CN117471489A - 基于单像素成像技术的目标探测方法、装置和计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于单像素成像技术的目标探测方法、装置和计算机设备，首先构建单像素成像探测系统的内参数模型，然后根据内参模型参数以及初始时刻的目标重构图像计算得到初始时刻的目标距离；接着采用低阶傅里叶梅林光场照明目标，根据由回波信号计算得到的目标图像的尺度变换因子实时估计目标的距离和径向运动速度。采用本方法只需进行一次目标图像重构，后续即可根据目标的尺度变换因子测量目标的距离和径向运动速度，大大节省了计算资源，提高了目标运动信息测量的实时性；此外，采用本方法无需增加额外设备，保留了单像素成像系统强大的成像探测能力的同时，实现了目标的距离和运动速度测量。
Description
技术领域
本申请涉及激光探测技术领域，特别是涉及一种基于单像素成像技术的目标探测方法、装置和计算机设备。
背景技术
单像素成像技术是一种基于主动照明的成像技术。单像素成像系统首先采用经过强度调制的激光束对目标进行照明，再利用单像素探测器接收目标的反射回波强度信号重构目标图像。由于单像素探测器一般采用光电二极管或光子倍增管等器件，因此工作光谱范围更广，尤其适用于红外、x射线、太赫兹等非可见光成像系统。此外，单像素探测器相比于普通相机具有更高的量子效率和光灵敏度，因此对于暗弱目标，单像素成像系统在理论上具有更远的成像探测距离。
为发挥单像素成像系统在远距离暗弱目标探测上的优势，学界近年来开始探索将单像素成像系统与激光测距雷达相结合，期望在实现对远距离目标清晰成像的同时，实现对目标的距离和运动速度测距。这种方案虽然在理论上完全可行并且精度较高，但激光雷达使用的大功率脉冲激光器以及距离信息解算系统也带来了成本高昂的问题，限制了该方案推广应用。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于单像素成像技术的目标复合探测方法、装置和计算机设备，在保留单像素成像系统暗弱目标成像能力的同时，实现对目标的距离测量和运动速度估计。
一种基于单像素成像技术的目标探测方法，所述方法包括：
建立单像素成像探测系统的内参数模型；所述内参数模型中的模型参数包括：单像素成像探测系统的焦距、像元尺寸、发射口径和成像分辨率，以及照明激光束的发散角；
根据模型参数和初始时刻的目标重构图像计算得到初始时刻的目标距离；
根据当前时刻的低阶傅里叶梅林照明光场的回波信号强度计算得到当前时刻目标的尺度变换因子；低阶傅里叶梅林光场分别是指阶数为0、重复度为0以及阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场；
根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子，计算得到当前时刻目标的目标距离和径向运动速度。
一种基于单像素成像技术的目标探测装置，装置包括：
内参数模型建立模块，用于建立单像素成像探测系统的内参数模型；所述内参数模型中的模型参数包括：单像素成像探测系统的焦距、像元尺寸、发射口径和成像分辨率，以及照明激光束的发散角；
初始目标距离计算模块，用于根据模型参数和初始时刻的目标重构图像计算得到初始时刻的目标距离；
尺度变化因子计算模块，用于根据当前时刻的低阶傅里叶梅林照明光场的回波信号强度计算得到当前时刻目标的尺度变换因子；低阶傅里叶梅林光场分别是指阶数为0、重复度为0以及阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场；
目标运动信息计算模块，用于根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子，计算得到当前时刻目标的目标距离和径向运动速度。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
建立单像素成像探测系统的内参数模型；所述内参数模型中的模型参数包括：单像素成像探测系统的焦距、像元尺寸、发射口径和成像分辨率，以及照明激光束的发散角；
根据模型参数和初始时刻的目标重构图像计算得到初始时刻的目标距离；
根据当前时刻的低阶傅里叶梅林照明光场的回波信号强度计算得到当前时刻目标的尺度变换因子；低阶傅里叶梅林光场分别是指阶数为0、重复度为0以及阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场；
根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子，计算得到当前时刻目标的目标距离和径向运动速度。
上述基于单像素成像技术的目标探测方法、装置和计算机设备中，首先构建单像素成像探测系统的内参数模型，由此可以将单像素成像探测系统等效为普通光学成像系统，然后根据内参模型参数以及初始时刻的目标重构图像计算得到初始时刻的目标距离；接着采用低阶傅里叶梅林光场照明目标，根据由回波信号计算得到的目标图像的尺度变换因子实时估计目标的距离和径向运动速度。可以看出，采用本方法只需进行一次目标图像的重构，后续即可根据目标的尺度变换因子测量目标的距离和径向运动速度，大大节省了计算资源，提高了目标运动信息测量的实时性；此外，采用本方法无需增加额外设备，保留了单像素成像系统强大的成像探测能力的同时，实现了目标的距离和运动速度测量，从而拓展了单像素成像系统的应用范围，使单像素成像系统具备了兼具目标成像、测距和测速功能的多维度复合探测能力，因而本发明方法有助于进一步推动单像素成像技术在远距离目标激光探测领域的实用化。
附图说明
图1为基于单像素成像技术的目标探测方法的流程示意图；
图2为单像素成像图像分辨率与空间光调制器工作面像元分辨率的关系图；
图3为单像素成像探测系统的工作原理图；
图4为本发明一实施例中的傅里叶梅林光场的强度二维分布矩阵；
图5为本发明估计目标径向运动速度的原理图；
图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于单像素成像技术的目标探测方法，包括以下步骤：
步骤102，建立单像素成像探测系统的内参数模型。
其中，内参数模型中的模型参数包括：单像素成像探测发射系统的焦距、像元尺寸ds、发射口径D和成像分辨率/>以及照明激光束的发散角/>。
内参数模型的数学表达式为：。
实际上，重构图像的像元是没有的绝对物理尺度的，因为重构图像完全是由重构算法得到。但是由于单像素成像系统要求照明光斑平面与光场调制器工作面存在共轭关系，并且重构图像的分辨率与光场调制器工作面像元分辨率相同，因此光场调制器件工作面的像元尺寸可以作为重构图像的像元尺寸。如果将单像素成像系统等效为普通光学成像系统，并将投影透镜的焦距作为单像素成像系统的焦距，则单像素成像系统重构图像的像元尺寸可以等效为光场调制器阵面的像元尺寸。
步骤104，根据模型参数和初始时刻的目标重构图像计算得到初始时刻的目标距离。
实际上，除了成像原理存在根本区别，单像素成像系统与普通光学成像系统在成像规律上具有一定的相似性。普通光学成像系统以成像传感器面作为主透镜的焦平面，其成像的物理分辨能力主要与主透镜的焦距和目标距离有关，如下式所示：
；
上式中，为普通光学成像系统物空间分辨力，ds为光学成像系统的像元尺寸，为光学成像系统的焦距，/>为目标距离。因此，目标距离越远，普通光学成像系统的物理空间分辨力越低。
根据单像素成像原理，单像素成像系统重构图像的分辨率由照明光斑中的散斑分辨率决定，而散斑分辨率与光场调制器件工作面像元的分辨率相同如图2所示。图2中，初始照明激光打在了空间光调制器上，空间光调制器的像元分辨率为，则照明到目标上的散斑分辨率也为/>。此时，照明散斑的尺度就是单像素成像系统的物空间分辨力。由于单像素成像探测系统的成像视场仅仅限于光斑的照明区域，单像素成像探测系统的视场角等于发射光束的发散角。在相同散斑分辨率条件下，激光束的发散角越大，则同等距离下照射散斑尺寸越大，因此对于同一目标的重构图像的尺寸越小。根据发射系统的发散角，在距离为/>处的散斑尺寸可以表示为：
；
上公式中，为单像素成像探测系统的物空间分辨力，/>为激光束的发散角，D为单像素成像探测系统的发射口径，/>为/>处散斑的直径，/>为空间光调制器的像元分辨率，/>为单像素重构目标图像以像素数为单位的一维尺度，即一维的有效像素数。得到/>需要对目标进行单像素图像重构。当前单像素图像重构方法研究已经十分成熟，有多种结构光场和重构算法可基本满足实时成像要求，经典的机构光场如傅里叶光场、Hadmard光场、DCT光场等，经典的高效结构光场包括傅里叶光场、Hadmard光场等。经典的图像重构算法有CGI、DGI、压缩感知等。因此本发明对此不做详述。
将单像素成像探测模型等效为普通光学成像系统后，则有
；
根据上式，即可解算初始时刻的目标距离。
步骤106，根据当前时刻的低阶傅里叶梅林照明光场的回波信号强度计算得到当前时刻目标的尺度变换因子。
其中，低阶傅里叶梅林光场分别是指阶数为0、重复度为0以及阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场；
径向运动速度是指目标向探测系统的运动速度，其往往是探测系统判断目标威胁等级的重要依据。本发明根据不同时刻时目标尺度的相对变化估计目标的径向运动速度。本发明采用低阶傅里叶梅林光场照明持续目标，进而计算不同时刻目标图像的尺度变化因子。由于同一时刻仅需一帧阶数为0、重复度为0和一帧阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场即可计算该时刻目标图像的尺度变换因子，并且当前空间光调制器件的强度调制频率已经可以轻松达到MHz甚至GHz水平，因此可以认为目标的尺度变化因子是实时得到的。
步骤108，根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子，计算得到当前时刻目标的目标距离和径向运动速度。
由于将单像素成像系统等效为普通成像系统，在已知初始时刻的目标的距离和尺度的情况下，根据三角形相似关系容易计算当前时刻目标的距离和径向运动速度，如图5所示。
上述基于单像素成像技术的目标探测方法中，首先构建单像素成像探测系统的内参数模型，并将其等效为普通的光学成像系统；根据单目视觉测距原理，实现对目标的初始距离测量；最后根据傅里叶梅林光场照明的回波得到的尺度变化因子，实现目标距离和径向速度的持续计算。可以看出，采用本发明方法无需增加额外设备，保留了单像素成像系统强大的成像探测能力的同时，实现了目标的距离和运动速度测量，拓展了单像素成像系统的应用范围，使单像素成像系统具备了兼具目标成像、测距和测速功能的多维度复合探测能力。因而本发明方法有助于进一步推动单像素成像技术在远距离目标激光探测领域的实用化。
在一个实施例中，基于单像素成像技术的目标探测方法还包括：
构建单像素成像探测系统；单像素成像探测系统包括：激光器、光场调制器件、投影透镜、分光镜、汇聚透镜、单像素探测器和计算机；
采用激光器发射初始激光束并照射在光场调制器件上；
采用光场调制器件根据傅里叶梅林光场的强度分布矩阵对初始激光束进行强度调制；
采用投影透镜对经过强度调制的激光束进行扩束和准直，进而照射目标；
利用投影透镜使得目标的后向散射回波信号进入单像素成像探测系统；
利用分光镜和汇聚透镜使后向散射回波信号进入单像素探测器的接收窗口；
利用计算机根据单像素探测器的接收光强度，进行目标成像以及距离和径向运动速度的测量计算。
如图3所示，提供单像素成像系统的工作原理图，光场调制器件选用DMD空间光调制器。激光器发射初始激光照射在DMD空间光调制器等上，DMD空间光调制器根据系统所需光场的强度分布矩阵对入射激光进行强度调制。系统所需光场包括重构图像所需结构光场和测距所需傅里叶梅林光场。经过调制后的激光束经过投影透镜扩束和准直后照射在目标物体上。目标后向散射回波信号由投影透镜进入单像素成像探测系统，经过分光镜后由汇聚透镜汇聚进入单像素探测器。汇聚镜头的作用是将目标的回波信号汇聚到单像素探测器的接收窗口内。目标成像、距离和径向运动速度等信息由计算机进行解算。
在一个实施例中，单像素成像探测系统的焦距、发射口径和和像元尺寸的计算步骤如下：
将投影透镜的焦距作为单像素成像探测系统的焦距；
将投影透镜的口径作为单像素成像探测系统的发射口径；
将光场调制器件的工作面像元尺寸作为单像素成像探测系统的像元尺寸。
单像素成像探测系统依靠投影透镜实现光束准直、发射和回波接收，因此单像素成像探测系统的焦距就是投影透镜的焦距，投影透镜的口径就是激光束的发射口径。结合图3，DMD空间光调制器的工作面与目标平面应该为共轭关系，从而保证照明光斑清晰度最佳，且强度分布与调制矩阵的强度分布完全一致。如果目标距离远大于投影透镜的焦距，DMD空间光调制器的工作面到投影透镜的距离近似等于投影透镜的焦距。此时，单像素成像系统的像元尺寸与DMD空间光调制器的工作面像元尺寸相同。
在一个实施例中，根据模型参数和初始时刻的目标重构图像计算得到当前时刻的目标距离，包括：
获取初始时刻的目标重构图像；目标重构图像是根据图像重构算法对目标原始图像进行处理后得到的；
根据单像素成像探测系统的内参数模型的模型参数以及目标重构图像，计算得到初始时刻的目标距离：
；
其中，为初始时刻的目标距离，ds为单像素成像探测系统的像元尺寸成像的像元尺寸，/>为单像素成像探测系统的焦距，D为单像素成像探测系统的发射口径，/>为光场调制器件的像元分辨率，/>为单像素重构目标图像以像素数为单位的一维尺度，/>为照明激光束的发散角。
结合单像素成像系统与普通光学成像系统原理，根据单像素成像探测系统内参模型参数计算得到初始时刻目标与单像素成像探测系统的距离，具体方案如下：
（1）对目标进行单像素成像
单像素成像技术一般采用正交结构光场对目标照明，进而根据回波信号强度对目标进行图像重构。对目标进行成像的目的是为了确定目标图像的有效像素数，有效像素数表示目标在整个照明光斑中所占区域的大小。
（2）测量目标距离
对于单像素成像探测系统和等效普通光学成像系统，像元的物空间分辨力分别为和/>，如下面公式所示：
；
；
上式中，ds为图像的像元尺寸，为系统焦距，D为发射系统口径，/>为/>处散斑的直径，/>为空间光调制器的像元分辨率，/>为单像素重构目标图像以像素数为单位的一维尺度，即一维的有效像素数。
将单像素成像探测系统与普通光学成像系统进行等效，有
；
根据上述公式，给出距离测量公式为：
；
上式中，ds为图像的像元尺寸，等于DMD空间光调制器工作面的像元尺寸。为系统焦距，D为发射系统口径，/>为/>处散斑的直径，/>为空间光调制器的像元分辨率。/>为单像素重构目标图像以像素数为单位的一维尺度，即一维的有效像素数，可由重构图像得到。
在一个实施例中，根据当前时刻的低阶傅里叶梅林照明光场的回波信号强度计算得到当前时刻目标的尺度变换因子，包括：
设计低阶傅里叶梅林光场的强度分布矩阵：
；
；
其中，表示阶数为0、重复度为0的傅里叶梅林光场的强度分布矩阵，/>表示阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场的强度分布矩阵，/>为径向坐标。低阶傅里叶梅林光场的强度分布矩阵如图4所示，其中，/>表示阶数，/>表示重复度。
采用上述低阶傅里叶梅林光场照明目标，并采用单像素探测器探测照明回波强度，即可得到当前时刻目标图像的尺度变化因子。以图像序列中的第一幅图像为基准，目标图像的尺度变换因子是指图像序列中的所有图像相对于基准图像的尺度变化倍数。由图5中可知，对于同一套探测系统，目标成像的尺度变化与目标距离的变化呈线性关系。目标图像的尺度变换因子由如下公式计算：
；
其中，为时间序列中第/>个时刻相对于初始时刻的尺度变化因子，/>为初始时刻采用阶数为0，圆周重复度为0的傅里叶梅林光场照明得到的回波信号强度，/>为初始时刻采用阶数为1，圆周重复度为0的傅里叶梅林光场照明得到的回波信号强度，为集合/>中的初始时刻对应的回波信号强度值，i表示时序号。由于DMD空间光调制器件的调制频率已经可以达到GHz水平，因此可以认为目标图像的尺度变换因子的计算是实时的。
其中，可以根据来判断目标是正在接近还是远离单像素成像探测系统，若/>大于1，说明目标正在接近，即目标运动方向为由远到近飞向探测器，若/>小于1，说明目标正在远离，即目标运动方向为由近到远飞离探测器。
该尺度变化因子可用于对目标持续跟踪时，在已知初始时刻目标距离的条件下快速估计目标某一时刻的距离和径向速度。
在一个实施例中，由三角形相似关系根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子，计算得到当前时刻的目标距离和径向运动速度，包括：
；
；
其中，为第i时刻目标图像的尺度变化因子，/>表示第/>个时刻的目标距离，/>为初始时刻目标距离；/>表示时间序列中第/>个时刻目标的径向运动速度，/>为时刻/>到时刻/>的时间间隔。
图5是本发明估计目标径向运动速度的原理图。图5中，单像素成像系统仅在时刻计算物体的重构图像，并根据探测系统的内参数计算目标物体的物理尺度/>和距离/>。到达/>时刻时，只需根据/>时刻的物体尺度/>相对于/>的尺度变化因子/>，即可根据公式十估计目标在/>到/>时间段内的平均速度和目标距离。由于计算目标图像的尺度变化因子不需要再对目标物体进行图像重构，因此估计目标径向运动速度具有很强的实时性。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，提供了一种基于单像素成像技术的目标探测装置，包括：内参数模型建立模块、初始目标距离计算模块、尺度变化因子计算模块和目标运动信息计算模块，其中：
内参数模型建立模块，用于建立单像素成像探测系统的内参数模型；内参数模型中的模型参数包括：单像素成像探测系统的焦距、像元尺寸、发射口径和成像分辨率，以及照明激光束的发散角；
初始目标距离计算模块，用于根据模型参数和初始时刻的目标重构图像计算得到初始时刻的目标距离；
尺度变化因子计算模块，用于根据当前时刻的低阶傅里叶梅林照明光场的回波信号强度计算得到当前时刻目标的尺度变换因子；低阶傅里叶梅林光场分别是指阶数为0、重复度为0以及阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场；
目标运动信息计算模块，用于根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子，计算得到当前时刻目标的目标距离和径向运动速度。
关于基于单像素成像技术的目标探测装置的具体限定可以参见上文中对于基于单像素成像技术的目标探测方法的限定，在此不再赘述。上述基于单像素成像技术的目标探测装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储内参数模型、目标图像信息等数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于单像素成像技术的目标探测方法。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于单像素成像技术的目标探测方法，其特征在于，所述方法包括：
建立单像素成像探测系统的内参数模型；所述内参数模型中的模型参数包括：单像素成像探测系统的焦距、像元尺寸、发射口径和成像分辨率，以及照明激光束的发散角；
根据模型参数和初始时刻的目标重构图像计算得到初始时刻的目标距离；
根据当前时刻的低阶傅里叶梅林照明光场的回波信号强度计算得到当前时刻目标的尺度变换因子；低阶傅里叶梅林光场分别是指阶数为0、重复度为0以及阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场；
根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子，计算得到当前时刻目标的目标距离和径向运动速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
构建单像素成像探测系统；所述单像素成像探测系统中包括：激光器、光场调制器件、投影透镜、分光镜、汇聚透镜、单像素探测器和计算机；
采用激光器发射激光束并照射在光场调制器件上；
采用光场调制器件根据傅里叶梅林光场的强度分布矩阵对初始激光束进行强度调制；
采用投影透镜对经过强度调制的激光束进行扩束和准直并照射在目标上；
利用投影透镜使得目标的后向散射回波信号进入单像素成像探测系统；
利用分光镜和汇聚透镜使得后向散射回波信号进入单像素探测器的接收窗口；
利用计算机根据单像素探测器的接收光强度，进行目标成像以及距离和径向运动速度的测量计算。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，单像素成像探测系统的焦距、发射口径和像元尺寸的获取步骤如下：
将投影透镜的焦距作为单像素成像探测系统的焦距；
将投影透镜的口径作为单像素成像探测系统的发射口径；
将光场调制器件的工作面像元尺寸作为单像素成像探测系统的像元尺寸。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据模型参数和初始时刻的目标重构图像计算得到当前时刻的目标距离，包括：
获取初始时刻的目标重构图像；所述目标重构图像是根据图像重构算法对目标原始图像进行处理后得到的；
根据单像素成像探测系统的内参数模型的模型参数以及所述目标重构图像，计算得到初始时刻的目标距离：
；
其中，为初始时刻的目标距离，ds为单像素成像探测系统的像元尺寸成像的像元尺寸，/>为单像素成像探测系统的焦距，/>为单像素成像探测系统的发射口径，/>为光场调制器件的像元分辨率，/>为单像素重构目标图像以像素数为单位的一维尺度，/>为照明激光束的发散角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据当前时刻的低阶傅里叶梅林照明光场的回波信号强度计算得到当前时刻目标的尺度变换因子，包括：
设计低阶傅里叶梅林光场的强度分布矩阵：
；
；
其中，表示阶数为0、重复度为0的傅里叶梅林光场的强度分布矩阵，/>表示阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场的强度分布矩阵，/>为径向坐标；
采用低阶傅里叶梅林光场照明目标，并采用单像素探测器探测照明的回波信号强度，即可得到当前时刻目标的尺度变化因子：
；
其中，为时间序列中第/>个时刻相对于初始时刻的尺度变化因子，/>为初始时刻采用阶数为0，圆周重复度为0的傅里叶梅林光场照明得到的回波信号强度，/>为初始时刻采用阶数为1，圆周重复度为0的傅里叶梅林光场照明得到的回波信号强度，/>为集合/>中的初始时刻对应的回波信号强度值，/>表示时序号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子，计算得到当前时刻的目标距离和径向运动速度，包括：
根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子当前时刻的目标距离和和径向运动速度：
；
；
其中，为第/>时刻目标图像的尺度变化因子，/>表示第/>个时刻的目标距离；/>表示时间序列中第/>个时刻目标的径向运动速度，/>为时刻/>到时刻/>的时间间隔。
7.一种基于单像素成像技术的目标探测装置，其特征在于，所述装置包括：
内参数模型建立模块，用于建立单像素成像探测系统的内参数模型；所述内参数模型中的模型参数包括：单像素成像探测系统的焦距、像元尺寸、发射口径和成像分辨率，以及照明激光束的发散角；
初始目标距离计算模块，用于根据模型参数和初始时刻的目标重构图像计算得到初始时刻的目标距离；
尺度变化因子计算模块，用于根据当前时刻的低阶傅里叶梅林照明光场的回波信号强度计算得到当前时刻目标的尺度变换因子；低阶傅里叶梅林光场分别是指阶数为0、重复度为0以及阶数为1、重复度为0的傅里叶梅林光场；
目标运动信息计算模块，用于根据初始时刻的目标距离以及当前时刻目标的尺度变化因子，计算得到当前时刻目标的目标距离和径向运动速度。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118261984A (zh) * | 2024-05-29 | 2024-06-28 | 南京邮电大学 | 一种单目测距方法、装置、电子终端及存储介质 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013060134A1 (zh) * | 2011-10-25 | 2013-05-02 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种时间分辨单光子或极弱光多维成像光谱系统及方法 |
| US20150345906A1 (en) * | 2013-12-24 | 2015-12-03 | Deepak Varshneya | Electro-optic system for crosswind measurement |
| US20170134680A1 (en) * | 2014-07-29 | 2017-05-11 | Jinan University | Optical imaging method using single pixel detector |
| CN106796293A (zh) * | 2014-07-31 | 2017-05-31 | 雷神公司 | 线性模式计算感测ladar |
| CN110187356A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-08-30 | 中国科学技术大学 | 远距离超分辨单光子成像重构方法 |
| WO2021103696A1 (zh) * | 2019-11-29 | 2021-06-03 | 南京理工大学 | 一种基于透射式红外孔径编码成像系统及其超分辨方法 |
| CN114095718A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-02-25 | 北京市水产科学研究所（国家淡水渔业工程技术研究中心） | 单像素成像系统及方法 |
| WO2022153969A1 (ja) * | 2021-01-12 | 2022-07-21 | 富士フイルム株式会社 | イメージング方法、及びイメージング装置 |
| CN115049713A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-09-13 | 武汉中导光电设备有限公司 | 图像配准方法、装置、设备及可读存储介质 |
| CN116893429A (zh) * | 2023-07-13 | 2023-10-17 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于圆谐傅里叶光场的单像素成像方法和目标识别方法 |
-
2023
- 2023-12-25 CN CN202311788720.4A patent/CN117471489B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013060134A1 (zh) * | 2011-10-25 | 2013-05-02 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种时间分辨单光子或极弱光多维成像光谱系统及方法 |
| US20150345906A1 (en) * | 2013-12-24 | 2015-12-03 | Deepak Varshneya | Electro-optic system for crosswind measurement |
| US20170134680A1 (en) * | 2014-07-29 | 2017-05-11 | Jinan University | Optical imaging method using single pixel detector |
| CN106796293A (zh) * | 2014-07-31 | 2017-05-31 | 雷神公司 | 线性模式计算感测ladar |
| CN110187356A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-08-30 | 中国科学技术大学 | 远距离超分辨单光子成像重构方法 |
| WO2021103696A1 (zh) * | 2019-11-29 | 2021-06-03 | 南京理工大学 | 一种基于透射式红外孔径编码成像系统及其超分辨方法 |
| WO2022153969A1 (ja) * | 2021-01-12 | 2022-07-21 | 富士フイルム株式会社 | イメージング方法、及びイメージング装置 |
| CN114095718A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-02-25 | 北京市水产科学研究所（国家淡水渔业工程技术研究中心） | 单像素成像系统及方法 |
| CN115049713A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-09-13 | 武汉中导光电设备有限公司 | 图像配准方法、装置、设备及可读存储介质 |
| CN116893429A (zh) * | 2023-07-13 | 2023-10-17 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于圆谐傅里叶光场的单像素成像方法和目标识别方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| QI MENG, ET AL.: "Fast object imaging and classification based on circular harmonic Fourier moment detection", OPTIC EXPRESS, vol. 31, no. 21, 9 September 2023 (2023-09-09), pages 34527 - 34541 * |
| 敖磊;谭久彬;崔继文;康文静;: "激光CCD自准直仪圆目标中心抗噪声精确定位方法", 中国激光, no. 12, 25 December 2006 (2006-12-25), pages 1609 - 1614 * |
| 霍娟;李明飞;杨然;赵连洁;张安宁;莫小范;: "基于单像素探测器的高灵敏度近红外成像系统", 红外与激光工程, no. 1, 25 May 2016 (2016-05-25), pages 1 - 5 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118261984A (zh) * | 2024-05-29 | 2024-06-28 | 南京邮电大学 | 一种单目测距方法、装置、电子终端及存储介质 |
| CN118261984B (zh) * | 2024-05-29 | 2024-08-06 | 南京邮电大学 | 一种单目测距方法、装置、电子终端及存储介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117471489B (zh) | 2024-03-22 |
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Legal Events
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