CN109213037B - 采样时间自适应单光子压缩成像控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微弱光成像控制方法及装置。一种采样时间自适应单光子压缩成像控制方法，设置实验参数，发送指令启动测量；单光子脉冲和高频时钟输入同步控制脉冲产生电路产生同步控制脉冲，并输入采样时间测量模块和测量矩阵加载模块；采样时间测量模块对高频时钟以计数的方式进行脉冲间隔测量；测量矩阵加载模块检测到同步控制脉冲信号上升沿后加载一帧测量矩阵，并将该矩阵发送至PC上位机；PC上位机根据接收到的测量矩阵以及脉冲间隔计数值进行压缩感知图像重建。一种采样时间自适应单光子压缩成像控制装置，包括PC上位机、上位机通信模块、同步控制脉冲产生电路、采样时间测量模块以及测量矩阵加载模块。

Description

采样时间自适应单光子压缩成像控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种微弱光成像技术，尤其是涉及一种微弱光成像领域中采样时间自适应单光子压缩成像的控制方法及装置。

背景技术

光子计数成像时利用光子计数技术进行极弱光成像的方法，在深空探测、遥感成像、光谱测量等微弱光探测领域具有广泛的应用前景。近年来，压缩感知在光子计数成像上的应用更是解决了高精度单光子阵列探测器像素规模过小无法满足实际成像需要，以及逐点扫描扫描时间长、光子收集效率低、系统稳定性低等问题。且压缩感知与光子计数技术结合的单像素成像每次测量点探测器收集的光通量远大于逐点扫描和和面阵探测器单位像素上获得的光通量，因此它比多像素成像方法具有更高的灵敏度。

目前文献中报道的光子计数压缩成像方案中均采取设置固定采样频率的方法进行压缩采样，即利用等时间间隔内探测到的光子个数作为每次空间光调制光强的表征。该方法一旦设定每次的采样时间，不会因目标场景光强弱变化而变化。因此，当成像目标的先验信息未知时，采样时间的设置则没有依据，经常出现采样不足或采样饱和的现象。为解决上述问题，光子计数压缩成像急需一种采样时间自适应成像方法，目前没有相关方案的报道。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出一种采样时间自适应单光子压缩成像的控制方法及实现该方法的装置。

本发明所采用的技术方案：

一种采样时间自适应单光子压缩成像控制方法，包括以下步骤：

1)设置实验参数，发送指令启动测量；

1.1)PC上位机通过上位机通信模块发送实验测量次数M、计数阈值P至同步控制脉冲产生电路；

1.2)PC上位机通过上位机通信模块发送测量矩阵帧数M、测量矩阵大小P*Q至测量矩阵加载模块；

1.3)PC上位机发送测量矩阵生成指令至测量矩阵加载模块，测量矩阵加载模块生成M帧P*Q大小的测量矩阵，并按顺序缓存；

1.4)PC上位机发送开始测量指令至同步控制脉冲产生电路启动测量；

2)单光子脉冲和高频时钟输入同步控制脉冲产生电路；

3)同步控制脉冲产生电路产生同步控制脉冲，并输入采样时间测量模块和测量矩阵加载模块；

4)采样时间测量模块通过脉冲间隔计数器对高频时钟以计数方式进行脉冲间隔测量，方法为：采样时间测量模块检测到同步控制脉冲信号上升沿时，判断是否为同步控制脉冲的第一个脉冲信号，如果是，则脉冲间隔计数器清零，对输入的高频时钟从零开始计数；如果不是，则将这个脉冲与前一脉冲间隔对应的脉冲间隔计数值输出至PC上位机；

5)测量矩阵加载模块检测到同步控制脉冲信号上升沿后加载一帧测量矩阵，并将该矩阵发送至PC上位机；

6)PC上位机根据接收到的测量矩阵以及脉冲间隔计数值进行压缩感知图像重建。

所述的采样时间自适应单光子压缩成像控制方法，同步控制脉冲信号的产生采用如下状态机实现：

1)系统复位后，进入初始状态0，测量次数计数器清零，检测到开始测量信号上升沿，进入状态1；

2)进入状态1后，光子计数器清零，脉冲间隔计数器清零，检测到高频时钟上升沿，同步控制脉冲产生电路输出高电平，测量次数计数器加一，进入状态2；

3)进入状态2后，脉冲间隔计数器通过对高频时钟计数的方式延时100个高频时钟周期，同时光子计数器开始对输入的单光子脉冲计数，进入状态3；

4)进入状态3后，同步控制脉冲产生电路输出低电平，光子计数器继续对单光子脉冲计数，直至光子计数器中的值等于所设计数阈值P，进入状态4；

5)进入状态4后，如果测量次数计数器中的值不等于所设测量次数M+1的话，进入状态1；否则同步控制脉冲信号的产生结束，进入状态0。

所述采样时间自适应单光子压缩成像的控制方法，PC上位机根据接收到的测量矩阵以及采样时间数据进行压缩感知图像重建的方法为：PC将接收到的脉冲间隔计数值序列转化为相应的采样时间序列，并利用每次测量的固定计数值P与采样时间序列t之比作为每次调制光强的表征，将其作为测量值y，如式(1)所示，

y＝P/t (1)

将(1)式代入(2)式，并利用压缩感知重建算法求解恢复出原始信号x，

式(2)中x为待求解的原始信号，Ф为实验中所用测量矩阵，y为实验所得的测量值。

一种采样时间自适应单光子压缩成像控制装置，包括PC上位机、上位机通信模块、同步控制脉冲产生电路、采样时间测量模块以及测量矩阵加载模块；高频时钟信号和单光子脉冲信号输入所述同步控制脉冲产生电路的输入端，同步控制脉冲产生电路的输出端连接测量矩阵加载模块，所述测量矩阵加载模块输出连接至DMD，采样时间测量模块的输入连接高频时钟信号以及同步控制脉冲产生电路的输出端，采样时间测量模块的输出通过上位机通信模块传输给PC上位机，PC上位机通过上位机通信模块传输指令信号至同步控制脉冲产生电路；所述测量矩阵加载模块与上位机通信模块交互连接。

本发明的有益效果：

1、实现不同光强环境下的采样时间自适应单光子压缩成像。本发明通过固定每次采样探测到的光子计数值，使得采样时间根据成像目标光强自动调整。即每次测量探测到固定的光子数P后即进入下一次测量，从而在保证了成像效果的情况下确定了合适的采样时间。

2、M次采样的采样时间最优化。在极微弱光环境下，固定频率采样可能导致空间调制光较弱时收集到的光子极少，本发明设置固定光子数则优化了一次成像过程中调制之后光强弱情况下的采样时间，即光相对弱时延长采样时间，光相对强时缩短采样时间。

3、本发明采样时间自适应单光子压缩成像控制装置，结构简单，实现了采样时间自适应单光子压缩成像的控制，实现了同光强环境下的采样时间自适应。

附图说明

图1是本发明单光子压缩成像的控制装置组成框图；

图2是本发明单光子压缩成像同步控制脉冲信号产生时序图；

图3是应用本发明控制装置的时间自适应单光子压缩成像系统框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例为采样时间自适应单光子压缩成像控制装置的一种具体实施方式，其组成框图如图1所示，包括PC上位机、上位机通信模块、同步控制脉冲产生电路、采样时间测量模块以及测量矩阵加载模块；高频时钟信号和单光子脉冲信号输入所述同步控制脉冲产生电路的输入端，同步控制脉冲产生电路的输出端连接测量矩阵加载模块，所述测量矩阵加载模块输出连接至DMD，采样时间测量模块的输入连接高频时钟信号以及同步控制脉冲产生电路的输出端，采样时间测量模块的输出通过上位机通信模块传输给PC上位机，PC上位机通过上位机通信模块传输指令信号至同步控制脉冲产生电路；所述测量矩阵加载模块与上位机通信模块交互连接。

其中，同步控制脉冲产生电路的输入端输入高频时钟信号和单光子脉冲信号，用于产生同步控制脉冲信号，然后同时输出至采样时间测量模块和测量矩阵加载模块；

采样时间测量模块与上位机通信模块相连，用于将采样时间测量模块在同步控制脉冲控制下测得的脉冲间隔计数值输出至PC上位机；

所述的测量矩阵加载模块与上位机通信模块相连，用于测量矩阵加载模块在检测到同步控制脉冲上升沿时加载一帧测量矩阵后，将该测量矩阵发送至PC。

所述的上位机通信模块与同步控制脉冲产生电路相连，用于将PC输入的实验测量次数M、计数阈值P以及开始测量指令发送至同步控制脉冲产生电路；所述的上位机通信模块与测量矩阵加载模块相连，用于将PC输入的测量矩阵帧数M和测量矩阵大小P*Q发送至测量矩阵加载模块。

实施例2

参见图1、图2，本实施例为采样时间自适应单光子压缩成像控制方法，利用前述采样时间自适应单光子压缩成像控制装置，实现单光子压缩成像并利用测量值及测量矩阵进行压缩感知图像重建，其实现步骤如下：

1)设置实验参数，发送指令启动测量；

1.1)PC上位机通过上位机通信模块发送实验测量次数M、计数阈值P至同步控制脉冲产生电路；

1.2)PC上位机通过上位机通信模块发送测量矩阵帧数M、测量矩阵大小P*Q至测量矩阵加载模块；

1.3)PC上位机发送测量矩阵生成指令至测量矩阵加载模块，测量矩阵加载模块生成M帧P*Q大小的测量矩阵，并按顺序缓存；

1.4)PC上位机发送开始测量指令至同步控制脉冲产生电路启动测量；

2)单光子脉冲和高频时钟输入同步控制脉冲产生电路；

3)同步控制脉冲产生电路产生同步控制脉冲，并输入采样时间测量模块和测量矩阵加载模块，所述的同步控制脉冲信号的产生时序图如图2所示，其采用如下状态机实现：

3.1)系统复位后，进入初始状态0，测量次数计数器清零，检测到开始测量信号上升沿，进入状态1；

3.2)进入状态1后，光子计数器清零，脉冲间隔计数器清零，检测到高频时钟上升沿，同步控制脉冲产生电路输出高电平，测量次数计数器M+1，进入状态2；

3.3)进入状态2后，脉冲间隔计数器通过对高频时钟计数的方式延时th(th＝100T，T为高频时钟周期)，同时光子计数器开始对输入的单光子脉冲计数，进入状态3；

3.4)进入状态3后，同步控制脉冲产生电路输出低电平，光子计数器继续对单光子脉冲计数，脉冲间隔计数器继续对高频时钟计数，直至光子计数器中的值等于所设固定计数值P，进入状态4；

3.5)进入状态4后，如果测量次数计数器中的值小于所设测量次数M+1，进入状态1；否则同步控制脉冲信号的产生结束，进入状态0。

4)采样时间测量模块通过脉冲间隔计数器对高频时钟以计数方式进行脉冲间隔测量，方法为：采样时间测量模块检测到同步控制脉冲信号上升沿时，判断是否为同步控制脉冲的第一个脉冲信号，如果是，则脉冲间隔计数器清零，对输入的高频时钟从零开始计数；如果不是，则将这个脉冲与前一脉冲间隔对应的脉冲间隔计数值输出至PC上位机；

5)测量矩阵加载模块检测到同步控制脉冲信号上升沿后加载一帧测量矩阵，并将该矩阵发送至PC上位机；

6)PC上位机根据接收到的测量矩阵以及脉冲间隔计数值进行压缩感知图像重建。具体重建方法如下：PC上位机将接收到的脉冲间隔计数值序列转化为相应的采样时间序列，将接收到的脉冲间隔计数值(n1,n2,n3,……,nM)转化为相应的采样时间，并利用每次测量的固定计数值P与采样时间序列t(t1,t2,……,tM)之比作为每次调制光强的表征，将其作为测量值y，如式(1)所示：

y＝P/t (1)

将(1)式代入(2)式，并利用压缩感知重建算法求解恢复出原始信号x，

式(2)中x为待求解的原始信号，Ф为实验中所用测量矩阵，y为实验所得的测量值。

本发明采样时间自适应单光子压缩成像的控制方法，通过固定每次采样探测到的光子计数值，使得采样时间根据成像目标光强自动调整。即每次测量探测到固定的光子数P后即进入下一次测量，从而在保证了成像效果的情况下确定了合适的采样时间。

图3所示为应用本发明采样时间自适应单光子压缩成像控制装置的时间自适应单光子成像系统。系统工作时，光源发出极微弱光照射待成像物体，经成像透镜成像在数字微镜器件(Digital MicromirrorDevice,DMD)上。数字微镜器件采用TI公司(TexasInstruments DLP4100)型DMD，由1024×768个的微反射镜阵列组成。每个微镜可以在加载到DMD上的随机二值矩阵的控制下独立实现±12°偏转。系统光路中，在DMD微镜的+12°反射方向上设置聚焦透镜，通过透镜将微镜反射光收集进单光子探测器。每次采样时，时间自适应单光子压缩成像控制装置加载随机测量矩阵至DMD，并同步对探测器输出的单光子脉冲进行计数、对高频时钟进行计数以记录采样时间，当光子数计数值到达设置的阈值，一次采样完成进入下一次采样，且时间自适应单光子压缩成像控制装置输出所加载的测量矩阵以及高频时钟计数值至图像重建模块。M次采样完成后，图像重建模块将接收到的时钟计数值转化为测量值，并利用测量值及测量矩阵进行压缩感知图像重建。

Claims (3)

1.一种采样时间自适应单光子压缩成像控制方法，包括以下步骤：

1)设置实验参数，发送指令启动测量；

1.1)PC上位机通过上位机通信模块发送实验测量次数M、计数阈值P至同步控制脉冲产生电路；

同步控制脉冲信号的产生采用如下状态机实现：

1.1.1)系统复位后，进入初始状态0，测量次数计数器清零，检测到开始测量信号上升沿，进入状态1；

1.1.2)进入状态1后，光子计数器清零，脉冲间隔计数器清零，检测到高频时钟上升沿，同步控制脉冲产生电路输出高电平，测量次数计数器加一，进入状态2；

1.1.3)进入状态2后，脉冲间隔计数器通过对高频时钟计数的方式延时100个高频时钟周期，同时光子计数器开始对输入的单光子脉冲计数，进入状态3；

1.1.4)进入状态3后，同步控制脉冲产生电路输出低电平，光子计数器继续对单光子脉冲计数，直至光子计数器中的值等于所设计数阈值P，进入状态4；

1.1.5)进入状态4后，如果测量次数计数器中的值不等于所设测量次数M+1的话，进入状态1；否则同步控制脉冲信号的产生结束，进入状态0；

1.2)PC上位机通过上位机通信模块发送测量矩阵帧数M、测量矩阵大小P*Q至测量矩阵加载模块；

1.3)PC上位机发送测量矩阵生成指令至测量矩阵加载模块，测量矩阵加载模块生成M帧P*Q大小的测量矩阵，并按顺序缓存；

1.4)PC上位机发送开始测量指令至同步控制脉冲产生电路启动测量；

2)单光子脉冲和高频时钟输入同步控制脉冲产生电路；

3)同步控制脉冲产生电路产生同步控制脉冲，并输入采样时间测量模块和测量矩阵加载模块；

4)采样时间测量模块通过脉冲间隔计数器对高频时钟以计数方式进行脉冲间隔测量，方法为：采样时间测量模块检测到同步控制脉冲信号上升沿时，判断是否为同步控制脉冲的第一个脉冲信号，如果是，则脉冲间隔计数器清零，对输入的高频时钟从零开始计数；如果不是，则将这个脉冲与前一脉冲间隔对应的脉冲间隔计数值输出至PC上位机；

5)测量矩阵加载模块检测到同步控制脉冲信号上升沿后加载一帧测量矩阵，并将该矩阵发送至PC上位机；

6)PC上位机根据接收到的测量矩阵以及脉冲间隔计数值进行压缩感知图像重建。

2.根据权利要求1所述采样时间自适应单光子压缩成像控制方法，其特征在于：PC上位机根据接收到的测量矩阵以及采样时间数据进行压缩感知图像重建的方法为：PC上位机将接收到的脉冲间隔计数值序列转化为相应的采样时间序列，并利用每次测量的固定计数值P与采样时间序列t之比作为每次调制光强的表征，将其作为测量值y，如式(1)所示，

y＝P/t (1)

将(1)式代入(2)式，并利用压缩感知重建算法求解恢复出原始信号x，

式(2)中x为待求解的原始信号，Ф为实验中所用测量矩阵，y为实验所得的测量值。

3.一种采样时间自适应单光子压缩成像控制装置，包括PC上位机、上位机通信模块、同步控制脉冲产生电路、采样时间测量模块以及测量矩阵加载模块；其特征在于：高频时钟信号和单光子脉冲信号输入所述同步控制脉冲产生电路的输入端，同步控制脉冲产生电路的输出端连接测量矩阵加载模块，所述测量矩阵加载模块输出连接至DMD，采样时间测量模块的输入连接高频时钟信号以及同步控制脉冲产生电路的输出端，采样时间测量模块的输出通过上位机通信模块传输给PC上位机，PC上位机通过上位机通信模块传输指令信号至同步控制脉冲产生电路；所述测量矩阵加载模块与上位机通信模块交互连接；

同步控制脉冲信号的产生采用如下状态机实现：

1)系统复位后，进入初始状态0，测量次数计数器清零，检测到开始测量信号上升沿，进入状态1；

2)进入状态1后，光子计数器清零，脉冲间隔计数器清零，检测到高频时钟上升沿，同步控制脉冲产生电路输出高电平，测量次数计数器加一，进入状态2；

3)进入状态2后，脉冲间隔计数器通过对高频时钟计数的方式延时100个高频时钟周期，同时光子计数器开始对输入的单光子脉冲计数，进入状态3；

4)进入状态3后，同步控制脉冲产生电路输出低电平，光子计数器继续对单光子脉冲计数，直至光子计数器中的值等于所设计数阈值P，进入状态4；

5)进入状态4后，如果测量次数计数器中的值不等于所设测量次数M+1的话，进入状态1；否则同步控制脉冲信号的产生结束，进入状态0。

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