CN114486746B - 基于压缩感知的高分辨率光子集成成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于压缩感知的高分辨率光子集成成像系统及成像方法，主要解决现有高分辨率紧凑被动相干成像技术存在透镜组成基线的效率低以及光子集成电路复杂、光路数量巨大的问题。该成像系统包括依次设置的透镜阵列、光子集成电路和数据处理模块；透镜阵列包括呈平面排布的第一透镜组和第二透镜组；第一透镜组包括M个沿X方向线性排列的透镜；第二透镜组包括N+1个沿Y方向线性排列的透镜。第一透镜组与第二透镜组呈T形排列，使得成基线的效率大大提高。
Description
技术领域
本发明属于空间光学成像技术领域，涉及一种高分辨率、低质量小体积的光学系统，具体涉及一种基于压缩感知的高分辨率光子集成成像系统及成像方法。
背景技术
由于天基光学遥感器具有不受地理位置制约、受大气影响小等优势，在天文探索、对地探测等领域具有重要的作用。随着空间技术的发展，为了更好的获取目标探测的细节特征，对天基光学遥感器的分辨率要求越来越高。由经典光学理论可知，非相干光学成像系统的分辨率受瑞利衍射极限的限制，因此，要提高光学系统的分辨率，就必须增大光学系统的有效通光口径。但是，随着光学系统通光口径的不断增加，一方面，使得其重量、体积、功耗和成本等成倍增加；另一方面，复杂的光路设计和校准等对传统光学制造、检测和装调能力提出极大地挑战。随着望远镜口径的不断增加，特别是未来10m以上超大口径望远镜的提出，传统折/反射经典光学成像体制在理论、技术和工程实行能力等方面都已经逼近极限，面临极大工程挑战。
高分辨率紧凑被动相干成像技术是一种基于干涉原理和光子集成电路的新型成像技术，其通过一种基于光子集成电路的紧凑排布干涉阵列来代替传统的胶片、CCD或CMOS等探测手段，突破体积、重量和功耗等限制条件，获得了更高的图像分辨率成像；或者，在相同图像分辨率成像条件下，让探测器的体积、重量和功耗减少到原来的1/10～1/100。在空间成本居高不下、传统成像体制逼近极限的大背景下，高分辨率紧凑被动相干成像技术的研究是未来高分辨率、小体积、轻质量和低功耗的新选择，该技术不仅在空间成像机理方面有重要的科学价值，同时作为新一代成像技术，可以广泛推广到空间探测等众多领域，具有重要的应用价值。
高分辨率紧凑被动相干成像技术引起了国内外很多科研人员的关注，但是还存在诸多问题，主要有：(1)系统透镜组成基线的效率较低，导致u-v覆盖不足。传统综合孔径的某个子孔径可以和其它任意子孔径组成基线，因此，对于N个子孔径，最多可组成N(N-1)/2条不同的基线；但是，SPIDER的透镜阵列中，每个透镜只和另一个透镜组成基线，因此，对于N个透镜，最多可组成N/2条不同的基线，使得其组成基线的效率较低；(2)光子集成电路是整个系统的关键部分，但是，现有光子集成电路的尺寸、光路设计还无法满足系统的成像需求，复杂且数量巨大的光路给大尺寸光子集成电路的设计带来了极大的挑战。
发明内容
为解决现有高分辨率紧凑被动相干成像技术存在透镜组成基线的效率低以及光子集成电路复杂、光路数量巨大的问题，本发明提出了一种基于压缩感知的高分辨率光子集成成像系统及成像方法，该成像系统使得高分辨率紧凑被动相干成像技术中的光子集成回路排布简化，并提高了采样效率。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：
一种基于压缩感知的高分辨率光子集成成像系统，包括透镜阵列、光子集成电路和数据处理模块；所述透镜阵列包括呈平面排布的第一透镜组和第二透镜组；所述第一透镜组包括M个沿X方向线性排列的透镜，从左至右将各透镜依次定义为透镜R1、透镜R2、……透镜RM；所述第二透镜组包括N+1个沿Y方向线性排列的透镜，各透镜从上至下依次定义为透镜S0、透镜S1……透镜SN，且透镜S1位于透镜R(M/2)和透镜R(M/2+1)之间，其中，N≤M≤2N；所述光子集成电路包括依次连接的波导、正交探测器和光电探测器；所述透镜阵列的各透镜通过光纤传像束与光子集成电路中的波导连接，所述波导的数量与透镜阵列中透镜的数量相同，且每一个波导上设置有光开关；来自目标场景的入射光经过透镜耦合进波导，光开关随机开启，入射光经过波导传输后经过正交探测器和光电探测器，得到互相干可见度信息，所述互相干可见度信息包括同步信号和正交信号；所述数据处理模块根据互相干可见度信息得到离散空间采样频谱，并对离散空间采样频谱进行重建，得到重建后的空间采样频谱，然后对重建后的空间采样频谱进行傅里叶逆变换，得到重建的目标场景高分辨率图像。
进一步地，所述光子集成电路还包括设置在波导、正交探测器之间的阵列波导光栅。
同时，本发明还提供一种基于压缩感知的高分辨率光子集成的成像方法，包括以下步骤：
步骤一、目标场景发出的入射光被第一透镜组和第二透镜组接收，两组入射光通过光纤传像束入射至波导，两组入射光分别表示为：
…
…
其中，UR2、……/>表示第一透镜组的入射光，B1、B2、……BM表示第一透镜组入射光的振幅，ω表示角频率，t表示时间，/>表示第一透镜组入射光的相位；/>表示第二透镜组的入射光，A1、A2、……AN表示第二透镜组入射光的振幅，/>表示第二透镜组入射光的相位；
步骤二、两组入射光在进入正交探测器前汇合为两个输入光US和UR，输入光UR为第一透镜组各入射光的和，输入光US为第二透镜组各入射光的和；
步骤三、两个入射光在正交探测器中进行干涉，光电探测器接收到干涉后的光强用同步信号fI和正交信号fQ表示，同步信号fI和正交信号fQ为公式(7)-(8)的展开，并运用欧拉公式得；
步骤四、重复步骤一至步骤三多次，得到多个同步信号fI和正交信号fQ；
步骤五、基于压缩感知原理进行图像重建；
5.1)获取测量值y；
同步信号fI和正交信号fQ的P次测量用y∈RP×1表示，由于所有光开关的一次开关状态是测量矩阵的一行，那么，第二透镜组测量矩阵为ΦS，第一透镜组的测量矩阵为ΦR；测量值y的表达式为：
5.2)从测量值y中重建原信号x∈RH×1，
y＝G′ΓFx (13)
其中，G′＝[G’1，G‘2，…，G’P]T∈RP×W表示由P次第一透镜组的光开关和第二透镜组光开关不同状态组成的传感矩阵；Γ∈RW×H表示透镜阵列对原信号的空间频率采样的二值矩阵，F∈RH×H表示离散傅里叶变换；
5.3)根据步骤5.2)获取的原信号x通过压缩感知重建算法得到重建图像。
进一步地，步骤5.4)中，压缩感知重建算法为BP算法或OMP算法。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
1.本发明成像系统中的透镜呈T形排列，两组透镜中，其中一组透镜中的任一透镜可以与另一组透镜的任一透镜组成基线，因此M+(N+1)个透镜，可以组成的基线数目为M×(N+1)个，相比于传统SPIDER的基线数目，透镜组成基线的效率大大提高，采样效率提高了多倍。
2.本发明成像系统中单个光子集成回路可以对应二维排布的透镜，采用单个光子集成回路即可组成成像系统，而现有技术均需要多个光子集成回路才能组成成像系统；同时，该光子集成回路上的光路和光器件排布结构简单，光子集成回路上只需要一套光传输光纤和正交探测器即可，而其他现有技术均需要多套。
3.本发明通过二维排布透镜阵列和优化光子集成回路，不光单个光子集成回路可以组成成像系统，在需要更大等效口径的情况下，可以通过多个光子集成回路组成更大等效口径。
4.传统的SPIDER每个PIC(光子集成电路)只能与同一个方向的透镜进行组合，而两个透镜组成一条基线，对一个空间频率进行采样。因此，要实现N×N的频域采样，需要2N片PIC，每片PIC上排布2N个透镜，总计42个透镜。而在本发明成像系统中，由于在PIC上的每根波导中加入一个可控制开关的控制门来控制波导的通断，从而组成一个可以作为测量矩阵的伪随机二值矩阵，使系统满足压缩感知的原理，因此在单片PIC上只需要一套正交探测器，相比于传统SPIDER在2N个透镜时所需的N套波导阵列光栅正交探测器，大大简化了光子集成电路的设计和光器件的数目。
附图说明
图1为现有SPIDER的成像系统示意图；
图2为本发明基于压缩感知的高分辨率光子集成成像系统示意图；
图3为本发明实施例中透镜阵列的排布示意图；
图4为本发明实施例中透镜阵列二维排布对应点频域采样图；
图5为本发明实施例中二维透镜可以模块化集成示意图；
图6为本发明实施例中二维透镜各模块对应的频率采样示意图。
附图标记：1-第一透镜组，2-第二透镜组，3-光纤传像束，4-波导，5-光开关，6-正交探测器，7-光电探测器，8-数据处理模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提出了一种基于压缩感知的高分辨率光子集成相机二维排布结构设计(Compact Passive Coherent Imaging Technology with High Resolutionbased onCompressive Sensing,CPCIT-2D)。首先，在透镜后焦面的每根波导中加入一个可控制开关的控制门来控制波导的通断，从而组成一个可以作为测量矩阵的伪随机二值矩阵，使系统满足压缩感知的原理，从而简化光子集成电路设计；其次，CPCIT-2D对透镜阵列进行优化设计，透镜不再是沿一个方向顺序排列，而是在二维空间进行排布，从而增加了可组成基线的数目和方向。最后，透镜阵列与光子集成电路通过光纤传像束进行连接，从而摆脱了光子集成电路尺寸对基线长度的限制，实现二维排布。
如图2和图3所示，本发明提供的基于压缩感知的高分辨率光子集成成像系统包括透镜阵列、光子集成电路(PIC)和数据处理模块8；透镜阵列包括呈平面排布的第一透镜组1和第二透镜组2；第一透镜组1包括M个沿X方向线性排列的透镜，从左至右将各透镜依次定义为透镜R1、透镜R2、……透镜RM；第二透镜组2包括N+1个沿Y方向线性排列的透镜，各透镜从上至下依次定义为透镜S0、透镜S1……透镜SN，且透镜S1位于透镜R(M/2)和透镜R(M/2+1)之间，其中，N≤M≤2N；光子集成电路包括依次连接的波导4、正交探测器6和光电探测器7；透镜阵列的各透镜通过光纤传像束3与光子集成电路中的波导4连接，波导4的数量与透镜阵列中各透镜的数量相同，且每一个波导4上设置有光开关5；来自目标场景的入射光经过透镜耦合进波导4，光开关5随机开启，入射光经过波导4传输后经过正交探测器6和光电探测器7，可以得到互相干可见度信息，互相干可见度信息包括同步信号和正交信号；数据处理模块8根据互相干可见度信息得到离散空间采样频谱，并对离散空间采样频谱进行重建，得到重建后的空间采样频谱，然后对重建后的空间采样频谱进行傅里叶逆变换，得到重建的目标场景高分辨率图像。光子集成电路还包括设置在波导4、正交探测器6之间的阵列波导光栅。
基于上述系统，本发明提供的基于压缩感知的高分辨率光子集成的成像方法，包括以下步骤：
步骤一、目标场景发出的入射光被第一透镜组1和第二透镜组2接收，两组入射光通过光纤传像束3入射至波导4；两组入射光可以表示为：
…
…
其中，UR2、……/>表示第一透镜组1的入射光，B1、B2、……BM表示第一透镜组1入射光的振幅，ω表示角频率，t表示时间，/>表示第一透镜组1入射光的相位；/>表示第二透镜组2的入射光，A1、A2、……AN表示第二透镜组2入射光的振幅，ω表示角频率，t表示时间，/> 表示第二透镜组2入射光的相位；
步骤二、两组入射光在进入正交探测器6前汇合为两个输入光US和UR，输入光UR为第一透镜组1各入射光的和；输入光US为第二透镜组2各入射光的和，
步骤三、两个入射光在正交探测器6中进行干涉，光电探测器7接收到干涉后的光强可以用同步信号fI和正交信号fQ表示，那么输出信号fI和fQ为公式(7)-(8)的展开，并运用欧拉公式可得；
步骤四、重复步骤一至步骤三多次，得到多个同步信号fI和正交信号fQ，当互强度可见度信息达到一定数量后，就可以进行图像重建；
步骤五、基于压缩感知原理进行图像重建；
5.1)获取测量值y；
同步信号fI和正交信号fQ测量和计算分开进行，这里取fQ作为例子来进行分析；为简洁表示，取代表/>fQ的P次测量可以用y∈RP×1表示，由于所有光开关5的一次开关状态可以看作是测量矩阵的一行，那么P次测量可以作为测量矩阵Φ＝[Φ1，Φ2，…，ΦP]T∈RP×N；对于第二透镜组2(即S组)测量矩阵为ΦS，而第一透镜组1(R组)的测量矩阵为ΦR；测量矩阵指的是光开关5的通断形成的二值矩阵(0和1)，也就是在得到fQ的时候，所有光开关5的随机通断组成测量矩阵的一行。
例如，假设有6路光纤，每路光纤中加入一个光开关5，那么就是6个光开关5，那么测量矩阵的一行就是6个值，假设光开关5开始都是通的，那么就有：Φ0＝[1 1 1 1 1 1]，而随后进行第一次测量，光开关5随机通断，则Φ1＝[1 0 1 0 1 0]，再进行第二次测量：Φ2＝[0 1 0 0 1 0]，第三次测量：Φ3＝[1 1 0 1 1 0]，第p次测量：Φp＝[0 0 1 1 1 0]，那么测量矩阵就是：
测量值y的表达式为：
yi表示y矩阵中的一个值，y的大小是P×1，yi就是其中的第i个值；
其中，G′＝[G’1，G‘2，…，G’P]T∈RP×W表示由P次第一透镜组1(R组)的光开关5Gate_R和第二透镜组2(S组)光开关5Gate_S不同状态组成的传感矩阵；
5.2)从测量值y中重建原信号x∈RH×1表示为
y＝G′ΓFx (13)
这里，Γ∈RW×H表示CS-CPCIT对原信号的空间频率采样的二值矩阵，F∈RH×H表示离散傅里叶变换；
5.3)根据步骤5.2)获取的原信号x通过压缩感知重建算法得到重建图像，，比如BP算法、OMP算法等，即可得到重建图像。
现有SPIDER结构图如图1所示，需设置多片PIC，本发明二维透镜排布如图2所示，通过二维排布理论上单个相机只需要一片PIC即可，但是为了兼顾计算量与处理能力之间的平衡，还可以通过多片PIC来进行扩展基线。因此，二维排布实现了集成化和模块化，同时可以针对分辨率的需求，来调节所需的结构。
如图5所示，透镜阵列、光子集成电路和数据处理模块8组成一个成像单元，成像单元可为多个，每个成像单元中，光子集成电路对应的透镜阵列的排布不一样(图5就是不同的透镜排布)，对应于不同的频域采样，多个光子集成电路可并行排布即可。本发明系统通过透镜阵列的二维排布已经可以成像，但是如果需要更高分辨率的图像，就需要增加透镜数目。但是单片PIC的处理能力是有限的，不可无限制增加透镜数目。因此，本发明系统的二维透镜可以模块化集成。当所需基线长度扩大一倍时，S组和R组的透镜数目各增加一倍，如图5和图6所示，通过模块化分区采样，通过4个PIC即可实现频域采样拼接。同理，当所需基线长度扩大K倍时，所需的PIC数目为K2，对应的模块和频域采样范围如图6所示，通过这种拼接结构，可实现特定频率区域的采样，或者等效大孔径的全频率采样。
本发明实施例中，需得到100mm口径，角分辨率为0.12mrad的图像，如图3所示，此时需设置16个微透镜，微透镜直径为5mm，将微透镜分为两组，即第一透镜组1和第二透镜组2均包括8个透镜，然后将透镜分别用光纤传像束3与光子集成电路相连接，光子集成电路中的波导4中插入光开关5，可以随机开关并记录。来自目标场景的入射光经过透镜耦合进波导4，然后通过波导4导入正交探测器6中进行干涉，最后光信号进入光电探测器7，记录光强，最后通过数据处理模块8得到高分辨图像，即通过理论计算得到目标的频域信息，如图4所示，空间频率采样数为64个，实现全覆盖采样，可得到较为细致的图像反演。
Claims (4)
1.一种基于压缩感知的高分辨率光子集成成像系统，其特征在于：包括透镜阵列、光子集成电路和数据处理模块(8)；
所述透镜阵列包括呈平面排布的第一透镜组(1)和第二透镜组(2)；
所述第一透镜组(1)包括M个沿X方向线性排列的透镜，从左至右将各透镜依次定义为透镜R1、透镜R2、……透镜RM；
所述第二透镜组(2)包括N+1个沿Y方向线性排列的透镜，各透镜从上至下依次定义为透镜S0、透镜S1……透镜SN，且透镜S1位于透镜R(M/2)和透镜R(M/2+1)之间，其中，N≤M≤2N；
所述光子集成电路包括依次连接的波导(4)、正交探测器(6)和光电探测器(7)；
所述透镜阵列的各透镜通过光纤传像束(3)与光子集成电路中的波导(4)连接，所述波导(4)的数量与透镜阵列中透镜的数量相同，且每一个波导(4)上设置有光开关(5)；来自目标场景的入射光经过透镜耦合进波导(4)，光开关(5)随机开启，入射光经过波导(4)传输后经过正交探测器(6)和光电探测器(7)，得到互相干可见度信息，所述互相干可见度信息包括同步信号和正交信号；所述数据处理模块(8)根据互相干可见度信息得到离散空间采样频谱，并对离散空间采样频谱进行重建，得到重建后的空间采样频谱，然后对重建后的空间采样频谱进行傅里叶逆变换，得到重建的目标场景高分辨率图像。
2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的高分辨率光子集成成像系统，其特征在于：所述光子集成电路还包括设置在波导(4)、正交探测器(6)之间的阵列波导光栅。
3.一种基于压缩感知的高分辨率光子集成的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、目标场景发出的入射光被第一透镜组和第二透镜组接收，两组入射光通过光纤传像束入射至波导，两组入射光分别表示为：
…
…
其中，表示第一透镜组的入射光，B1、B2、……BM表示第一透镜组入射光的振幅，ω表示角频率，t表示时间，/>表示第一透镜组入射光的相位；/>表示第二透镜组的入射光，A1、A2、……AN表示第二透镜组入射光的振幅，/>表示第二透镜组入射光的相位；
步骤二、两组入射光在进入正交探测器前汇合为两个输入光US和UR，输入光UR为第一透镜组各入射光的和，输入光US为第二透镜组各入射光的和；
步骤三、两个入射光在正交探测器中进行干涉，光电探测器接收到干涉后的光强用同步信号fI和正交信号fQ表示，同步信号fI和正交信号fQ为公式(7)-(8)的展开，并运用欧拉公式得；
步骤四、重复步骤一至步骤三多次，得到多个同步信号fI和正交信号fQ；
步骤五、基于压缩感知原理进行图像重建；
5.1)获取测量值少；
同步信号fI和正交信号fQ的P次测量用y∈RP×1表示，由于所有光开关的一次开关状态是测量矩阵的一行，那么，第二透镜组测量矩阵为ΦS，第一透镜组的测量矩阵为ΦR；测量值y的表达式为：
5.2)从测量值y中重建原信号x∈RH×1，
y＝G′ΓFx (13)
其中，G′＝[G’1，G‘2，…，G’P]T∈RP×W表示由P次第一透镜组的光开关和第二透镜组光开关不同状态组成的传感矩阵；Γ∈RW×H表示透镜阵列对原信号的空间频率采样的二值矩阵，F∈RH×H表示离散傅里叶变换；
5.3)根据步骤5.2)获取的原信号x通过压缩感知重建算法得到重建图像。
4.根据权利要求3所述的基于压缩感知的高分辨率光子集成的成像方法，其特征在于：步骤5.3)中，压缩感知重建算法为BP算法或OMP算法。
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|---|---|---|---|---|
| CN114935758B (zh) * | 2022-05-17 | 2024-05-10 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统及成像方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012146156A1 (zh) * | 2011-04-25 | 2012-11-01 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种单光子计数成像系统及其方法 |
| WO2012174940A1 (zh) * | 2011-06-20 | 2012-12-27 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种极弱光多光谱成像方法及其系统 |
| CN108873321A (zh) * | 2018-06-22 | 2018-11-23 | 西安电子科技大学 | 基于干涉的超薄高分辨率平板成像探测系统 |
| US10663282B1 (en) * | 2018-07-05 | 2020-05-26 | Lockheed Martin Corporation | Fiber-coupled phased array of photonic integrated circuit imagers |
| CN112925050A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-08 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉成像方法及成像系统 |
| CN112946789A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统 |
| CN113126205A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-16 | 电子科技大学 | 一种基于光开关的分段式平面成像系统及方法 |
| CN113179360A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-07-27 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 密集方位采样分块式平面光电成像系统 |
-
2021
- 2021-11-25 CN CN202111414001.7A patent/CN114486746B/zh active Active
Patent Citations (8)
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| WO2012146156A1 (zh) * | 2011-04-25 | 2012-11-01 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种单光子计数成像系统及其方法 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 分块式平面光电侦察成像系统发展概述;余恭敏;晋利兵;周峰;童锡良;陈世平;;航天返回与遥感(第05期);全文 * |
| 基于光子集成回路的干涉成像技术;余恭敏;肖爱群;晋利兵;童锡良;周峰;;中国空间科学技术(第02期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114486746A (zh) | 2022-05-13 |
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