CN107783149B - 一种压缩感知成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩感知成像装置及方法，该成像装置包括载体、PSF测量系统和成像系统，PSF测量系统中的第一光源发出的第一光束经过空气/水体后由第一光电探测单元接收，第一光电探测单元为采用单像素探测器，通过移动平台带动第一光源或单像素探测器移动，从而得到整个光斑的能量分布信息，通过PSF计算单元根据第一光源发出的光斑的能量分布以及第一光电探测单元探测到的光斑成像的能量分布信息计算出该空气/水体在特定距离下PSF的频谱值，并通过中央处理单元计算得到成像单元对应的空气/水体的PSF的频谱值，根据该频谱值调整空间光调制器中的微镜，使得其投射到检测目标上的光强分布与原调制矩阵相同，抑制PSF的影响，提高图像的重构精度。
Description
技术领域
本发明涉及水下目标检测识别与成像领域，具体涉及一种压缩感知成像装置及方法。
背景技术
关联成像(correlated imaging)，也称鬼成像(ghost imaging)，是一种基于光场涨落的量子或者经典关联特性，通过参考光场与目标探测光场之间的强度关联运算，可以非定域地获取目标图像信息的新型成像技术。然而传统的关联成像存在采样次数较多，成像时间长，系统结构复杂的问题，并不适用于在复杂多变的环境中成像。压缩感知(Compressive Sensing)技术是近年来出现的一种全新的信号采样技术，不同于传统的奈奎斯特采样定理，该技术将信号的压缩过程与采样过程同步完成，即将高维的原始信号通过观测矩阵投影到低维的空间上，以少量的投影参数通过求解优化问题高概率的重构原始信号。该技术可以有效的提高信号采样效率，降低信号处理时间和计算成本。
基于压缩感知的关联成像技术可以有效的克服传统关联成像技术关于探测时间、系统复杂度的问题。特别在恶劣天气或水下环境中，由于该技术仍然采用单像素探测器作为接收核心器件，其光电转换效率高，增益高，响应速度快，非常适合于弱光环境下的检测。由于光电探测器接收的不再是具有空间分辨率的信号，而是视场范围内的总光强值，不容易受到环境中的杂质干扰。另外，由于参考臂采用具有调制功能的器件代替，大幅度的降低了系统复杂度和体积度，使得系统的环境适应能力和稳定性得到了大幅度的提高。
在压缩感知过程中，光强分布的调制越精确，照射目标时的调制分布图案与原始调制图案越接近，最终重构的图像越准确。然而由于介质的PSF的作用，到达目标时的光强度分布与预设的调制图案差别巨大，如图1a-1b所示，分别为预设的调制图案和到达目标时的光强度分布图。且随着成像距离的增加，PSF的影响越大，为了能够减少环境对图像重构造成的负面影响，需要实时掌握空气/水体的PSF，对空间光调制器或调制矩阵进行重新调整，使得其到达目标时的光强度分布与预设的调制图案相同。
然而实际环境中包含的粒子情况往往十分复杂，并且随时间变化，现有的PSF的理论模型不能完整的表达实际系统所处环境的PSF参数。
发明内容
本发明提供了一种压缩感知成像装置及方法，以解决现有技术在恶劣天气条件或水中，由于PSF的影响导致的图像重构精度低，成像距离和成像质量下降的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种压缩感知成像装置，包括：载体和位于所述载体上的PSF测量系统和成像系统：
所述PSF测量系统包括第一光源、第一光电探测单元、移动平台和PSF计算单元，所述载体与移动平台之间设有空气/水体环境，所述第一光源和第一光电探测单元与所述PSF计算单元连接，所述第一光电探测单元为单像素探测器，所述移动平台带动所述第一光源或单像素探测器沿垂直于单像素探测器的光轴移动，所述第一光源发出的第一光束经过空气/水体之后进入第一光电探测单元，所述第一光束的发散角小于5mrad，所述第一光束的主光轴与所述单像素探测器的探测面垂直；
所述成像系统位于所述载体上，包括第二光源、空间光调制器、投射系统、第二光电探测单元和中央处理单元，所述第二光源、空间光调制器、投射系统、检测目标、第二光电探测单元、中央处理单元沿光路依次排列，所述中央处理单元分别与所述第一光源、PSF计算单元和空间光调制器连接。
进一步的，所述PSF测量系统还包括第一光束整形器件，第一光束经过所述第一光束整形器件后形成能量分布均匀的圆形光斑，所述单像素探测器探测的径向的能量分布经过所述圆形光斑的圆心。
进一步的，所述第一光源和第二光源为波长相同的单色光源。
进一步的，所述第二光源为宽光谱光源，所述宽光谱光源沿光路后方还设有波长选择单元，所述宽光谱光源发出的光束包括多种波段不同的单色光，所述第一光源位于所述载体上，包括与所述多种波段不同的单色光一一对应的单色光源，所述波长选择单元和所述单色光源均连接至所述中央处理单元，所述第一光电探测器位于所述移动平台上，并分时接收所述单色光源发出的光线。
进一步的，所述第一光源和第二光源采用同一个由若干波段不同的单色光源组成的单色光源阵列，所述单色光源阵列沿光路后方设有分光单元，每个所述单色光源发出的光线经过所述分光单元后分别形成第一光束和第二光束，所述第一光电探测单元位于所述移动平台上，分时接收所述多个波段不同的单色光源发出的光线。
进一步的，所述第一光电探测单元和第二光电探测单元为同一个单像素探测器，所述移动平台带动所述第一光源移动。
本发明还提供一种如上所述的压缩感知成像装置的成像方法，包括以下步骤：
S1：测量第一光束在空气/水体中行进的距离r以及第二光束投射至检测目标上时在空气/水体中行进的距离R；
S2：打开第一光源发出第一光束，首先探测其原始光斑的能量分布信息，接着使第一光束经过空气/水体之后进入单像素探测器进行探测，在探测的同时移动平台带动所述第一光源或单像素探测器沿垂直于第一光束主光轴的方向移动一定距离；所述单像素探测器将探测到的光斑的能量分布信息发送至所述PSF计算单元；
S3：所述PSF计算单元根据第一光源的原始光斑的能量分布以及第一光电探测单元探测到的光斑的能量分布信息计算出该空气/水体环境对应距离r时的PSF的频谱值，并将计算得到的PSF的频谱值发送至所述中央处理单元；
S4：所述中央处理单元通过米散射条件下的MTF公式计算得到距离R下空气/水体的PSF的频谱值，并根据该频谱值调整空间光调制器使到达检测目标上的光强分布与预设的调制矩阵相同；其中，米散射条件下的MTF公式为：
其中，MTFa为实际的MTF值，Sa和Aa表示杂质颗粒对光线的有限散射和吸收系数，vc是杂质颗粒的截止频率，R为光程；
S5：所述第二光源发出第二光束，经过所述空间光调制器调制后通过投射系统投射至所述检测目标上，经所述检测目标反射的光线由所述第二光电探测单元接收；
S6：所述第二光电探测单元接收所述检测目标反射的光线并传递给所述中央处理单元，所述中央处理单元根据空间光调制器的预设的调制矩阵和第二光电探测单元的探测信息进行关联运算，得到成像结果。
进一步的，所述步骤S3中，PSF计算单元计算该空气/水体环境对应距离r时的PSF的频谱值包括以下步骤：
S31：对第一光电探测单元探测到的光斑的能量分布进行傅里叶变换得到探测光斑的频谱，同时对第一光源的原始光斑的能量分布进行傅里叶变换得到原始光斑的频谱；
S32：将探测光斑的频谱与原始光斑的频谱做点除运算得到该空气/水体对应的PSF的频谱值。
进一步的，所述步骤S4中，中央处理单元调整空间光调制器的步骤如下：
S41：测量第二光束在空气/水体中的发散角以及检测目标与第二光源之间的距离L；
S42：根据第二光源照射的空间光调制器上调制出的调制矩阵的一个像素单元的尺寸以及测量得到的发散角和距离L计算得到检测目标处调制光斑中一个像素单元的尺寸，作为经空气/水体的PSF影响后的光斑的像素单元的尺寸；
S43：将所述经空气/水体的PSF影响后的光斑的像素单元的尺寸与对应距离下的PSF的频谱值进行去卷积运算得到未经空气/水体影响后的光斑的像素单元的尺寸；
S44：利用物像关系得到空间光调制器上的调制矩阵中一个像素单元的尺寸；
S45：中央处理单元根据所述空间光调制器上的调制矩阵中一个像素单元的尺寸控制与该像素单元尺寸对应数量的微镜作为一个像素单元进行反应，使到达检测目标上的光强分布与预设的调制矩阵相同。
本发明还提供一种如上所述的压缩感知成像装置的成像方法，包括以下步骤：
S1：测量第一光束在空气/水体中行进的距离r以及第二光束投射至检测目标上时在空气/水体中行进的距离R；
S2：打开第一光源发出第一光束，首先探测其原始光斑的能量分布信息，接着使第一光束经过空气/水体之后进入单像素探测器进行探测,在探测的同时移动平台带动所述第一光源或单像素探测器沿垂直于第一光束主光轴的方向移动一定距离，所述单像素探测器将探测到的光斑成像的能量分布信息发送至所述PSF计算单元；
S3：所述PSF计算单元根据第一光源发出的光斑的原始能量分布以及接收的光斑成像的能量分布信息计算出该空气/水体在距离r下的PSF的频谱值，并将计算得到的频谱值发送至所述中央处理单元；
S4：所述中央处理单元通过米散射条件下的MTF公式计算得到距离R下空气/水体的PSF的频谱值，并将该距离R下空气/水体的PSF的频谱值进行傅里叶逆变换得到空气/水体的PSF值，接着针对空间调制单元的调制矩阵和该PSF值进行卷积运算得到新的调制矩阵；其中，米散射条件下的MTF公式为：
其中，MTFa为实际的MTF值，Sa和Aa表示杂质颗粒对光线的有限散射和吸收系数，vc是杂质颗粒的截止频率，R为光程；
S5：所述第二光源发出第二光束，经过所述空间光调制器调制后投射至所述检测目标上，经所述检测目标反射的光线由所述第二光电探测单元接收；
S6：所述第二光电探测单元接收所述检测目标反射的光线并传递给所述中央处理单元，所述中央处理单元根据所述新的调制矩阵和第二光电探测单元的探测信息进行关联运算，得到成像结果。
本发明提供的压缩感知成像装置及方法，通过设置PSF测量系统，使第一光源发出的第一光束经过空气/水体后由第一光电探测单元接收并得到受PSF影响的光斑的能量分布信息，通过PSF计算单元根据第一光源的原始光斑的能量分布以及经PSF影响后的光斑成像的能量分布信息计算出该空气/水体在特定距离下的PSF的频谱值，并通过中央处理单元计算得到成像系统对应的空气/水体的PSF的频谱值，并根据该频谱值调整空间光调制器中的微镜，使得其投射到检测目标上的光强分布与预设的调制矩阵相同，从而抑制PSF的影响。其中第一光电探测单元采用单像素探测器，通过移动平台带动第一光源或单像素探测器移动，从而得到整个光斑的能量分布信息，利用单像素探测器响应快、动态范围高的优点，有效提高了PSF的测量精度。本发明提高了光能量信号的动态接收范围以及光能量信号的测量准确度，降低了测量误差，从而进一步提高了PSF的计算准确度和图像重构精度。
附图说明
图1a-1b分别是现有技术中空间光调制器上的调制图案和到达目标时的光强度分布图；
图2是本发明实施例1中压缩感知成像装置一具体框架示意图；
图3是本发明实施例1中压缩感知成像装置一具体结构示意图；
图4是本发明实施例3中压缩感知成像装置一具体结构示意图；
图5是本发明实施例4中压缩感知成像装置一具体结构示意图；
图6是本发明实施例5中压缩感知成像装置一具体结构示意图；
图中所示：10、载体；20、PSF测量系统；210、第一光源；220、第一光电探测单元；230、PSF计算单元；240、第一光束整形器件；250、移动平台；260、光路转折元件；
30、成像系统；310、第二光源；320、空间光调制器；330、投射系统；340、第二光电探测单元；350、中央处理单元；360、波长选择单元；370、第二光束整形与准直单元；
40、检测目标；50、分光单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
实施例1
如图2-3所示，本发明提供一种压缩感知成像装置，包括：载体10、PSF测量系统20和成像系统30：
所述PSF测量系统20包括第一光源210、第一光电探测单元220、移动平台250和PSF计算单元230，所述载体10与移动平台250之间设有空气/水体环境，所述第一光电探测单元220与所述PSF计算单元230连接，所述第一光电探测单元220为单像素探测器，所述移动平台250带动所述第一光源210或单像素探测器沿垂直于单像素探测器的光轴移动，所述第一光源210发出的第一光束经过空气/水体之后进入所述单像素探测器，所述第一光束的发散角小于5mrad，所述第一光束的主光轴与所述单像素探测器的探测面垂直。优选的，所述PSF测量系统20还包括第一光束整形器件，第一光束经过所述第一光束整形器件后形成能量分布均匀的圆形光斑，且所述单像素探测器探测的径向的能量分布经过所述圆形光斑的圆心。具体的，第一光源210与第一光电探测单元220之间设有空气/水体环境，且第一光束在该空气/水体中的行进距离r为固定值且已知。使第一光束的发散角小于5mrad，以保证第一光束具有较好的准直度，形成尺寸尽可能小的点光斑，使其更好地被第一光电探测单元220探测到，提高PSF的测量准确性；使第一光束与单像素探测器的探测面垂直，从而保证单像素探测器可以准确探测光斑的能量分布。需要说明的是，由于单像素探测器不接收空间信息，因此不能直接得到整个光斑的能量分布，因此通过移动平台250带动第一光源210或单像素探测器移动一段距离，需要说明的是，由于光斑的尺寸很小，因此单像素探测器需要移动若干步，且需保证每一步的移动距离都很小，精确度高，此过程可以通过移动平台250根据预先设定的数据进行移动。如图2所示为移动平台250带动第一光源210进行移动的示意图，且保证在移动的过程中，第一光源210的主光轴与单像素探测器的探测面保持垂直，即第一光源210的出光口与单像素探测器的探测面始终保持平行，单像素探测器探测的径向的能量分布必须过探测光斑的圆心，根据单像素探测器探测得到的光斑径向的能量分布，然后利用旋转对称性得到整个光斑的能量分布，由于单像素探测器具有响应快、动态范围高等优点，因此采用该种方式可以提高PSF的测量精度。需要说明的是，本文中的空气是指陆上恶劣天气的空气环境，如污染较严重的空气环境，且当针对空气环境时，应增大行进距离r的值，如大于2m。
所述成像系统30包括第二光源310、空间光调制器320、投射系统330、第二光电探测单元340和中央处理单元350，所述第二光源310、空间光调制器320、投射系统330、检测目标40、第二光电探测单元340、中央处理单元350沿光路依次排列，所述中央处理单元350分别与所述PSF计算单元230和空间光调制器320连接。优选的，所述第二光源310沿光路后方还设有第二光束整形与准直单元370。具体的，该空间光调制器320为数字微镜阵列(DMD)，由若干微镜组成，根据设定的调制矩阵控制每个微镜的状态，从而实现对光束的调制。投射系统330将所述空间光调制器320的像投射至检测目标40上。投射系统330可以采用投影镜头，或者任意其他镜头，只要能实现该功能即可。第二光电探测单元340采用单像素探测器。
优选的，所述第一光源210和第二光源310为波长相同的单色光源，为了保证PSF的测量准确性，当第二光源310为单色光源时，需保证第一光源210与第二光源310的波长相同，第一光源210和第二光源310可采用准直性较好的激光器或其他准直性较好的单色光源。
本实施例还提供上述压缩感知成像装置的成像方法，包括以下步骤：
S1：测量第一光束需在空气/水体中行进的距离r以及第二光束投射至检测目标40上时需在空气/水体中行进的距离R；由于PSF测量系统20测量的PSF值是针对距离r下的值，然而由于第二光束投射到检测目标40上时在空气/水体中行进的距离R与距离r不同，因此还需根据两者的距离进行一次换算从而得到成像时对应的PSF值，本实施例中测量PSF主要是指测量PSF的频谱值，即MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)，若要转换成PSF值，只需对MTF进行傅里叶逆变换即可。
S2：打开第一光源210发出第一光束，首先探测其原始光斑的能量分布信息，接着使第一光束经过空气/水体之后进入单像素探测器进行探测，在探测的同时移动平台250带动所述第一光源210或单像素探测器沿垂直于第一光束主光轴的方向移动一定距离，所述单像素探测器将探测到的光斑的能量分布信息发送至所述PSF计算单元230；具体的，由于单像素探测器不能直接得到整个光斑的能量分布，因此通过移动平台250带动第一光源210或单像素探测器移动一段距离，本实施例中，使移动平台带动第一光源210移动，且保证在移动的过程中，第一光源210的出光口与单像素探测器的探测面平行，第一光源210的主光轴与单像素探测器的探测面垂直，单像素探测器探测的径向的能量分布必须过探测光斑的圆心，需要说明的是，如果是从光斑中心开始移动，则移动的距离大于光斑半径，通常为光斑半径的2倍，当然移动的范围越大，越精确。如果不是从光斑中心开始移动，则移动的距离为6倍光斑直径。也可以是当测量值达到中心最大光强值的10％～15％的时候，即可停止，进行下一轮测量；根据单像素探测器探测得到的光斑径向的能量分布，然后利用旋转对称性得到整个光斑的能量分布，此时光斑的能量分布中是原始光斑经过PSF影响后对应的光斑的能量分布。在第一光束进入空气/水体之前首先需要对其原始光斑的能量分布进行探测，且探测点与第一光源210之间的距离应与第一光源210进入空气/水体时在空气中行进的距离相同，以避免产生误差，并将该探测值发送至PSF计算单元230，此处可直接采用第一光电探测单元220进行探测，且在探测的过程中，需要移动第一光源210或第一光电探测单元220，当然为了方便起见，可以采用另外的面阵探测器对该原始光斑的能量分布进行探测，可直接探测到达探测面的整个光斑的能量分布。具体的，PSF计算单元230计算该空气/水体对应的PSF包括以下步骤：
S31：对第一光电探测单元220探测到的光斑的能量分布I′(x,y)进行傅里叶变换得到探测光斑的频谱，同时对第一光源210发出的原始光斑的能量分布I(x,y)进行傅里叶变换得到原始光斑的频谱；
S32：将探测光斑的频谱与原始光斑的频谱做点除运算得到该空气/水体在距离r下PSF的频谱值，即MTF；具体的，由于I′(x,y)＝I(x,y)*PSF，其中*代表卷积运算，为了计算PSF，则需要将上式从空间域向频率域转换，即F[I′(x,y)]＝F[I(x,y)]·MTF，其中F[]代表傅里叶变换，·代表点乘运算，MTF为PSF对应的频域值，可知MTF＝F[I′(x,y)]/F[I(x,y)]，这里/代表点除运算。此处还可以通过频谱维纳滤波技术，即利用维纳滤波器一个参数，如反应空气/水体浑浊度，从而稳健的估计PSF的频谱值。
S4：所述中央处理单元350通过米散射条件下的MTF公式计算得到距离R下空气/水体的PSF值，并根据该PSF值调整空间光调制器320使到达检测目标40上的光强分布与预设的调制矩阵相同；具体的，恶劣天气条件和浑浊水体条件，对成像系统的影响归结为米散射的影响，两者虽然介质不同，但是计算的表达是相同。其中，米散射条件下的MTF公式为：
其中，MTFa为实际的MTF值，Sa和Aa表示杂质颗粒对光线的有限散射和吸收系数，vc是杂质颗粒的截止频率，R为光程，将步骤S3中计算得到的距离r对应的PSF的频谱值MTF带入上述公式(1)中，推算出Sa、Aa和vc的值，当然需要改变距离r的值得到多组数据，接着将距离R和推算出Sa、Aa和vc的值代入上述公式(1)中，即可得到距离R对应的MTF值。
其中，中央处理单元350调整空间光调制器320的步骤如下：
S41：测量第二光束在空气/水体中的发散角以及检测目标40与第二光源310之间的距离L；
S42：根据第二光源310照射的空间光调制器320上调制出的调制矩阵的一个像素单元的尺寸以及测量得到的发散角和距离L计算得到检测目标40处调制光斑中一个像素单元的尺寸，作为经空气/水体的PSF影响后的光斑的像素单元的尺寸；
S43：将所述经空气/水体的PSF影响后的光斑的像素单元的尺寸与对应距离下的PSF的频谱值进行去卷积运算得到未经空气/水体影响后的光斑的像素单元的尺寸；
S44：利用物像关系得到空间光调制器320上的调制矩阵中一个像素单元的尺寸，即检测目标40上未经空气/水体影响的光斑尺寸与空间光调制器320上一个像素的尺寸的比值等于像距(检测目标40与投射系统330之间的比值)与物距(投射系统330与空间光调制器320之间的距离)。
S45：中央处理单元350根据所述空间光调制器320上的调制矩阵中一个像素单元的尺寸控制与该像素单元尺寸对应数量的微镜作为一个像素单元进行反应，使到达检测目标40上的光强分布与预设的调制矩阵相同。
S5：所述第二光源310发出第二光束，经过所述空间光调制器320调制后通过投射系统330投射至所述检测目标40上，经所述检测目标40反射的光线由所述第二光电探测单元340接收。
S6：所述第二光电探测单元340接收所述检测目标40反射的光线并传递给所述中央处理单元350，该第二光电探测单元340采用单像素探测器，所述中央处理单元350根据空间光调制器320的预设的调制矩阵和第二光电探测单元340的探测信息进行关联运算，得到成像结果。采用本实施例中的方法可以实时测量空气/水体的PSF，并根据测量值对空间光调制器320中的微镜进行实时调整。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中提供的成像方法，包括以下步骤：
S1：测量第一光束需在空气/水体中行进的距离r以及第二光束投射至检测目标40上时需在空气/水体中行进的距离R；由于PSF测量系统20测量的PSF值是针对距离r下的值，然而由于第二光束投射到检测目标40上时在空气/水体中行进的距离R与距离r不同，因此还需根据两者的距离进行一次换算从而得到成像时对应的PSF值。同理，本实施例中测量PSF主要是指测量PSF的频谱值MTF，若要转换成PSF值，只需对MTF进行傅里叶逆变换即可。
S2：打开第一光源210发出第一光束，首先探测其原始光斑的能量分布信息，接着使第一光束经过空气/水体之后进入单像素探测器进行探测，在探测的同时移动平台250带动所述第一光源210或单像素探测器沿垂直于第一光束主光轴的方向移动一定距离；以像素探测器为例，在移动过程中，单像素探测器探测的径向的能量分布必须过探测光斑的圆心，如果是从光斑中心开始移动，则移动的距离大于光斑半径，通常为光斑半径的2倍，当然移动的范围越大，越精确。如果不是从光斑中心开始移动，则移动的距离为6倍光斑直径。也可以是当测量值达到中心最大光强值的10％～15％的时候，即可停止，进行下一轮测量；所述单像素探测器将探测到的光斑的能量分布信息发送至所述PSF计算单元230；此处原始光斑的能量分布以及经PSF影响后光斑的能量分布的探测方法同实施例1，此处不予赘述。
S3：所述PSF计算单元根据第一光源210的原始光斑的能量分布以及第一光电探测单元220探测到的光斑的能量分布信息计算出该空气/水体在距离r下的PSF频谱值，并将计算得到的PSF频谱值发送至所述中央处理单元350。
S4：所述中央处理单元350通过米散射条件下的MTF公式计算得到距离R下空气/水体的PSF的频谱值，并将该距离R下空气/水体的PSF的频谱值进行傅里叶逆变换得到空气/水体的PSF值，接着针对空间光调制器320的原始调制矩阵和该PSF值进行卷积运算得到新的调制矩阵，具体的，将空间光调制器320的原始调制矩阵与空气/水体的PSF值进行卷积运算以得到新的调制矩阵。采用该方法则无需调节空间光调制器320中的微镜，直接通过空气/水体的PSF值更新调制矩阵即可，操作更加简单。
S4：所述第二光源310发出第二光束，经过所述空间光调制器320调制后通过投射系统330投射至所述检测目标40上，经所述检测目标40反射的光线由所述第二光电探测单元340接收。
S5：所述第二光电探测单元340接收所述检测目标40反射的光线并传递给所述中央处理单元350，该第二光电探测单元340采用单像素探测器，所述中央处理单元350根据所述新的调制矩阵和第二光电探测单元340的探测信息进行关联运算，得到成像结果。采用本实施例中的方法可以实时测量空气/水体的PSF，并根据测量值计算得到空间光调制器320新的调制矩阵。
实施例3
如图4所示，与实施例1不同的是，本实施例中，PSF测量系统20和成像系统30共用一个单像素探测器，即两者分时使用，在成像之前先通过PSF测量系统20测量空气/水体的PSF，接着关闭第一光源210，通过成像系统对检测目标40进行探测，并间隔一定时间(可以根据空气/水体的流动情况以及载体10运动情况决定下一次测量PSF的时间)测量一次空气/水体的PSF，以便于确保成像准确度。在该种情况下，由于单像素探测器既要探测第一光束又要探测检测目标40上的反射光束，因此本实施例中使移动平台250带动第一光源210沿垂直与单像素探测器的光轴移动，以降低操作难度。
实施例4
如图5所示，与实施例1不同的是，本实施例中，所述第二光源310为宽光谱光源，所述宽光谱光源沿光路后方还设有波长选择单元360，所述宽光谱光源发出的光束包括多种波段不同的单色光，所述第一光源210位于所述载体10上，包括与所述多种波段不同的单色光一一对应的多个波段不同的单色光源，所述波长选择单元360和所述多个波段不同的单色光源均连接至所述中央处理单元350，所述第一光电探测单元220位于所述移动平台250上，并分时接收所述多个波段不同的单色光源发出的光线，此处在探测不同的单色光源发出的光线时，第一光电探测单元220需移动到对应的光斑附近，然后开始移动测量，且所述多个波段不同的单色光源的排列方式尽可能简单，以降低第一光电探测单元220的移动复杂度，如图5中所示。具体的，本实施例中，所述宽光谱光源采用混色光源，如基于LARP(基于激光远程激发荧光粉)技术的白光源，或可调谐激光器或由若干单色光源组成的光源阵列，如激光源、LED光等，第一光源210可以采用可调谐激光器或激光阵列，在第一光源210后设置第一光束整形器件240，以形成能量分布均匀的圆形光斑。本实施例中，所述波长选择单元360采用波长选择单元，当然也可以采用其他器件，通过中央处理单元350控制旋转滤光片旋转，使不同颜色的光对检测目标40进行分时探测，同时控制第一光源210，使当前出射的第一光束的波段与第二光源310中透过旋转滤光片的第二光束的波段相同，且第一光电探测单元220分别针对不同的波段的第一光束进行探测，为了简化结构，本实施例中使第一光电探测单元220位于所述移动平台250上，分时探测不同的单色光源对应的经空气/水体影响后的光斑的能量分布，探测的方法同实施例1，当然在这之前也需对每个单色光源的原始光斑的能量分布进行测量，测量的方法也同实施例1，并通过PSF计算单元230计算得到该距离r下的PSF值，在成像时根据对应波段的光线测量得到的PSF的频谱值控制空间光调制器320进行调制或图像重构，以保证同步性，提高图像重构精度。此种情况下，中央处理单元350在重构图像的时候，需要根据该时段光源的颜色信息、该颜色光源对应的PSF值、单像素探测器接收到的数据，进行重构得到单色的图像，最后将所有的单色的图像以线性叠加的方式从而得到一幅彩色图像。需要说明的是，当第一光源210和第二光源310均为单色光阵列时，第一光源210和第二光源310中的激光源一一对应，且第二光源310后方可以不设置波长选择单元360，直接通过中央处理单元350进行同步控制，使第一光束和第二光束的波长时刻对应。
实施例5
如图6所所示，与实施例1不同的是，本实施例中，所述第一光源210和第二光源310共用一个由若干波段不同的单色光源组成的单色光源阵列，每个所述单色光源沿光路后方设有分光单元50，每个单色光源的波段均不同，其发出的光线经过所述分光单元50分光后分别形成第一光束和第二光束，第一光电探测单元220位于所述移动平台250上，分时接收所述单色光源发出的光线。其中第一光束经过空气/水体后由第一光电探测单元220进行探测，第一光电探测单元220位于所述移动平台250上，分时探测不同的单色光源对应的经空气/水体影响后的光斑的能量分布，此处在探测不同的单色光源发出的光线时，第一光电探测单元220需移动到对应的光斑附近，然后开始移动测量，且所述多个波段不同的单色光源的排列方式尽可能简单，以降低第一光电探测单元220的移动复杂度。当然在这之前也需对每个单色光源的原始光斑的能量分布进行测量，测量的方法也同实施例1，并由PSF计算单元230计算对应的距离r下的空气/水体的PSF，将该PSF值传递给中央处理单元350用于控制空间光调制器320中的微镜的状态或直接计算得到新的调制矩阵以重构得到每种光源对应的单色的图像。具体的，单色光源优选激光源，准直性好。该分光单元50可以采用一个分光镜，所有的单色光源均通过该分光镜进行分光，也可以采用多个分光镜，与每个单色光源一一对应，每个单色光源通过单独的分光镜进行分光，如图6所示。当然也可以根据需要在PSF测量系统20的光路中设置光路转折元件260如反射镜等，使第一光束的主光轴与第一光电探测单元220的探测面垂直。采用该种结构只需通过中央处理单元350控制单色光源阵列中的单色光源分时出射即可，无需进行同步控制，即省去了波长选择单元360和同步控制机制，同时也降低了装置的结构，节约了占用空间。
本发明提供的压缩感知成像装置及方法，通过设置PSF测量系统20，使第一光源210发出的第一光束经过空气/水体后由第一光电探测单元220接收并得到受PSF影响的光斑的能量分布信息，通过PSF计算单元230根据第一光源210发出的原始光斑的能量分布以及第一光电探测单元220探测到的光斑的能量分布信息计算出该空气/水体环境在特定距离下的PSF值，并通过中央处理单元350计算得到成像系统30对应的空气/水体的PSF值，根据该PSF值调整空间光调制器320中的微镜，使得其投射到检测目标40上的光强分布与预设的调制矩阵相同，从而抑制PSF的影响。其中第一光电探测单元220为采用单像素探测器，通过移动平台250带动第一光源210或单像素探测器移动，从而得到整个光斑的能量分布信息，利用单像素探测器精密的机械移动的方式，具有响应快、动态范围高的优点，有效提高了PSF的测量精度。本发明提高了光能量信号的动态接收范围以及光能量信号的测量准确度，降低了测量误差，从而进一步提高了PSF的计算准确度和图像重构精度。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种压缩感知成像装置，其特征在于，包括：载体、PSF测量系统和成像系统：
所述PSF测量系统包括第一光源、第一光电探测单元、移动平台和PSF计算单元，所述载体与移动平台之间设有空气/水体环境，所述第一光电探测单元与所述PSF计算单元连接，所述第一光电探测单元为单像素探测器，所述移动平台带动所述第一光源或单像素探测器沿垂直于单像素探测器的光轴移动，所述第一光源发出的第一光束经过空气/水体之后进入所述单像素探测器，所述第一光束的发散角小于5mrad，第一光束的主光轴与所述单像素探测器的探测面垂直；
所述成像系统位于所述载体上，包括第二光源、空间光调制器、投射系统、第二光电探测单元和中央处理单元，所述第二光源、空间光调制器、投射系统、检测目标、第二光电探测单元、中央处理单元沿光路依次排列，所述中央处理单元分别与所述第一光源、PSF计算单元和空间光调制器连接。
2.根据权利要求1所述的压缩感知成像装置，其特征在于，所述PSF测量系统还包括第一光束整形器件，第一光束经过所述第一光束整形器件后形成能量分布均匀的圆形光斑，所述单像素探测器探测的径向的能量分布经过所述圆形光斑的圆心。
3.根据权利要求1所述的压缩感知成像装置，其特征在于，所述第一光源和第二光源为波长相同的单色光源。
4.根据权利要求1所述的压缩感知成像装置，其特征在于，所述第二光源为宽光谱光源，所述宽光谱光源沿光路后方还设有波长选择单元，所述宽光谱光源发出的光束包括多种波段不同的单色光，所述第一光源位于所述载体上，包括与所述多种波段不同的单色光一一对应的单色光源，所述波长选择单元和所述单色光源均连接至所述中央处理单元，所述第一光电探测单元位于所述移动平台上，并分时接收所述单色光源发出的光线。
5.根据权利要求1所述的压缩感知成像装置，其特征在于，所述第一光源和第二光源采用同一个由若干波段不同的单色光源组成的单色光源阵列，所述单色光源阵列沿光路后方设有分光单元，每个所述单色光源发出的光线经过所述分光单元后分别形成第一光束和第二光束，所述第一光电探测单元位于所述移动平台上，分时接收所述多个波段不同的单色光源发出的光线。
6.根据权利要求1所述的压缩感知成像装置，其特征在于，所述第一光电探测单元和第二光电探测单元为同一个单像素探测器，所述移动平台带动所述第一光源移动。
7.一种如权利要求1所述的压缩感知成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：测量第一光束在空气/水体中行进的距离r以及第二光束投射至检测目标上时在空气/水体中行进的距离R；
S2：打开第一光源发出第一光束，首先探测其原始光斑的能量分布信息，接着使第一光束经过空气/水体之后进入单像素探测器进行探测，在探测的同时移动平台带动所述第一光源或单像素探测器沿垂直于第一光束主光轴的方向移动一定距离；所述单像素探测器将探测到的光斑的能量分布信息发送至所述PSF计算单元；
S3：所述PSF计算单元根据第一光源的原始光斑的能量分布以及第一光电探测单元探测到的光斑的能量分布信息计算出该空气/水体对应距离r时的PSF的频谱值，并将计算得到的PSF的频谱值发送至所述中央处理单元；
S4：所述中央处理单元通过米散射条件下的MTF公式计算得到距离R下空气/水体的PSF的频谱值，并根据该频谱值调整空间光调制器使到达检测目标上的光强分布与预设的调制矩阵相同；其中，米散射条件下的MTF公式为：
其中，MTFa为实际的MTF值，Sa和Aa表示杂质颗粒对光线的有限散射和吸收系数，vc是杂质颗粒的截止频率，R为光程；
S5：所述第二光源发出第二光束，经过所述空间光调制器调制后通过投射系统投射至所述检测目标上，经所述检测目标反射的光线由所述第二光电探测单元接收；
S6：所述第二光电探测单元接收所述检测目标反射的光线并传递给所述中央处理单元，所述中央处理单元根据空间光调制器的预设的调制矩阵和第二光电探测单元的探测信息进行关联运算，得到成像结果。
8.根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S3中，PSF计算单元计算该空气/水体对应距离r时的PSF的频谱值包括以下步骤：
S31：对第一光电探测单元探测到的光斑的能量分布进行傅里叶变换得到探测光斑的频谱，同时对第一光源的原始光斑的能量分布进行傅里叶变换得到原始光斑的频谱；
S32：将探测光斑的频谱与原始光斑的频谱做点除运算得到该空气/水体对应的PSF的频谱值。
9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述中央处理单元调整空间光调制器的步骤如下：
S41：测量第二光束在空气/水体中的发散角以及检测目标与第二光源之间的距离L；
S42：根据第二光源照射的空间光调制器上调制出的调制矩阵的一个像素单元的尺寸以及测量得到的发散角和距离L计算得到检测目标处调制光斑中一个像素单元的尺寸，作为经空气/水体的PSF影响后的光斑的像素单元的尺寸；
S43：将所述经空气/水体的PSF影响后的光斑的像素单元的尺寸与对应距离下的PSF的频谱值进行去卷积运算得到未经空气/水体影响后的光斑的像素单元的尺寸；
S44：利用物像关系得到空间光调制器上的调制矩阵中一个像素单元的尺寸；
S45：中央处理单元根据所述空间光调制器上的调制矩阵中一个像素单元的尺寸控制与该像素单元尺寸对应数量的微镜作为一个像素单元进行反应，使到达检测目标上的光强分布与预设的调制矩阵相同。
10.一种如权利要求1所述的压缩感知成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：测量第一光束在空气/水体中行进的距离r以及第二光束投射至检测目标上时在空气/水体中行进的距离R；
S2：打开第一光源发出第一光束，首先探测其原始光斑的能量分布信息，接着使第一光束经过空气/水体之后进入单像素探测器进行探测,在探测的同时移动平台带动所述第一光源或单像素探测器沿垂直于第一光束主光轴的方向移动一定距离，所述单像素探测器将探测到的光斑成像的能量分布信息发送至所述PSF计算单元；
S3：所述PSF计算单元根据第一光源发出的光斑的原始能量分布以及接收的光斑成像的能量分布信息计算出该空气/水体在距离r下的PSF的频谱值，并将计算得到的频谱值发送至所述中央处理单元；
S4：所述中央处理单元通过米散射条件下的MTF公式计算得到距离R下空气/水体的PSF的频谱值，并将该距离R下空气/水体的PSF的频谱值进行傅里叶逆变换得到空气/水体的PSF值，接着针对空间调制单元的调制矩阵和该PSF值进行卷积运算得到新的调制矩阵；
其中，米散射条件下的MTF公式为：
其中，MTFa为实际的MTF值，Sa和Aa表示杂质颗粒对光线的有限散射和吸收系数，vc是杂质颗粒的截止频率，R为光程；
S5：所述第二光源发出第二光束，经过所述空间光调制器调制后投射至所述检测目标上，经所述检测目标反射的光线由所述第二光电探测单元接收；
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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