CN117979175A - 一种编码盘以及基于旋转编码的抗干扰成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种编码盘以及基于旋转编码的抗干扰成像系统，系统包括：成像镜头组，用于根据输入电磁波将目标图像聚焦至编码盘的预设编码区域；编码盘，用于通过旋转调整处于编码区域的扇区；驱动装置，用于驱动编码盘匀速旋转；第一探测器，采用单像素探测器，用于采集一段时间穿透编码盘的电磁波对应的第一单像素信号；第二探测器，采用单像素探测器，用于采集一段时间由编码盘的编码图案区反射的电磁波对应的第二单像素信号；数据采集模块，用于获得第一和第二单像素信号相减后的信号并生成数字的差分信号；图像重构模块，用于根据所述差分信号和所述循环正交矩阵的任一行向量，重构图像向量。本发明的抗干扰能力较强，可提高生成的图像质量。

Description

一种编码盘以及基于旋转编码的抗干扰成像系统

技术领域

本发明涉及成像技术，具体来说涉及基于旋转编码的成像技术领域，更具体地说，涉及一种编码盘以及基于旋转编码的抗干扰成像系统。

背景技术

在单像素成像、计算成像、结构光照明成像或单像素激光雷达等技术中，空间信号调制器件是核心器件，其中空间光调制器件最常见的就是美国德州仪器公司(TexasInstruments，或称TI公司)的数镜微镜器件，需要用复杂的电路以及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)工艺研制。

数字微镜器件目前可实现32kHz左右，1024X768像素甚至更高的微米级尺寸的空间光调制，已被广泛用于数字投影仪中。在单像素成像和计算成像领域数字微镜器件也被广泛采用，然而其作为此类科研设备中的空间光调制器件存在诸多的使用限制；例如：技术复杂不可控，运行时功耗达到数十瓦，并且对电路工作带宽要求高达数十GHz。这与追求低成本、低功耗和低技术复杂度的单像素成像技术相违背。单像素成像技术的特点和目标是利用单个像素的探测器探测的值获得一幅二维甚至更高维度的图像，其区别于逐点扫描成像之处在于效率更高，区别于阵列相机成像的优势在于系统简单，不需要复杂芯片工艺和复杂电路等。同时单像素探测器带宽较高，在距离选通成像中，探测10纳秒光脉冲的飞行时间是普通相机难以实现的，而时间分辨率高的阵列相机价格昂贵且可探测波段有限，单像素成像在这一方面将具有较大优势。具体的应用场景包括但不限于，甲烷气体的探测与成像，太赫兹波段和X射线波段的安检和探伤等。

出于上述原因，有人提出了利用旋转编码实现单像素成像的方案。例如，一些单像素成像的现有技术中，采用环形掩膜版上覆盖掩膜版图案，所述掩膜版图案由随机矩阵对应的透光区和不透光区构成。通过旋转掩模版，一部分光被不透光区遮挡，另一部分光通过透光区透过环形掩模版，照射在单像素探测装置上，探测得到单像素探测值；根据单像素探测值进行压缩感知计算重构，实现目标空间的图像信息恢复。但是，该现有技术存在抗干扰能力较差的问题，生成的图像质量有待提高。

需要说明的是：本背景技术仅用于介绍本发明的相关信息，以便于帮助理解本发明的技术方案，但并不意味着相关信息必然是现有技术。相关信息与本发明方案一同提交和公开，在没有证据表明相关信息已在本发明的申请日以前公开的情况下，相关信息不应被视为现有技术。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种编码盘以及基于旋转编码的抗干扰成像系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种用于抗干扰成像的编码盘，包括：盘体，所述盘体上设有以下区域：编码图案区，其中，包括基于循环正交矩阵构建的扇环形的编码图案，该编码图案中的最小编码单位为一个扇区，每个扇区是根据所述循环正交矩阵的一行数据构建得到的，相邻扇区间具有一部分相同图案的共用区域，每个扇区包括多个反射区和多个透射区；被驱动区域，用于连接驱动部件以带动盘体旋转。

可选的，所述编码图案区按照以下方式构建：获取N行N列的循环正交矩阵，其中，N为需要成像的图像对应的像素个数，N大于2；根据所述循环正交矩阵，重构X行Y列的循环哈达玛矩阵，其中，所述循环哈达玛矩阵中第y至y+A-1列的X行A列的第y个子矩阵是根据循环正交矩阵中第y行的向量按每A个数据一行重排得到，X＝N/A，Y＝N+A-1，所述需要成像的图像的像素尺寸为X×A；根据所述第y个子矩阵，构建第y个扇区的编码图案，其中，第一数据值对应反射区，第二数据值对应透射区。

可选的，每个扇区中，反射区和透射区的数量相等，或者反射区和透射区的数量相差1个或2个。

根据本发明的第二方面，提供一种基于旋转编码的抗干扰成像系统，包括：成像镜头组、编码盘、驱动装置、第一探测器、第二探测器、数据采集模块和图像重构模块；其中：成像镜头组，用于根据输入电磁波将目标图像聚焦至编码盘的预设编码区域；编码盘，用于通过旋转调整处于预设编码区域的扇区；驱动装置，用于驱动所述编码盘匀速旋转；第一探测器，采用单像素探测器，用于采集一段时间穿透编码盘的电磁波对应的第一单像素信号；第二探测器，采用单像素探测器，用于采集一段时间由编码盘的编码图案区反射的电磁波对应的第二单像素信号；数据采集模块，用于获得第一单像素信号和第二单像素信号相减后的信号，根据所述相减后的信号生成数字的差分信号；图像重构模块，用于根据测量一段时间后的差分信号和所述循环正交矩阵的任一行向量解卷积运算，重构图像向量。

可选的，所述盘体上还设有以下区域：同步区域，设置在所述编码图案区和所述驱动区域之外，用于指示编码图案的起始位置的区域，其中，同步区域包括沿编码盘旋转方向相邻设置的第一区域和第二区域，所述第一区域为全透光区，所述第二区域为部分透光区；所述干扰成像系统还包括：同步模块，其被配置为：从所述盘体的一侧向同步区域发光，在盘体的另一侧通过光电探测器感知来自同步区域的光照以确定同步信号，根据所述同步信号提取第一单像素信号和第二单像素信号。

可选的，按以下方式重构图像向量：

其中，I_b表示根据所述相减后的信号生成的数字的差分信号，H₁表示循环正交矩阵的第一行向量。

可选的，所述编码图案中，还包括一个或者多个遮挡区和/或一个或者多个部分透过区，所述循环正交矩阵中，第三数据值(矩阵元的具体值，例如－1)对应遮挡区，第四数据值(矩阵元的具体值，例如0.5)对应部分透过区。

可选的，所述驱动装置采用硬盘用无刷电机以及对应的硬盘电机适配驱动电路驱动所述硬盘用无刷电机旋转，成像时通过所述硬盘用无刷电机带动编码盘匀速转动。

可选的，所述抗干扰成像系统还包括：分束器，其设置于成像镜头组和编码盘间，所述分束器被配置为：让至少部分来自成像镜头组的电磁波透过以照向编码盘的预设编码区域；以及将来自处于预设编码区域的反射区发射的电磁波，二次反射至所述第二探测器。

根据本发明的第三方面，提供一种基于旋转编码的抗干扰成像方法，所述方法基于第二方面所述的抗干扰成像系统实现，所述方法包括：S1、启动抗干扰成像系统，通过驱动装置驱动所述编码盘匀速旋转，对准成像目标；S2、当编码盘每转动一圈，获取指示编码盘转动一圈的同步信号；S3、当编码盘旋转时，由第一和第二探测器分别采集单像素信号，根据同步信号确定单像素信号的起始点，从起始点开始获得从第一探测器和第二探测器分别采集多个测量值，得到第一单像素信号和第二单像素信号；S4、对第一单像素信号和第二单像素信号进行差分操作，得到相减后的信号；S5、获得第一单像素信号和第二单像素信号相减后的信号，根据所述相减后的信号生成数字的差分信号；S6、根据所述差分信号和所述循环正交矩阵的第一行向量进行解卷积，生成图像数据。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明按循环正交矩阵构建的编码图案进行编码，采用透射和反射信号差分探测方式，具有抗环境光干扰的优势，并且正交编码可实现高质量图像重建，并且相较于压缩感知和深度学习算法可靠性更高且有理论保证。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的一种编码盘的示意图；

图2为根据本发明实施例的一个示意性的循环矩阵的示意图；

图3为根据本发明实施例的按图2的循环矩阵生成的循环哈达玛矩阵的示意图；

图4为根据本发明实施例的第1种实施方式的抗干扰成像系统的示意图；

图5为根据本发明实施例的另一种带同步区域的编码盘的示意图；

图6为根据本发明实施例的一种编码盘实物及表面反射特性的示意图；

图7为根据本发明实施例的图5所示编码盘在不同旋转方向时采样曲线的示意图；

图8为根据本发明实施例的第2种实施方式的抗干扰成像系统的示意图；

图9为根据本发明实施例的第3种实施方式的抗干扰成像系统的示意图；

图10为根据本发明实施例的第4种实施方式的抗干扰成像系统的示意图；

图11为根据本发明实施例的第5种实施方式的抗干扰成像系统的示意图；

图12为根据本发明实施例的一个示意性的目标图像；

图13为根据本发明实施例的在1％高斯白噪声下不采用差分探测时重建图像结果的示意图；

图14为根据本发明实施例的在1％高斯白噪声下采用本发明差分探测方案时重建图像结果的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如在背景技术部分提到的，对于单像素成像的现有技术，存在抗干扰能力较差的问题，生成的图像质量有待提高。发明人经过分析，认为现有技术中，一方面是因为仅利用透过编码盘的电磁波来进行编码，导致难以去除环境时变引起的光强涨落噪声；另一方面是因为编码图案是由随机矩阵构建的，导致重建的图像质量有待提高。对此，本发明对编码盘进行改进，在盘体上设置基于循环正交矩阵构建的扇环形的编码图案，以提高后期重建图像的质量，并且，该编码图案中的最小编码单位为一个扇区，每个扇区是根据所述循环正交矩阵的一行数据构建得到的，相邻扇区间具有一部分相同图案的共用区域，每个扇区包括多个反射区和多个透射区，反射区反射的电磁波和透射区透射的电磁波可以分别由不同的探测器探测，通过差分探测方式，实现抗环境光干扰的优势，并提高图像重建的质量。

在对本发明的实施例进行具体介绍之前，先对其中使用到的部分术语作如下解释：

反射区是会将从盘体的一面入射的电磁波反射的区域。

透射区是会让电磁波从盘体的一面穿透至盘体的另一面的区域。

遮挡区是遮挡电磁波的区域。理想状态是吸收全部照射到遮挡区的电磁波。但是，实际情况下，可能会有少量的电磁波会透过遮挡区。

部分透过区是允许一部分电磁波透过而另一部分被吸收的区域。比如：一半被透过或者一半被吸收，或者大约30％被透过70％被吸收，或者实施者定义的其他比例。

根据本发明的一个实施例，参见图1，提供一种用于抗干扰成像的编码盘，包括盘体，所述盘体上设有的区域包括：编码图案区和/或被驱动区域。编码图案区包括基于循环正交矩阵构建的扇环形的编码图案，该编码图案中的最小编码单位为一个扇区，每个扇区是根据所述循环正交矩阵的一行数据构建得到的，相邻扇区间具有一部分相同图案的共用区域，每个扇区包括多个反射区和多个透射区。可以看到，编码图案区并非完整一个环形，带有一个缺口，即编码图案区为扇环形，或者称玦形。被驱动区域，用于连接驱动部件以带动盘体旋转。

根据本发明的一个实施例，编码图案区按照以下方式构建：获取N行N列的循环正交矩阵，其中，N为需要成像的图像对应的像素个数，N大于2；根据所述循环正交矩阵，重构X行Y列的循环哈达玛矩阵，其中，所述循环哈达玛矩阵中第y至y+A-1列的X行A列的第y个子矩阵是根据循环正交矩阵中第y行的向量按每A个数据一行重排得到，X＝N/A，Y＝N+A-1，所述需要成像的图像的宽为A高为X；根据所述第y个子矩阵，构建第y个扇区的编码图案，其中，第一数据值对应反射区，第二数据值对应透射区。例如，假设需要成像的图像的宽A为3，高X为5，则循环正交矩阵的宽高N＝AX＝3×5＝15；示意性的，为其构造一个如图2所示的15×15的循环正交矩阵，第一行和第一列仅为行编号和列编号，内部为循环正交矩阵，其中，0对应反射区，1对应透射区。然后，根据图2所示的循环正交矩阵，重构出图3所示的循环哈达玛矩阵。示意性的，假设将图2所示的循环正交矩阵简称为H15，将H15的每一行依次抽取，重新形成5×3(5行3列)大小的区域。可以看到，相邻两个5×3大小的区域中有两列(前一个区域的后两列与后一个区域的前两列)是相同的元素，合并相同元素后，按照公式Y＝N+A-1，计算出循环哈达玛矩阵的列数Y＝15+3-1＝17，得到如图3示出的5行17列的矩阵。编码区域大小与扇区大小对应，处于一个预定位置，将编码盘3旋转使得扇区转动；若当前一个扇区处于编码区域，则后续每转动一列的位置，下一个扇区将移动到编码区域，则得到对应H15移动一行相同的调制效果。二者的区别是图3将图2的H15的行向量变成了二维，相同点是元素内容不变，严格相等。

应当理解，图2和图3仅为简化示意，实际上，根据实施者对图像尺寸的调整，可以形成其他的实施例。例如，在另一示意性的实施例中，编码盘3的编码图案区为玦形(或多边形)，即一种非闭合的环形，或一种不连通的环形。再次参见图1，其示出了一种59×61矩阵的编码方式及编码盘3设计，图中的编码图案区由(59×61)×(59×61)的方阵H₃₅₉₉生成，生成的方式与图2和图3给出的生成原理相同，将H₃₅₉₉的每一行抽取形成59×61像素的二维编码，最终形成3599个59×61像素编码，将重叠的矩阵元合并(3599+59-1)，最终形成3657×61的矩形编码(即循环哈达玛矩阵)，将所述的编码按极坐标变换的方式可拓展到圆形编码盘上形成最终的编码，编码为不连通的环形。不连通的区域可以为过渡区，对电磁波半透半反，也可以是全透或全反射的区域。

为了提升抗干扰的效果，可让反射和透射的区域面积大致相同。根据本发明的一个实施例，每个扇区中，反射区和透射区的数量相等，或者反射区和透射区的数量相差1个或2个。反射区和透射区的大小设置为相同或者大致相同(应制作工艺原因，导致难以完全相同，比如可控制偏差在1/100或者1/1000内等)。

应当理解，还可以构建其他的实施例。

根据本发明的一个实施例，一个或者多个遮挡区和/或一个或者多个部分透过区，所述循环正交矩阵中，第三数据值对应遮挡区，第四数据值对应部分透过区。

可选的，所述编码图案区包括反射区、透射区、遮挡区和部分透过区，或反射区、透射区、遮挡区和部分透过区的任意组合。

此外，还可在编码盘上设置其他的功能区。例如，盘体上还设有以下区域：同步区域，设置在所述编码图案区和所述驱动区域之外，用于指示编码图案的起始位置的区域，其中，同步区域包括沿编码盘旋转方向相邻设置的第一区域和第二区域，所述第一区域为全透光区，所述第二区域为部分透光区。通过在编码图案区之外设置的同步区域，可以用于减少编码图案区信号的干扰，更准确地提供同步信号来指示编码图案的起始位置。

编码盘的制作方式例如可以是将循环哈达玛矩阵用光刻、激光直写等工艺手段制作到不同材料的表面，形成反射区、透射区、遮挡区和部分透过区等不同功能，形成对电磁波的空间调制能力。例如，在二氧化硅基版镀铬则可形成对可见光的透射区、反射区、遮挡区。编码盘的作用是对电磁波在空间上进行高速调制，编码盘的表面可以是有微纳结构的不平整表面，例如12度或20度的斜坡结构，在设计的特定斜坡处镀金属膜则可形成固定角度的反射区。当正交的循环编码矩阵有3个不同值的矩阵元时，例如Nosielet矩阵，有-1，0和1三种矩阵元，此时需要在镀膜时控制膜的属性，实现既不透过也不反射电磁波的区域，此时反射区可视为-1，透过区可视为1，遮挡区(不透过也不反射区)可视为0，从而实现基于3种数值的调制。

下面结合以上实施例的编码盘，给出一些示意性的抗干扰成像系统的实施方式。

实施方式1

根据本发明的一个实施例，参见图4，提供一种基于旋转编码的抗干扰成像系统，包括部件：成像镜头组1、分束器2、编码盘3、驱动装置4、同步模块5、第一探测器6、第二探测器7、差分模块8、数据采集模块9、图像重构模块10。下面就各个组成的部件分别进行介绍。

成像镜头组1，用于根据输入电磁波将目标图像聚焦至编码盘3的预设编码区域。成像镜头组1一般由透镜组构成，可采用现有的凸透镜组。成像镜头组1的一个作用是将目标图像成像到编码盘3上，通常要求透镜组聚焦出的图像无像差、色差、畸变等情形；成像镜头组1的另一作用是延长光路，适配不同场景下的成像能力。对于成像的电磁波的波段，本发明应用较为广泛，可用于短波红外、中波红外波段的成像，也可以用在THz等其它波段进行成像。

分束器2，其设于成像镜头组1和编码盘3间，所述分束器2被配置为：让至少部分来自成像镜头组的电磁波透过以照向编码盘的预设编码区域；以及将来自处于预设编码区域的反射区发射的电磁波，二次反射至所述第二探测器。换言之，分束器2的主要作用是接收到来自编码盘3的镜面反射光，并再次反射给第二探测器7。分束器2可以是偏振分束器与波片的组合体；例如，当入射光(即从成像镜头组1射出的电磁波)为线偏光时，半波片的光轴与偏振分束器夹角22.5度，入射的线偏光将旋转45度，经过编码盘3的反射再次经过半波片时线偏光再次旋转45度，此时光线与入射光偏振垂直，只能从偏振分束器反射端出射到达第二探测器7，此时的光能量利用率最大。当然，分束器2也可采用非偏振分束器。

编码盘3，用于通过旋转调整处于预设编码区域的扇区。编码区域可以是图4所示分束器2和第一探测器6之间的一处固定区域。编码盘3在转动时，处于预设编码区域的扇区会发生变化，聚焦到预设编码区域的目标图像会被扇区的图案编码，从而实现对来自成像镜头组的电磁波的调制。本实施方式中，所采用的编码盘3的盘体上设有同步区域，如图5所示。编码盘3的示意性产品如图6所示，其展示了编码盘实物及表面反射特性，从图6中可明显看到镀膜后的编码盘具有反射、透过和不透过等不同特性的区域。

驱动装置4，用于驱动所述编码盘匀速旋转。驱动装置4包括电机及驱动，电机优选为硬盘用无刷电机，区别于伺服电机，所述的驱动主要是无刷电机驱动电路，电机及驱动的主要作用是保证编码盘3高速匀速稳定旋转。将硬盘无刷电机引入到单像素成像系统用作编码盘的驱动电机这一做法，属于应用创新。

同步模块5，其被配置为：从所述盘体的一侧向同步区域发光，在盘体的另一侧通过光电探测器感知来自同步区域的光照以确定同步信号，根据所述同步信号提取第一单像素信号和第二单像素信号。同步模块5是指编码盘3的转动状态可由同步模块5确定状态，并向外输出同步信号。本实施方式提到的同步模块5可包括LED灯和光电探测器，当编码盘3转动到同步编码处，LED灯光照射到同步区域中的全透光区，则光电探测器电压快速达到峰值；当LED灯光照射到同步区域中的部分透光区，则光电探测器电压下降至峰值的一半，当LED照射在其它区域，光电探测器只有很小的本底信号。若采用图5所示的同步区域，通过光电探测器信号的高低，可以判断编码盘3的起始位置和转动方向。另外，图5中的切割辅助线是在制造编码盘3时用的，一般盘体所用材料为掩模版，掩模版一般为方形。编码盘3采用圆形盘时，需要进行切割，故在设计时加入切割用圆形辅助线，如图5中最外圈白色同心圆所示；由于采用硬盘用无刷电机，需要一个孔来穿入驱动轴(比如为电机轴或者外接的驱动组件的轴)，故设计时加入了与驱动轴相同尺寸的同心圆形辅助线，如图5中最内环白色同心圆所示。按上述辅助线切割编码盘3可有效保证精度，达到理想的实验效果。

下面结合图7来说明同步模块5的作用，图7的横坐标为时间，纵坐标为信号强度。当光电探测器的电压依次是低-高-中-低，说明编码盘3先转过全透光区，再转过部分透光区，编码盘为逆时针旋转(从图5视角)；反之，若光电探测器的电压是低-中-高-低，表明编码盘3先转过部分透光区，再转过全透光区，编码盘为顺时针旋转；由此可判断编码盘3的转动方向；所述的同步模块5，每次输出高电压表明编码盘3转过1个周期，电压上升沿可用于判断编码盘3编码的相对位置。换言之，图5示出了编码盘3上设计有特殊的同步图案(对应于同步区域)，白色透光区域和半白半黑的透过一半光强的区域，同步模块5中的LED灯和光电探测器分别放置在与同步图案对齐的两侧位置，当全透光(图中全白色区域)经过LED时则信号强度骤然增大，当透过一半光强区域经过LED时光强下降至一半，当编码盘3处于其它位置时，光电探测器维持在较低的信号本底水平。通过序上测得的电信号高低可以判断编码盘3的旋转方向。当信号先增大，随后减小一半时，则表明编码盘3先经过白色区域，如图5带圆点的实线所示；反之，若信号先增大然后再次增大达到峰值，说明编码盘3先经过部分透光区(图中黑白交叉区域)，如图5示出的带方块的虚线所示。即使在外界的光较微弱的情况下，独立设置的同步模块5也可以准确地检测编码盘3的编码图案区的位置，从而更准确地帮助后续重构图像。

进一步地，根据本发明的一个实施例，全透光区使得LED灯与光电探测器构成的同步模块5输出电信号的上升沿和下降沿，可用于判定编码盘3旋转的周期及起始点位置(对应于编码图案的起始位置)和时间。所述的同步方法具体流程为，同步模块5输出电信号的上升沿和下降沿被数据采集模块9采集，利用信号的上升沿(或下降沿)作为编码盘3旋转一个周期的标记，同时记录上升沿(或下降沿)信号的产生时间和序列位置，用于同步编码盘3上编码的起始点，二者的关系可由实验系统确定。

第一探测器6，采用单像素探测器，用于采集一段时间穿透编码盘的电磁波对应的第一单像素信号。第一探测器6包括信号收集器(为区别，以下称第一信号收集器)和单像素探测器(为区别，以下称第一单像素探测器)，第一信号收集器用于将接收的电磁波汇集到一个空间点，第二单像素探测器用于将接收到的电磁波能量转为电信号，可以电压或电流信号。

第二探测器7，采用单像素探测器，用于采集一段时间由编码盘的编码图案区反射的电磁波对应的第二单像素信号。第二探测器7包括信号收集器(为区别，以下称第二信号收集器)和单像素探测器(为区别，以下称第二单像素探测器)，第二信号收集器用于将接收的电磁波汇集到一个空间点，第二单像素探测器用于将接收到的电磁波能量转为电信号，可以是电压或电流信号。

另外，若探测的电信号较小，第一探测器6和第二探测器7还可设有电信号放大的功能，将转换的电信号放大后输出。

差分模块8，用于将第一探测器6和第二探测器7两路输入的电信号进行相减，可以是电压的相减也可以是电流的相减，输出相减后的信号。差分模块8的功能也可由数据采集模块9同时采集第一探测器6和第二探测器7的信号，在计算机相减实现差分，其效果是相同的，此时可以去掉差分模块8。

数据采集模块9，用于获得第一单像素信号和第二单像素信号相减后的信号，根据所述相减后的信号生成数字的差分信号。数据采集模块9可将按时间顺序采集多路模拟的电信号并转化为数字信号；其中一路的电信号来自同步模块5，数据采集模块9采集同步模块5的电信号，并进行信号强度阈值判断，从而确定编码盘3的旋转方向和起始位置；另一路的电信号来自差分模块8，数据采集模块9采集差分模块8输出的电信号并转化为数字信号。

图像重构模块10，用于根据所述差分信号和所述循环正交矩阵的第一行向量，重构图像数据。图像重构模块10，利用接收的来自数据采集模块9的数字信号判断同步模块5与差分模块8输出的信号之间对应关系；确定差分模块8采集的电信号与编码盘3的编码图案之间的一一对应关系；

图像重构模块10，在确定探测信号与编码盘3编码一一对应关系后得到一组向量，利用解卷积算法进行图像重建，例如，获得的与编码对应的信号向量(差分信号)为I_b，编码盘3的编码图案对应为H₁向量构成的循环正交矩阵，则按以下方式重构图像向量：

其中，I_b表示根据所述相减后的信号生成的数字的差分信号，H₁表示循环正交矩阵的第一行向量。应当理解，由于为循环正交矩阵，实施者也可取其他行的行向量，比如循环正交矩阵的第二行向量或者循环正交矩阵的第三行向量等。

然后，图像重构模块10对图像向量进行二维空间的重新排列，得到图像矩阵的形式，进行归一化后存为图像格式。即由N维向量重排列为X行A列的图像矩阵，再对图像矩阵中的元素进行归一化，得到重建的图像数据。

另外，抗干扰成像系统可以没有显示模块，通过数据线外接显示装置(如液晶屏、投影仪等)来根据图像数据显示图像。或者，抗干扰成像系统也可设有显示模块(图4未示出)，比如一块屏幕总成，以直接显示拍摄的图像。

实施方式2

在一些情况下，也可以省略同步模块5，从而形成其他实施方式。

根据本发明的一个实施例，参见图8，提供一种基于旋转编码的抗干扰成像系统，包括部件：成像镜头组1、分束器2、编码盘3、驱动装置4、第一探测器6、第二探测器7、差分模块8、数据采集模块9、图像重构模块10。在此实施方式中，没有同步模块5。由于编码图案区为扇环形，因此，可以将扇环形所在圆环的缺口部分(即非扇环形部分，如图1的缺口处)设为一个黑色吸光区，其理想状态是不透过也不反射光。另外，在安装驱动装置4时，严格控制驱动装置4驱动的方向，比如逆时针转动，则第一探测器6和第二探测器7都可以代替同步模块5。当探测器的电信号经过黑色吸光区，会出现一段时间的低值；随后进入编码图案区，电信号会升高，第一探测器6和第二探测器7则在此之后分别采集第一单像素信号和第二单像素信号，由此替代地达到同步信号的功能。该实施方式的技术方案至少能够实现以下有益技术效果：该实施方式可以省略一个同步模块，实现设备简化。

实施方式3

由于编码盘在重力作用下可能会发生形变，因此，为了减少此影响，可以对现有技术进一步改进。

根据本发明的一个实施例，参见图9，提供一种基于旋转编码的抗干扰成像系统，包括部件：成像镜头组1、分束器2、编码盘3、驱动装置4、同步模块5、第一探测器6、第二探测器7、差分模块8、数据采集模块9、图像重构模块10。本实施方式与实施方式1的不同之处在于，当成像镜头组1以水平方式对准拍摄的目标时，编码盘3的盘体处于水平放置的姿态。此时，从成像镜头组1出来的光可以先有分束器2反射至编码盘3，一部分光穿透编码盘3传递至第一探测器6；另一部分光由编码盘3反射并穿过分束器2传递至第二探测器。本实施方式中，除分束器2外，其他部件的实施细节可以参照实施方式1，此处不作赘述。该实施例的技术方案至少能够实现以下有益技术效果：编码盘3水平放置，相比于常规实验中竖直放置编码盘3的方式，水平放置编码盘3受到的重力较为均衡，具有转速更稳定、编码盘形变更小的特点，后续成像的图像的质量更佳。

实施方式4

在一些情况下，可考虑不设置分束器。

根据本发明的一个实施例，参见图10，提供一种基于旋转编码的抗干扰成像系统，包括部件：成像镜头组1、编码盘3、驱动装置4、同步模块5、第一探测器6、第二探测器7、差分模块8、数据采集模块9、图像重构模块10。

其中，编码盘3的编码图案区中，反射区的反射表面与盘体旋转的平面存在预定的夹角，使得发射区能将入射的电磁波发射至第二探测器7。存在夹角是指盘体的表面不平，其中发射区存在例如12度(或15度等)以上的斜角，那么垂直入射的光就会被发射到与法向24度(或30度等)方向，这时候光不是原路返回，所以就不用分束器2，而是用探测器直接在24度(或30度等)方向接收光。

实施方式5

在一些情况下，可以考虑由数据采集模块9代为执行差分模块8的功能。

根据本发明的一个实施例，参见图11，提供一种基于旋转编码的抗干扰成像系统，包括部件：成像镜头组1、分束器2、编码盘3、驱动装置4、同步模块5、第一探测器6、第二探测器7、数据采集模块9、图像重构模块10。除数据采集模块9外，其他部件的实施细节可以参考实施方式1，此处不做赘述。在本实施方式中，数据采集模块9用于对第一单像素信号和第二单像素信号进行差分操作，得到相减后的信号；以及根据所述相减后的信号生成数字的差分信号。

实施方式6

根据前述实施方式的抗干扰成像系统，可以实现一种基于旋转编码的抗干扰成像方法。该方法包括：

S1、启动抗干扰成像系统，通过驱动装置驱动所述编码盘匀速旋转，对准成像目标；

S2、当编码盘每转动一圈，获取指示编码盘转动一圈的同步信号；

S3、当编码盘旋转时，根据同步信号提取第一单像素信号和第二单像素信号；

S4、对第一单像素信号和第二单像素信号进行差分操作，得到相减后的信号；

S5、获得第一单像素信号和第二单像素信号相减后的信号，根据所述相减后的信号生成数字的差分信号；

S6、根据所述差分信号和所述循环正交矩阵的第一行向量，重构图像向量，根据所述图像向量，生成图像数据。

根据本发明的一个示例，以实施方式1为例，提供一种基于旋转编码的抗干扰成像方法，包括：

步骤S1’，目标经成像镜头组1、分束器2成像到编码盘3表面位于预设编码区域的编码上，驱动装置4带动编码盘3稳定地旋转，编码圆盘掩膜版3上面刻有循环正交矩阵H对应的编码图案，例如，具有如图2所示15×15大小的循环正交矩阵对应的编码图案。

步骤S2’，编码盘3由驱动装置4中的硬盘用无刷电机带动匀速稳定旋转，编码盘3的编码Hi依次切换，i＝1,2,3…N，切换后将相应地得到一系列反射和透射的信号。

步骤S3’，编码盘3每旋转一圈，同步模块5输出一次电压峰值信号；

步骤S4’，编码盘3旋转时，第一探测器6和第二探测器7同时探测分别探测得到透过和反射的信号；

步骤S5’，透过和反射的信号经过差分模块8相减后，除信号以外的强度变化将被扣除；

步骤S6’，数据采集模块9将采集差分模块8输出的模拟信号(对应于相减后的信号)，并将其转化为数字信号，用于计算机后续处理；数据采集模块9还采集同步模块5的信号并转为数字信号；

步骤S7’，图像重构模块10，将通过数据接口接收到来自数据采集模块9的数字信号进行图像重构，得到图像数据。图像重构时算法将判断来自差分模块8的信号是否与编码一一对应；若所述自差分模块8的信号长度与编码的数量不一致，则通过对所述信号的长度进行插值，若所述信号大于编码数量则进行下采样插值；反之，则进行上采样插值，插值后得到一组与编码数量相一致的信号值，称为桶探测信号；若将所述的桶探测信号表示为I_b向量，编码盘3的编码生成元为H1向量，则重建图像向量Img＝iFFT(FFT(I_b)/FFT(H1))；随后，对Img向量进行二维空间的重新排列，得到图像矩阵的形式的图像数据，归一化后用于存储和显示；可采用液晶屏、投影仪等对成像结果进行显示输出。

图12示出了仿真用图片，图13示出了加入了1％标准差的高斯白噪声后传统方法，即不采用差分探测时，得到的成像结果，图14示出了加入了1％标准差的高斯白噪声后，采用本发明实施例后得到的图12的重建结果。从图13和图14的对比中可以看出，本发明提出的方法可有效抗干扰成像。

总的来说，单像素成像技术中编码调制速度慢，最高为32kHz左右，调制速度达到了技术瓶颈；现有空间编码调制器件的成本高，以数字微镜器件为例，其成本在数万元人民币；现有单像素成像中的编码盘方案仅采用单路探测，成像质量受环境噪声影响大；现在单像素成像中的编码盘方案采用伺服电机，体积大、技术复杂度高且成本高。本发明可解决单像素成像技术中编码调制器件速度慢、成本高和技术复杂度高的问题，用低成本、小体积、低功耗的硬盘用无刷电机(最高转速优于120转/秒)带动旋转编码盘匀速转动，实现快速的空间编码调制(等效调制速度MHz)，编码盘可用于较宽电磁波谱范围响应的材料，可实现较宽波段的单像素成像；结合调频连续波技术后，后续还可实现对气体定量探测、测距等其它传统相机无法实现的功能。

本发明的一些实施方式至少具有以下优点中的一个：

(1)在本发明中，采用圆盘掩膜版作为调制器件，按循环正交矩阵进行编码，采用透射和反射信号差分探测方式，具有抗环境光干扰的优势，并且正交编码可实现高质量图像重建；

(2)在本发明中，采用单独的LED和光电探测器构成同步模块，用于编码盘旋转周期的识别，不受外界环境光影响，具有稳定、精确获得编码盘转速的优点，更加有效地保证了成像的稳定性和重建图像质量。

(3)在本发明中，采用硬盘用无刷电机，其体积小、成本低，有效降低了编码部分的空间尺寸和功耗，并且硬盘无刷电机转速高达7200转/分以上，可有效提升单像素成像的速度。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于抗干扰成像的编码盘，包括：盘体，所述盘体上设有以下区域：

编码图案区，其中，包括基于循环正交矩阵构建的扇环形的编码图案，该编码图案中的最小编码单位为一个扇区，每个扇区是根据所述循环正交矩阵的一行数据构建得到的，相邻扇区间具有一部分相同图案的共用区域，每个扇区包括多个反射区和多个透射区；

被驱动区域，用于连接驱动部件以带动盘体旋转。

2.根据权利要求1所述的编码盘，其特征在于，所述编码图案区按照以下方式构建：

获取N行N列的循环正交矩阵，其中，N为需要成像的图像对应的像素个数，N大于2；

根据所述循环正交矩阵，重构X行Y列的循环哈达玛矩阵，其中，所述循环哈达玛矩阵中第y至y+A-1列的X行A列的第y个子矩阵是根据循环正交矩阵中第y行的向量按每A个数据一行重排得到，X＝N/A，Y＝N+A-1，所述需要成像的图像的像素尺寸为X×A；

根据所述第y个子矩阵，构建第y个扇区的编码图案，其中，第一数据值对应反射区，第二数据值对应透射区。

3.根据权利要求2所述的编码盘，其特征在于，每个扇区中，反射区和透射区的数量相等，或者反射区和透射区的数量相差1个或2个。

4.一种基于旋转编码的抗干扰成像系统，其特征在于，所述干扰成像系统包括：成像镜头组、权利要求1-3之一所述的编码盘、驱动装置、第一探测器、第二探测器、数据采集模块和图像重构模块；其中：

成像镜头组，用于根据输入电磁波将目标图像聚焦至编码盘的预设编码区域；

编码盘，用于通过旋转调整处于预设编码区域的扇区；

驱动装置，用于驱动所述编码盘匀速旋转；

第一探测器，采用单像素探测器，用于采集一段时间穿透编码盘的电磁波对应的第一单像素信号；

第二探测器，采用单像素探测器，用于采集一段时间由编码盘的编码图案区反射的电磁波对应的第二单像素信号；

数据采集模块，用于获得第一单像素信号和第二单像素信号相减后的信号，根据所述相减后的信号生成数字的差分信号；

图像重构模块，用于根据所述差分信号和所述循环正交矩阵的任一行向量，重构图像向量。

5.根据权利要求4所述的抗干扰成像系统，其特征在于，所述盘体上还设有以下区域：

同步区域，设置在所述编码图案区和所述驱动区域之外，用于指示编码图案的起始位置的区域，

其中，同步区域包括沿编码盘旋转方向相邻设置的第一区域和第二区域，所述第一区域为全透光区，所述第二区域为部分透光区；

所述干扰成像系统还包括：同步模块，其被配置为：

从所述盘体的一侧向同步区域发光，在盘体的另一侧通过光电探测器感知来自同步区域的光照以确定同步信号，根据所述同步信号提取第一单像素信号和第二单像素信号。

6.根据权利要求4所述的抗干扰成像系统，其特征在于，按以下方式重构图像向量：

其中，I_b表示根据所述相减后的信号生成的数字的差分信号，H₁表示循环正交矩阵的第一行向量。

7.根据权利要求4所述的抗干扰成像系统，其特征在于，所述编码图案中，还包括一个或者多个遮挡区和/或一个或者多个部分透过区，所述循环正交矩阵中，第三数据值对应遮挡区，第四数据值对应部分透过区。

8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述驱动装置采用硬盘用无刷电机以及对应的硬盘电机适配驱动电路驱动所述硬盘用无刷电机旋转，成像时通过所述硬盘用无刷电机带动编码盘匀速转动。

9.根据权利要求4所述的抗干扰成像系统，其特征在于，所述抗干扰成像系统还包括：

分束器，其设于成像镜头组和编码盘间，所述分束器被配置为：

让至少部分来自成像镜头组的电磁波透过以照向编码盘的预设编码区域；以及

将来自处于预设编码区域的反射区发射的电磁波，二次反射至所述第二探测器。

10.一种基于旋转编码的抗干扰成像方法，其特征在于，所述方法基于权利要求4-9之一所述的抗干扰成像系统实现，

所述方法包括：

S1、启动抗干扰成像系统，通过驱动装置驱动所述编码盘匀速旋转，对准成像目标；

S2、当编码盘每转动一圈，获取指示编码盘转动一圈的同步信号；

S3、当编码盘旋转时，由第一和第二探测器分别采集单像素信号，根据同步信号确定单像素信号的起始点，从起始点开始获得从第一探测器和第二探测器分别采集多个测量值，得到第一单像素信号和第二单像素信号；

S4、对第一单像素信号和第二单像素信号进行差分操作，得到相减后的信号；

S5、获得第一单像素信号和第二单像素信号相减后的信号，根据所述相减后的信号生成数字的差分信号；

S6、根据所述差分信号和所述循环正交矩阵的第一行向量，根据所述图像向量进行解卷积，生成图像数据。