步骤；

所述偏振光源发射单元（19）发出的偏振光经过扩束准直后入射到所述随机光学调制单元（16），经所述随机光学调制单元（16）做随机调制后通过稀疏孔径系列光学变换后，自由传播到待测物体；其中，所述随机光学调制单元（16）通过加载随时间变化的散斑对所述偏振光源发射单元（19）发出的偏振光进行相位调制；

步骤2）、压缩采样的步骤；

所述光探测器（22）在所述随机光学调制单元（16）每次调制的时间间隔内同时采集到达的光信号，调制m次，将光电转换后的数值组成m×1的测量值向量y；

步骤3）、计算关联成像中自由空间光场传播的步骤；

通过惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出所述随机光学调制单元（16）上所加载的调制散斑光场通过自由空间光场传播到物体面上的光场分布，将计算结果作为最终的测量矩阵A；

步骤4）、信号重建的步骤；

将步骤3）得到的所述测量矩阵A与步骤2）得到的所述测量值y一起作为所述压缩计算关联算法模块（23）的输入，选取合适的稀疏基使得反射物体成像x能由最少量的系数表示，通过压缩计算关联算法进行信号重建，最终实现对反射物体的压缩感知稀疏孔径计算关联的主动成像。

10.根据权利要求9所述的主动成像方法，其特征在于，所述压缩计算关联模块（23）中所采用的压缩计算关联算法的核心为压缩感知最优化算法，在目标函数上结合了关联成像的成像约束条件，将压缩感知最优化算法的关键目标函数修改为：

其中A为经惠更斯-菲涅尔衍射公式计算出的测量矩阵，Ψ为n×n稀疏基，一般Ψ为正交矩阵，x′＝Ψ^-1x，x为原始物体图像矩阵经拉伸后的列向量，τ和ζ都为常系数，‖·‖_p代表l_p范数，<·>表示加和平均，a_i为空间光调制器上第i(1≤i≤m)次调制时计算所得的p×q自由光场传播光场分布矩阵，共计调制m次，a_i′为a_i经拉伸后的列向量，A实际为m个(a_i′)^T组成的m×n矩阵，A^Ty为m×1列向量。

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