CN103913228A - 编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统及方法，望远镜接收脉冲光源经过物体反射光经由成像透镜和光扩束准直后，在第一数字微阵列反射镜分束后，经第二数字微阵列反射镜对图像编码，经第三数字微阵列反射镜对光场随机空间调制，经成像透镜成像，经汇聚透镜汇聚入射到多个光电探测器，经压缩算法模块重构对应编码图像，对编码图像解码后获得低分辨图像，对所有低分辨率图像的每个像素灰度值列出稀疏线性方程组，其最小二乘解即为超分辨率图像；然后通过同步时间测量提供图像的时间码信息，重构出超分辨率三维图像。

Description

编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统及方法

技术领域

本发明涉及超分辨率成像领域，特别涉及一种基于压缩感知的编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统及方法。

背景技术

上世纪四十年代，M.J.E.Golay最先提出“模板调制”调制思想，基于这种思想，Golay设计出多狭缝模板光谱仪，认识了模板调制的作用。随后，吉拉德（Girad）提出以菲涅尔波带片制作的栅栏作为模板的栅栏光谱仪，利用菲涅尔波函数的正交性实现波长调制，增强了光通量；默脱（Mertz）提出以旋转栅栏方法实现光场调制，利用傅里叶变换获得辐射光谱，同时具有多通道和高通量的优点；随着研究的进一步发展，出现了简易模板光谱仪，1968年Ibbett、Decker和Harwit研究了Golay光谱仪的基本特征，提出间歇步进模板取代连续旋转盘；Gottlieb研究了与正交二元数字码相关的循环码，提出循环码可折叠成二维阵列，Sloane等人在此基础上，提出Reed-Mullet码尤其适用于光谱测量，由于Reed-Mullet码与hadamard矩阵密切相关，因此，这种新型的模板调制技术被称作Hadamard变换光谱技术。

Hadamard变换光谱学是上世纪末期逐渐发展起来的新型光谱调制技术。这种技术以Hadamard编码模板代替传统的色散型光谱仪的狭缝，实现多通道多谱元高通量同时测量。近几年来随着微型光机电学技术的发展，使Hadamard光谱技术成为研究热点之一，如欧空局计划发射的欧几里德望远镜就采用这种技术实现对空间天文的观测。与传统光谱仪相比，这种技术具有如下优点：1）光通量高，采用数字微阵列反射镜替代传统的光谱细窄狭缝；2)光谱分辨率高，与傅里叶光谱仪一样可以不受狭缝产生的仪器函数的限制；3）信噪比高，调制和解调方法有效抑制北京和干扰信号，相对提高有用的光谱信号；4）灵活性高，根据观测对象有目的选择特定对象的光谱信息，降低背景和其他对象的干扰，同时这种技术也可以用于成像领域，实现超分辨率成像。

压缩感知是由E.J.Candes、J.Romberg、T.Tao和D.L.Donoho等研究人员于2004年提出，早在上世纪法国数学家Prony提出稀疏信号恢复方法，这种方法是通过解特征值问题估计稀疏三角多项式的非零幅度和对应的频率；B.Logan最早提出基于L1范数最小化的稀疏约束方法。随后发展出的压缩感知理论是将L1范数最小化稀疏约束与随机矩阵结合，获得稀疏信号重建性能的最佳结果，压缩感知基于信号的可压缩性，通过低维空间、低分辨率、欠Nyquist采样数据的非相关观测来实现高维信号的感知。广泛应用于信息论、图像处理、地球科学、光学/微波成像、模式识别、无线通信、大气科学、地球科学、物理天文学等学科领域。

压缩感知理论是将采样和压缩同时进行，很好地利用了自然信号可以在某个稀疏基下表示的先验知识，可以实现远低于奈奎斯特/香农采样极限的亚采样，并能近乎完美地重建信号信息。其最广泛的应用是单像素照相机技术，它能使用一个点探测器而不是面阵探测器便可完成所有的探测任务，倘若这项技术应用在稀疏孔径上，必将减少探测维度，避免由面阵探测器带来的光学噪声和电学噪声，而且采用数字微镜器件DMD，这是一个被动光学元件，不会给信号带来任何噪声，探测器方面也不再需要前置放大器，此外系统还能做到23kHz的高速采样，这是传统面阵探测器所无法企及的，外加之鲁棒的重建算法，必将引发更多潜在应用。

发明内容

本发明的目的在于将压缩感知理论应用于Hadamard变换光学超分辨率成像领域，从而提供一种压缩感知的编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统，所述系统包括：望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、压缩算法模块、解码与稀疏线性算法模块、脉冲光源单元和同步时间测量单元组成；

所述望远镜单元包括凹面反射镜（1）、凸面反射镜（2）和反射镜（3）；

所述成像透镜单元包括第一成像透镜（4-1）、第二成像透镜（4-2）；

所述数字微阵列反射镜单元包括第一数字微阵列反射镜（6-1）、第二数字微阵列反射镜（6-2）和第三数字微阵列反射镜（6-3）；

脉冲光源单元包括脉冲光源（12）、聚焦透镜（13）、光源扩束透镜（14）、第一光源反射镜（15-1）、第二光源反射镜（15-2）和第三光源反射镜（15-3）；

同步时间测量单元包括同步时钟信号（16）、触发延迟器（17）和脉宽调制器（18）；

通过第一成像透镜（4-1）成像后，经过光扩束准直透镜（5）将多目标图像映射到第一数字微阵列反射镜（6-1）表面，通过控制第一数字微阵列反射镜（6-1）将非目标物体的背景光反射出后续光学系统；使背景杂散光反射到收光器（7）；控制第一数字微阵列反射镜（6-1）将多目标物体光场反射到第二数字微阵列反射镜（6-2），经其对图像进行编码孔径编码后，入射到第三数字微阵列反射镜（6-3），对编码图像进行随机光学调制后，通过第二成像透镜（4-2）成像后，再通过汇聚透镜（8）汇聚后入射到光电探测器（9），经压缩算法模块（10）重构多目标编码图像，再经过解码与稀疏线性算法模块（11），对编码图像解码后形成低分辨图像，再通过该模块对所有探测器获得的多个低分辨率图像的每个像素灰度值列出稀疏线性方程组，求解最小二乘解即可获得多目标物体的超分辨率图像；通过同步时钟信号（17）为脉冲光源（12）提供同步脉冲信号，然后通过触发延迟器（17）和脉宽调制器（18）为光电探测器（9）提供同步门控信号，触发延迟器（17）延迟的时间数据作为多目标超分辨率图像的时间码信号，最后形成超分辨率三维图像。

进一步的，所述望远镜单元包括凹面反射镜（1）、凸面反射镜（2）和反射镜（3）；其中所述望远镜单元为伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿望远镜、卡塞格林望远镜；所述望远镜单元结构为反射式、折射式或折返式望远镜；所述望远镜单元在光谱范围包括紫外、可见光、红外波段望远镜。

进一步的，所述第一成像透镜（4-1）用于对望远镜入射光进行成像，第二成像透镜（4-2）用于对编码图像随机空间光调制后成像。

进一步的，所述第一数字微阵列反射镜（6-1）将多目标图像中的非目标的背景光和杂散光反射到收光器（7），将有效多目标图像反射到第二数字微阵列反射镜（6-2）上；

所述第二数字微阵列反射镜（6-2）将多目标图像进行Hadamard编码，或快速Hadamard变换算法对图像进行编码；其中Hadamard编码采用H矩阵或S矩阵，所述S矩阵采用N阶循环S矩阵，基于m序列构造的循环S矩阵；其中N阶循环S矩阵的阶数可以是7、11、15、19、23、27等数值，阶数越高分辨率越高；所述数字微阵列反射镜单元还包括液晶空间光调制器；

所述第三数字微阵列反射镜（6-3）用于将多目标编码图像进行随机空间光调制后，通过第二成像透镜（4-2）对随机调制后的编码图像成像，然后输入到汇聚透镜（8）。

进一步的，所述汇聚透镜单元由汇聚透镜（8）将第三数字微阵列反射透镜（6-3）随机光调制后的图像汇聚到一点，然后入射到对应的光电探测器（9），通过汇聚透镜（8）实现高通量成像，应用于弱光、超弱光和单光子成像；

所述光电探测单元由光电探测器组（9）接收对应汇聚透镜（8）汇聚后的光信号，然后输入到对应压缩算法模块（10），其中所述光电探测器组包含M个点探测器，每个点探测器采用紫外、可见光、近红外、红外线阵光电探测器或单光子探测器，以光学光谱范围或超高灵敏探测；其中单光子探测器是紫外、可见光、近红外、红外雪崩二极管，固态光电倍增管或超导单光子探测器。

进一步的，其特征在于，所述压缩算法模块（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、梯度基或gabor变换基；通过使用上述压缩算法模块重构出光电探测器组对应的M个编码图像。

进一步的，所述解码与稀疏线性算法模块（11），通过对N个编码图像进行解码后形成低分辨率图像，然后通过M个图像中相关区域的每个像素灰度值列出线性方程组，构成稀疏线性方程组，求解最小二乘解即可获得多目标物体的超分辨率图像。

进一步的，所述的脉冲光源单元中，脉冲光源（12）发射出成像照明光源，经聚焦透镜（13）聚焦后，再通过光源扩束透镜（14）后，再经过第一光源反射镜（15-1）、第二光源反射镜（15-2）和第三光源反射镜（15-3）反射后，照射到望远镜单元所观测的有效视场区域，再经过与有效观测目标的相关作用后，反射回接收望远镜单元；其中脉冲光源（12）包含紫外、可见光、近红外和红外波段的脉冲光源，包括超连续谱光源、超波段连续光源和激光光源等，通过调Q开关、声光调制器等组成的脉冲光源。

进一步的，所述第三数字微阵列反射镜（6-3）与M个光电探测器组（9）之间，第三数字微阵列反射镜（6-3）中的微镜阵列每翻转一次，光电探测器组（9）中的每个独立探测器在该翻转时间间隔内累计探测到达所有光强，实现光电信号采集转换，然后送到对应的压缩算法模块（10）。

本发明还提供了一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像方法，所述方法包括：

步骤1）、脉冲光源同步触发，同步时钟信号（16）为脉冲光源（12）提供同步脉冲信号，然后通过触发延迟器（17）和脉宽调制器（18）为光电探测器（9）提供同步门控信号，触发延迟器（17）延迟的时间数据Tn（1≤n≤m）作为多目标超分辨率图像的时间码信号；

步骤2）、压缩感知的成像调制，保持触发延迟器（17）延迟的时间数据Tn不变，然后在脉冲光源（12）入射的成像光信号通过系列光学变换后，传输到数字微阵列反射镜（6-3）上，数字微阵列反射镜（6-3）通过加载随机矩阵A对其反射光进行光强调制；

步骤3）、压缩采样的，所述光电探测器组（9）在对应的数字微阵列反射镜（6-3）每次翻转的时间间隔内同时采样，并将光电探测器转换后的数值作为最终的测量值y；

步骤4）、信号重建，所述二值随机测量矩阵A测量值y与一起作为压缩算法模块（10）的输入，选取合适的稀疏基使得成像x能由最少量的系数表示，通过压缩感知算法进行信号重建，最终实现多目标物体的编码图像。

步骤5）、时间飞行成像，改变触发延迟器（17）延迟的时间数据Tn，重复上述步骤（2）-（4），直到延迟的时间数据Tm，然后将对应的超分辨率图像与Tn时间码重构出超分辨率三维图像。

本发明的优点在于：

本发明将压缩感知理论与Hadamard变换编码孔径或模板相结合，并采用时间飞行测量技术，创造性的提出稀疏Hadamard变换超分辨率三维成像方法，具有多通道、高通量、高信噪比、快速灵活的特点，适宜于常规光强、弱光、微弱光、超微弱光和单光子光谱仪成像方式，是一种动态范围大的新型超分辨率三维成像机制。通过对观测目标对象的选择，减小非观测对象和背景光对成像的干扰，进而有效提高超分辨率成像信噪比，通过采用数字微阵列反射镜技术实现对hadamard变换模板的编码，实现多通道快速编码成像。因此是一种新型变换超分辨率三维成像技术。凭借着这些显著的优势，压缩感知的编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统必将替代原有的成像装置的作用，将成为开展变换超分辨率光学成像领域的一个重要发展方向，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、全天候对地观测、夜间主动光源三维成像和对地实时多目标超分辨率成像等高新科技领域。

附图说明

图1是本发明的压缩感知的编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统的结构示意图；

1、望远镜单元的凹面反射镜

2、望远镜单元的凸面反射镜

3、反射镜

4-1、成像透镜单元的第一成像透镜

4-2、成像透镜单元的第二成像透镜

5、光扩束准直透镜

6-1、数字微阵列反射镜单元的第一数字微阵列反射镜

6-2、数字微阵列反射镜单元的第二数字微阵列反射镜

6-3、数字微阵列反射镜单元的第三数字微阵列反射镜

7、光反射到收光器

8、汇聚透镜

9、光电探测器

10、压缩算法模块

11、解码与稀疏线性算法模块

12、脉冲光源单元的连续光源

13、脉冲光源单元的聚焦透镜

14、脉冲光源单元的光源扩束透镜

15-1、脉冲光源单元的第一光源反射镜

15-2、脉冲光源单元的第二光源反射镜

15-3、脉冲光源单元的第三光源反射镜

16、同步时钟信号

17、触发延迟器

18、脉宽调制器

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明将压缩感知理论与Hadamard变换光学相结合，创造性的提出稀疏Hadamard变换成像，具有多通道、高通量、高信噪比、快速灵活的特点，适宜于常规光强、弱光、微弱光、超微弱光和单光子成像方式，是一种大动态范围的新型超分辨率主动光学成像机制。

本发明的基于稀疏孔径压缩计算关联的高光谱成像系统采用了压缩感知（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。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 $x={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i^{\′}{\mathrm{\ψ}}_i$ 反演出x。

以上是对压缩感知理论算法的说明，以下将结合压缩感知原理具体描述本发明的成像光谱系统。

图1是本发明编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统，系统包括：望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、压缩算法模块、解码与稀疏线性算法模块、脉冲光源单元和和同步时间测量单元组成；

所述望远镜单元包括凹面反射镜（1）、凸面反射镜（2）和反射镜（3）；所述成像透镜单元包括第一成像透镜（4-1）、第二成像透镜（4-2）；所述数字微阵列反射镜单元包括第一数字微阵列反射镜（6-1）、第二数字微阵列反射镜（6-2）和第三数字微阵列反射镜（6-3）；脉冲光源单元包括脉冲光源（12）、聚焦透镜（13）、光源扩束透镜（14）、第一光源反射镜（15-1）、第二光源反射镜（15-2）和第三光源反射镜（15-3）；同步时间测量单元包括同步时钟信号（16）、触发延迟器（17）和脉宽调制器（18）。

其中，通过第一成像透镜4-1成像后，经过光扩束准直透镜5将多目标图像映射到第一数字微阵列反射镜6-1表面，通过控制数字微阵列反射镜6-1将非目标物体的背景光反射出后续光学系统；使背景杂散光反射到收光器7；控制数字微阵列反射镜6-1将多目标物体光场反射到第二数字微阵列反射镜6-2，经其对图像进行编码孔径编码后，入射到第三数字微阵列反射镜6-3，对编码图像进行随机光学调制后，通过第二成像透镜4-2成像后，再通过汇聚透镜8汇聚后入射到光电探测器9，经压缩算法模块10重构多目标编码图像，再经过解码与稀疏线性算法模块11，对编码图像解码后形成低分辨图像，再通过该模块对所有探测器获得的多个低分辨率图像的每个像素灰度值列出稀疏线性方程组，求解最小二乘解即可获得多目标物体的超分辨率图像；通过同步时钟信号17为脉冲光源12提供同步脉冲信号，然后通过触发延迟器17和脉宽调制器18为光电探测器9提供同步门控信号，触发延迟器17延迟的时间数据作为多目标超分辨率图像的时间码信号，最后形成超分辨率三维图像。

具体的，望远镜单元由凹面反射镜1、凸面反射镜2和反射镜3组成；其中望远镜单元包括伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿望远镜、卡塞格林望远镜等；在结构上可以包括反射式、折射式、折返式望远镜等；在光谱范围包括紫外、可见光、红外波段望远镜等。

具体的，所述的成像透镜单元包括第一成像透镜4-1和第二成像透镜4-2，其中第一成像透镜4-1实现对望远镜入射光进行成像，第二成像透镜4-2实现对编码图像随机空间光调制后成像；另外也包括紫外、可见光、红外等波段的半凸透镜等。

具体的，所述的数字微阵列反射镜单元的第一数字微阵列反射镜6-1将多目标图像中的非目标的背景光和杂散光反射到收光器7，将有效多目标图像反射到第二数字微阵列反射镜6-2上。

具体的，所述的数字微阵列反射镜单元的第二个数字微阵列反射镜6-2将多目标图像进行Hadamard编码；其中Hadamard编码可以采用H矩阵或S矩阵，S矩阵是实用中的最佳编码矩阵，一般采用N阶循环S矩阵，基于m序列构造的循环S矩阵，另外可以采用快速Hadamard变换算法对图像进行编码；另外数字微阵列反射镜单元也包括液晶空间光调制器等其他光学空间调制器；其中N阶循环S矩阵的阶数可以是7、11、15、19、23、27等数值，阶数越高分辨率越高。

具体的，所述的数字微阵列反射镜单元的第三数字微阵列反射镜6-3将多目标编码图像进行随机空间光调制后，通过第二成像透镜4-2对随机调制后的编码图像成像，然后输入到汇聚透镜8。

具体的，所述汇聚透镜单元由汇聚透镜8将第三数字微阵列反射透镜6-3随机光调制后的图像汇聚到一点，然后入射到对应的光电探测器9，通过汇聚透镜8实现高通量成像，可以应用于弱光、超弱光和单光子成像方面。

具体的，所述光电探测单元由光电探测器组9接收对应汇聚透镜8汇聚后的光信号，然后输入到对应压缩算法模块10，其中所述光电探测器组包含M个点探测器，每个点探测器可以采用紫外、可见光、近红外、红外线阵光电探测器或单光子探测器，以光学光谱范围或超高灵敏探测；其中单光子探测器可以是紫外、可见光、近红外、红外雪崩二极管，固态光电倍增管，超导单光子探测器等。

具体的，所述压缩算法模块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；通过使用上述压缩算法模块重构出光电探测器组对应的M个编码图像。

具体的，所述解码与稀疏线性算法模块11，通过对N个编码图像进行解码后形成低分辨率图像，然后通过M个图像中相关区域的每个像素灰度值列出线性方程组，构成稀疏线性方程组，求解最小二乘解即可获得多目标物体的超分辨率图像。

具体的，所述的脉冲光源单元中，脉冲光源12发射出成像照明光源，经聚焦透镜13聚焦后，再通过光源扩束透镜14后，再经过第一光源反射镜15-1、第二光源反射镜15-2和第三光源反射镜15-3反射后，照射到望远镜单元所观测的有效视场区域，再经过与有效观测目标的相关作用后，反射回接收望远镜单元；其中脉冲光源12包含紫外、可见光、近红外和红外波段的脉冲光源，包括超连续谱光源、超波段连续光源和激光光源等，通过调Q开关、声光调制器等组成的脉冲光源等。

具体的，所述第三数字微阵列反射镜6-3与M个光电探测器组9之间需同步，第三数字微阵列反射镜6-3中的微镜阵列每翻转一次，光电探测器组9中的每个独立探测器在该翻转时间间隔内累计探测到达所有光强，实现光电信号采集转换，然后送到对应的压缩算法模块10。

本发明还提供了一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像方法，所述方法包括：

步骤1）、脉冲光源同步触发步骤；

同步时钟信号16为脉冲光源12提供同步脉冲信号，然后通过触发延迟器17和脉宽调制器18为光电探测器9提供同步门控信号，触发延迟器17延迟的时间数据Tn（1≤n≤m）作为多目标超分辨率图像的时间码信号，

步骤2）、压缩感知的成像调制的步骤；

保持触发延迟器17延迟的时间数据Tn不变，然后在脉冲光源12入射的成像光信号通过系列光学变换后，传输到第三数字微阵列反射镜6-3上，数字微阵列反射镜6-3通过加载随机矩阵A对其反射光进行光强调制；

步骤3）、压缩采样的步骤；

所述光电探测器组9在对应的第三数字微阵列反射镜6-3每次翻转的时间间隔内同时采样，并将光电探测器转换后的数值作为最终的测量值y；

步骤4）、信号重建的步骤；

所述二值随机测量矩阵A测量值y与一起作为压缩算法模块10的输入，选取合适的稀疏基使得成像x能由最少量的系数表示，通过压缩感知算法进行信号重建，最终实现多目标物体的编码图像。

步骤5）、时间飞行成像步骤：

改变触发延迟器17延迟的时间数据Tn，重复上述步骤2-4，直到延迟的时间数据Tm，然后将对应的超分辨率图像与Tn时间码重构出超分辨率三维图像。

以上是对本发明的基于压缩感知的编码模板多目标成像光谱系统的总体结构的描述，下面对其中各个部件的具体实现做进一步的描述。

所述数字微阵列反射镜单元能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，是实时光学信息处理、自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。其种类有很多种，主要有数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，简称DMD）、毛玻璃、液晶光阀等，这里所用到的调制为包括振幅调制在内的光强调制。

本实施例中所采用的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。

本发明的优点在于：

本发明将压缩感知理论与Hadamard变换编码孔径或模板相结合，并采用时间飞行测量技术，创造性的提出稀疏Hadamard变换超分辨率三维成像方法，具有多通道、高通量、高信噪比、快速灵活的特点，适宜于常规光强、弱光、微弱光、超微弱光和单光子光谱仪成像方式，是一种动态范围大的新型超分辨率三维成像机制。通过对观测目标对象的选择，减小非观测对象和背景光对成像的干扰，进而有效提高超分辨率成像信噪比，通过采用数字微阵列反射镜技术实现对hadamard变换模板的编码，实现多通道快速编码成像。因此是一种新型变换超分辨率三维成像技术。凭借着这些显著的优势，压缩感知的编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统必将替代原有的成像装置的作用，将成为开展变换超分辨率光学成像领域的一个重要发展方向，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、全天候对地观测、夜间主动光源三维成像和对地实时多目标超分辨率成像等高新科技领域。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统，其特征在于，所述系统包括：望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、压缩算法模块、解码与稀疏线性算法模块、脉冲光源单元和同步时间测量单元组成；

所述望远镜单元包括凹面反射镜（1）、凸面反射镜（2）和反射镜（3）；

所述成像透镜单元包括第一成像透镜（4-1）、第二成像透镜（4-2）；

所述数字微阵列反射镜单元包括第一数字微阵列反射镜（6-1）、第二数字微阵列反射镜（6-2）和第三数字微阵列反射镜（6-3）；

脉冲光源单元包括脉冲光源（12）、聚焦透镜（13）、光源扩束透镜（14）、第一光源反射镜（15-1）、第二光源反射镜（15-2）和第三光源反射镜（15-3）；

同步时间测量单元包括同步时钟信号（16）、触发延迟器（17）和脉宽调制器（18）；

通过第一成像透镜（4-1）成像后，经过光扩束准直透镜（5）将多目标图像映射到第一数字微阵列反射镜（6-1）表面，通过控制第一数字微阵列反射镜（6-1）将非目标物体的背景光反射出后续光学系统；使背景杂散光反射到收光器（7）；控制第一数字微阵列反射镜（6-1）将多目标物体光场反射到第二数字微阵列反射镜（6-2），经其对图像进行编码孔径编码后，入射到第三数字微阵列反射镜（6-3），对编码图像进行随机光学调制后，通过第二成像透镜（4-2）成像后，再通过汇聚透镜（8）汇聚后入射到光电探测器（9），经压缩算法模块（10）重构多目标编码图像，再经过解码与稀疏线性算法模块（11），对编码图像解码后形成低分辨图像，再通过该模块对所有探测器获得的多个低分辨率图像的每个像素灰度值列出稀疏线性方程组，求解最小二乘解即可获得多目标物体的超分辨率图像；通过同步时钟信号（17）为脉冲光源（12）提供同步脉冲信号，然后通过触发延迟器（17）和脉宽调制器（18）为光电探测器（9）提供同步门控信号，触发延迟器（17）延迟的时间数据作为多目标超分辨率图像的时间码信号，最后形成超分辨率三维图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述望远镜单元具体为伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿望远镜、卡塞格林望远镜；所述望远镜单元结构为反射式、折射式或折返式望远镜；所述望远镜单元在光谱范围包括紫外、可见光、红外波段望远镜。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一成像透镜（4-1）用于对望远镜入射光进行成像，第二成像透镜（4-2）用于对编码图像随机空间光调制后成像。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一数字微阵列反射镜（6-1）将多目标图像中的非目标的背景光和杂散光反射到收光器（7），将有效多目标图像反射到第二数字微阵列反射镜（6-2）上；

所述第二数字微阵列反射镜（6-2）将多目标图像进行Hadamard编码，或快速Hadamard变换算法对图像进行编码；其中Hadamard编码采用H矩阵或S矩阵，所述S矩阵采用N阶循环S矩阵，基于m序列构造的循环S矩阵；其中N阶循环S矩阵的阶数可以是7、11、15、19、23、27等数值，阶数越高分辨率越高；所述数字微阵列反射镜单元还包括液晶空间光调制器；

所述第三数字微阵列反射镜（6-3）用于将多目标编码图像进行随机空间光调制后，通过第二成像透镜（4-2）对随机调制后的编码图像成像，然后输入到汇聚透镜（8）。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述汇聚透镜单元由汇聚透镜（8）将第三数字微阵列反射透镜（6-3）随机光调制后的图像汇聚到一点，然后入射到对应的光电探测器（9），通过汇聚透镜（8）实现高通量成像，应用于弱光、超弱光和单光子成像；

所述光电探测单元由光电探测器组（9）接收对应汇聚透镜（8）汇聚后的光信号，然后输入到对应压缩算法模块（10），其中所述光电探测器组包含M个点探测器，每个点探测器采用紫外、可见光、近红外、红外线阵光电探测器或单光子探测器，以光学光谱范围或超高灵敏探测；其中单光子探测器是紫外、可见光、近红外、红外雪崩二极管，固态光电倍增管或超导单光子探测器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩算法模块（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、梯度基或gabor变换基；通过使用上述压缩算法模块重构出光电探测器组对应的M个编码图像。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述解码与稀疏线性算法模块（11），通过对N个编码图像进行解码后形成低分辨率图像，然后通过M个图像中相关区域的每个像素灰度值列出线性方程组，构成稀疏线性方程组，求解最小二乘解即可获得多目标物体的超分辨率图像。

8.根据权利要求1所述系统及方法，其特征在于所述的脉冲光源单元中，脉冲光源（12）发射出成像照明光源，经聚焦透镜（13）聚焦后，再通过光源扩束透镜（14）后，再经过第一光源反射镜（15-1）、第二光源反射镜（15-2）和第三光源反射镜（15-3）反射后，照射到望远镜单元所观测的有效视场区域，再经过与有效观测目标的相关作用后，反射回接收望远镜单元；其中脉冲光源（12）包含紫外、可见光、近红外和红外波段的脉冲光源，包括超连续谱光源、超波段连续光源和激光光源等，通过调Q开关、声光调制器等组成的脉冲光源。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三数字微阵列反射镜（6-3）与M个光电探测器组（9）之间，第三数字微阵列反射镜（6-3）中的微镜阵列每翻转一次，光电探测器组（9）中的每个独立探测器在该翻转时间间隔内累计探测到达所有光强，实现光电信号采集转换，然后送到对应的压缩算法模块（10）。

10.一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1）、脉冲光源同步触发，同步时钟信号（16）为脉冲光源（12）提供同步脉冲信号，然后通过触发延迟器（17）和脉宽调制器（18）为光电探测器（9）提供同步门控信号，触发延迟器（17）延迟的时间数据Tn（1≤n≤m）作为多目标超分辨率图像的时间码信号；

步骤2）、压缩感知的成像调制，保持触发延迟器（17）延迟的时间数据Tn不变，然后在脉冲光源（12）入射的成像光信号通过系列光学变换后，传输到数字微阵列反射镜（6-3）上，数字微阵列反射镜（6-3）通过加载随机矩阵A对其反射光进行光强调制；

步骤3）、压缩采样的，所述光电探测器组（9）在对应的数字微阵列反射镜（6-3）每次翻转的时间间隔内同时采样，并将光电探测器转换后的数值作为最终的测量值y；

步骤4）、信号重建，所述二值随机测量矩阵A测量值y与一起作为压缩算法模块（10）的输入，选取合适的稀疏基使得成像x能由最少量的系数表示，通过压缩感知算法进行信号重建，最终实现多目标物体的编码图像。

步骤5）、时间飞行成像，改变触发延迟器（17）延迟的时间数据Tn，重复上述步骤（2）-（4），直到延迟的时间数据Tm，然后将对应的超分辨率图像与Tn时间码重构出超分辨率三维图像。