CN111999616A - 一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，分束棱镜用于将成像镜头采集到的光信号分为日盲紫外信号和可见光信号；日盲紫外信号顺次穿过紫外滤波片、紫外波段成像透镜滤除日盲紫外以外的波段后成像在动态随机编码掩膜装置上，动态随机编码掩膜装置用于日盲紫外信号进行空域调制，调制后的日盲紫外信号通过紫外波段收集透镜汇集到紫外波段单点探测器上；可见光信号顺次穿过可见光滤波片、可见光波段成像透镜后投射到可见光波段面阵探测器上；动态随机编码掩膜装置用于连续提供若干个不同的透射式模板，输出多组调制信号；该种日盲紫外成像系统利用压缩感知算法，实现低成本的日盲紫外成像，判断输电器件是否出现漏电现象。

Description

一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统
技术领域
本发明是涉及日盲紫外成像技术领域，具体的说是一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统。
背景技术
日盲紫外成像在输电线路保护，绝缘子漏电检测领域有着重要应用。高压输电设备绝缘性能下降可形成气体间隙的击穿，产生辉光放电，其中伴随着日盲紫外信号的释放，通过对该类信号的检测可以快速定位漏电区域，减少财产损失，降低事故风险。然而现有的日盲紫外相机价格昂贵，不利于设备的大规模普及。因此开发一种低成本日盲紫外探测设备具有较好的应用价值。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，利用压缩感知算法，实现低成本的日盲紫外成像，判断输电器件是否出现漏电现象。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，其特征在于：包括成像镜头、分束棱镜、紫外滤波片、紫外波段成像透镜、动态随机编码掩膜装置、紫外波段收集透镜、紫外波段单点探测器、可见光滤波片、可见光波段成像透镜和可见光波段面阵探测器；所述的分束棱镜用于将成像镜头采集到的光信号分为日盲紫外信号和可见光信号；
所述的日盲紫外信号顺次穿过紫外滤波片、紫外波段成像透镜滤除日盲紫外以外的波段后成像在动态随机编码掩膜装置上，所述的动态随机编码掩膜装置用于日盲紫外信号进行空域调制，调制后的日盲紫外信号通过紫外波段收集透镜汇集到紫外波段单点探测器上；
所述的可见光信号顺次穿过可见光滤波片、可见光波段成像透镜后投射到可见光波段面阵探测器上，所述的可见光波段面阵探测器用于采集并保存采集到的可见光图像；
所述的动态随机编码掩膜装置用于连续提供若干个不同的透射式模板，输出多组调制信号；
所述的紫外波段单点探测器、可见光波段面阵探测器均与数据处理装置信号连接，所述的数据处理装置用于利用凸规划运算重构出日盲紫外图像，并将日盲紫外图像与可见光图像叠加形成融合图像。
所述的紫外波段成像透镜和可见光波段成像透镜再光路中的位置可调，所述的紫外波段成像透镜和可见光波段成像透镜的视场一致。
所述的动态随机编码掩膜装置和紫外波段收集透镜之间设置有反射镜，所述的反射镜用于调整日盲紫外信号的传递方向。
所述的动态随机编码掩膜装置包括第一转轴、第二转轴和柔性透射式掩模，所述的柔性透射式掩模一端缠绕在第一转轴外侧，另一端缠绕在第二转轴外侧，所述的柔性透射式掩模表面加工有空域随机矩阵，所述的空域随机矩阵用于控制光在柔性透射式掩模区域不同位置的透过或者不透过，所述的第一转轴与步进电机传动连接，所述的步进电机带动第一转轴旋转进而带动柔性透射式掩模朝向第一转轴一侧移动，所述的柔性透射式掩模每移动Δ距离，日盲紫外信号在柔性透射式掩模上成像位置内的透射式模板完成一次切换。
所述的数据处理装置采用PC机，所述的PC机内设置有处理软件，所述的处理软件用于利用凸规划运算重构出日盲紫外图像，具体求解日盲紫外图像的凸优化如下：
argminx||x||TV s.t.||Ax-I||2≤ε (1)
式中，x为待解出日盲紫外图像，角标“TV”表示全变分模型，角标“2”表示2范数；A的每一行为Pk进行矩阵重排后的结果，Pk为第k次提供的透射式模板对应的矩阵；I为紫外波段单点探测器测量值组成的向量。
所述的求解日盲紫外图像的具体步骤如下：
步骤1，数值初始化：共投射N个透射式模板，桶探测器曝光了N次，得到N个测量值，记为I；待重构图像初始值记为x0＝0，λ＝0.01，迭代步长α＝1；第p次得到的重构图象值为xp；
步骤2，梯度G的计算方法为：G＝||Ax-I||2+λ||x||TV，那么梯度G的反方向表征为G_＝-G；
步骤3，初始负梯度G_的初始值
Figure BDA0002659037600000021
Figure BDA0002659037600000022
的上标“0”：表示第0次迭代，即首次迭代。
步骤4，更新数值：对于第p次迭代，重构图像更新为
Figure BDA0002659037600000023
残差更新rp+1＝Axp-I；梯度更新Gp+1＝||rp+1||2+λ||p+1||TV；
步骤5，比较更新后残差的数值，如果小于阈值，则停止迭代，否则p＝p+1，继续返回步骤2迭代。
所述的日盲紫外图像与可见光图像叠加形成融合图像的方法为：将日盲紫外图像进行阈值划分，大于阈值的记为255，低于阈值的记为0；将阈值划分之后的日盲紫外图像叠加到可见光图像上，形成融合图像。
本发明一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统的有益效果是：利用单点探测器、柔性掩膜板和压缩感知算法，实现低成本的日盲紫外成像，判断输电器件是否出现漏电现象，同时还能够将漏电位置在图像中精准的呈现，实现漏电位置的可视化。
附图说明
图1是本发明一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统的结构原理图。
图2是本发明一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统中动态随机编码掩膜装置的结构原理图。
图3是本发明一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统中动态随机编码掩膜装置表面空域随机矩阵的数学表达示意图。
说明书附图标识：1、第一转轴；2、第二转轴；3、柔性透射式掩模。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，其特征在于：包括成像镜头、分束棱镜、紫外滤波片、紫外波段成像透镜、动态随机编码掩膜装置、紫外波段收集透镜、紫外波段单点探测器、可见光滤波片、可见光波段成像透镜和可见光波段面阵探测器；所述的分束棱镜用于将成像镜头采集到的光信号分为日盲紫外信号和可见光信号；
所述的日盲紫外信号顺次穿过紫外滤波片、紫外波段成像透镜滤除日盲紫外以外的波段后成像在动态随机编码掩膜装置上，所述的动态随机编码掩膜装置用于日盲紫外信号进行空域调制，调制后的日盲紫外信号通过紫外波段收集透镜汇集到紫外波段单点探测器上；
所述的可见光信号顺次穿过可见光滤波片、可见光波段成像透镜后投射到可见光波段面阵探测器上，所述的可见光波段面阵探测器用于采集并保存采集到的可见光图像；
所述的动态随机编码掩膜装置用于连续提供若干个不同的透射式模板，输出多组调制信号；
所述的紫外波段单点探测器、可见光波段面阵探测器均与数据处理装置信号连接，所述的数据处理装置用于利用凸规划运算重构出日盲紫外图像，并将日盲紫外图像与可见光图像叠加形成融合图像。
本实施例中，该种单像素日盲紫外成像系统可以搭载在无人机上，通过无人机带动，将成像镜头对准可能出现漏电的成像目标，可见光信号和日盲信号收集到成像系统中。
本实施例中，紫外波段成像透镜和可见光波段成像透镜再光路中的位置可调，所述的紫外波段成像透镜和可见光波段成像透镜的视场一致。两组透镜视场一致时，能够保证日盲紫外光和可见光叠加时位置的精准度。
本实施例中，动态随机编码掩膜装置和紫外波段收集透镜之间设置有反射镜，所述的反射镜用于调整日盲紫外信号的传递方向。通过设置反射镜改变光路的方向，有利于对光路位置进行规划。
本实施例中，动态随机编码掩膜装置包括第一转轴1、第二转轴2和柔性透射式掩模3，所述的柔性透射式掩模3一端缠绕在第一转轴1外侧，另一端缠绕在第二转轴2外侧，所述的柔性透射式掩模3表面加工有空域随机矩阵，所述的空域随机矩阵用于控制光在柔性透射式掩模3区域不同位置的透过或者不透过，所述的第一转轴1与步进电机传动连接，所述的步进电机带动第一转轴1旋转进而带动柔性透射式掩模3朝向第一转轴1一侧移动，所述的柔性透射式掩模3每移动Δ距离，日盲紫外信号在柔性透射式掩模3上成像位置内的透射式模板完成一次切换。
进一步的，放电持续时间t，重构单幅图像必要的线性无关的测量矩阵个数为N，用于空域调制的空域掩模板标记方法如图2所示，第一转轴1或第二转轴2由精密步进电机控制转动，每转一次柔性透射式掩模3向虚线箭头所指方向移动Δ距离，完成一次透射式模板的切换，图2虚线框所示部分为对日盲紫外信号所照射区域。第k次步进电机转动时，虚线框内的透射式模板对应矩阵为Pk。如图3所示，柔性透射式掩模3上的空域随机矩阵的数学表达为图3中a部所示，其中数值1，表示空域掩模板中“通过”的部分，数值0，表示空域掩模板中“不通过”的部分；那么每次切换后的透射式模板Pk则由图3中b部所示。
本实施例中，数据处理装置采用PC机，所述的PC机内设置有处理软件，所述的处理软件用于利用凸规划运算重构出日盲紫外图像，具体求解日盲紫外图像的凸优化如下：
argminx||x||TV s.t.||Ax-I||2≤ε (1)
式中，x为待解出日盲紫外图像，角标“TV”表示全变分模型，角标“2”表示2范数；A的每一行为Pk进行矩阵重排后的结果，Pk为第k次提供的透射式模板对应的矩阵；I为紫外波段单点探测器测量值组成的向量。设A共有N行，那么相当于测量了N次，对应了N个测量值，这些测量值组成了I，形成了N*1大小的向量。
本实施例中，求解日盲紫外图像的具体步骤如下：
步骤1，数值初始化：共投射N个透射式模板，桶探测器曝光了N次，得到N个测量值，记为I；待重构图像初始值记为x0＝0，λ＝0.01，迭代步长α＝1；第p次得到的重构图象值为xp；
步骤2，梯度G的计算方法为：G＝||Ax-I||2+λ||x||TV，那么梯度G的反方向表征为G_＝-G；
步骤3，初始负梯度G_的初始值
Figure BDA0002659037600000051
Figure BDA0002659037600000052
的上标“0”：表示第0次迭代，即首次迭代。
步骤4，更新数值：对于第p次迭代，重构图像更新为
Figure BDA0002659037600000053
残差更新rp+1＝Axp-I；梯度更新Gp+1＝||rp+1||2+λ||p+1||TV；
步骤5，比较更新后残差的数值，如果小于阈值，则停止迭代，否则p＝p+1，继续返回步骤2迭代。
本实施例中，日盲紫外图像与可见光图像叠加形成融合图像的方法为：将日盲紫外图像进行阈值划分，大于阈值的记为255，低于阈值的记为0；将阈值划分之后的日盲紫外图像叠加到可见光图像上，形成融合图像。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，其特征在于：包括成像镜头、分束棱镜、紫外滤波片、紫外波段成像透镜、动态随机编码掩膜装置、紫外波段收集透镜、紫外波段单点探测器、可见光滤波片、可见光波段成像透镜和可见光波段面阵探测器；所述的分束棱镜用于将成像镜头采集到的光信号分为日盲紫外信号和可见光信号；
所述的日盲紫外信号顺次穿过紫外滤波片、紫外波段成像透镜滤除日盲紫外以外的波段后成像在动态随机编码掩膜装置上，所述的动态随机编码掩膜装置用于日盲紫外信号进行空域调制，调制后的日盲紫外信号通过紫外波段收集透镜汇集到紫外波段单点探测器上；
所述的可见光信号顺次穿过可见光滤波片、可见光波段成像透镜后投射到可见光波段面阵探测器上，所述的可见光波段面阵探测器用于采集并保存采集到的可见光图像；
所述的动态随机编码掩膜装置用于连续提供若干个不同的透射式模板，输出多组调制信号；
所述的紫外波段单点探测器、可见光波段面阵探测器均与数据处理装置信号连接，所述的数据处理装置用于利用凸规划运算重构出日盲紫外图像，并将日盲紫外图像与可见光图像叠加形成融合图像。
2.如权利要求1所述的一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，其特征在于：所述的紫外波段成像透镜和可见光波段成像透镜再光路中的位置可调，所述的紫外波段成像透镜和可见光波段成像透镜的视场一致。
3.如权利要求2所述的一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，其特征在于：所述的动态随机编码掩膜装置和紫外波段收集透镜之间设置有反射镜，所述的反射镜用于调整日盲紫外信号的传递方向。
4.如权利要求1所述的一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，其特征在于：所述的动态随机编码掩膜装置包括第一转轴(1)、第二转轴(2)和柔性透射式掩模(3)，所述的柔性透射式掩模(3)一端缠绕在第一转轴(1)外侧，另一端缠绕在第二转轴(2)外侧，所述的柔性透射式掩模(3)表面加工有空域随机矩阵，所述的空域随机矩阵用于控制光在柔性透射式掩模(3)区域不同位置的透过或者不透过，所述的第一转轴(1)与步进电机传动连接，所述的步进电机带动第一转轴(1)旋转进而带动柔性透射式掩模(3)朝向第一转轴(1)一侧移动，所述的柔性透射式掩模(3)每移动Δ距离，日盲紫外信号在柔性透射式掩模(3)上成像位置内的透射式模板完成一次切换。
5.如权利要求1所述的一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，其特征在于：所述的数据处理装置采用PC机，所述的PC机内设置有处理软件，所述的处理软件用于利用凸规划运算重构出日盲紫外图像，具体求解日盲紫外图像的凸优化如下：
argminx‖x‖TV s.t.‖Ax-I‖2≤ε (1)
式中，x为待解出日盲紫外图像，角标“TV”表示全变分模型，角标“2”表示2范数；A的每一行为Pk进行矩阵重排后的结果，Pk为第k次提供的透射式模板对应的矩阵；I为紫外波段单点探测器测量值组成的向量。
6.如权利要求5所述的一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，其特征在于：所述的求解日盲紫外图像的具体步骤如下：
步骤1，数值初始化：共投射N个透射式模板，桶探测器曝光了N次，得到N个测量值，记为I；待重构图像初始值记为x0＝0,λ＝0.01，迭代步长α＝1；第p次得到的重构图象值为xp；
步骤2，梯度G的计算方法为：G＝‖Ax-I‖2+λ‖x‖TV，那么梯度G的反方向表征为G-＝-G；
步骤3，初始负梯度G-的初始值
Figure FDA0002659037590000021
Figure FDA0002659037590000022
的上标“0”：表示第0次迭代，即首次迭代；
步骤4，更新数值：对于第p次迭代，重构图像更新为
Figure FDA0002659037590000023
残差更新rp+1＝Axp-I；梯度更新Gp+1＝||rp+1||2+λ||xp+1||TV；
步骤5，比较更新后残差的数值，如果小于阈值，则停止迭代，否则p＝p+1，继续返回步骤2迭代。
7.如权利要求6所述的一种基于空间编码掩模板的单像素日盲紫外成像系统，其特征在于：所述的日盲紫外图像与可见光图像叠加形成融合图像的方法为：将日盲紫外图像进行阈值划分，大于阈值的记为255，低于阈值的记为0；将阈值划分之后的日盲紫外图像叠加到可见光图像上，形成融合图像。
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