CN217639540U - 一种基于互补的压缩感知成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于互补的压缩感知成像系统，包括发射单元、第一信号探测器、调制控制单元、第二信号探测器、数据采集单元和数据处理单元；发射单元包括沿光路依次设置的光源、空间光调制器、反射镜组，第一信号探测器检测正态光场照射的目标区域反射的光束信号，第二信号探测器检测负态光场照射的目标区域反射的光束信号，数据采集单元与第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元连接，调制控制单元连接空间光调制器和数据处理单元。通过将空间光调制器的负态光场引导并非重叠的投射到检测目标处，实现对检测目标不同区域成像的功能，提高了光能量的利用率和目标探测效率。

Description

一种基于互补的压缩感知成像系统

技术领域

本实用新型涉及目标检测识别与成像领域，具体涉及一种压缩感知成像系统。

背景技术

关联成像(correlated imaging)，也称鬼成像(ghost imaging)，是一种基于光场涨落的量子或者经典关联特性，通过参考光场与目标探测光场之间的强度关联运算，可以非定域地获取目标图像信息的新型成像技术。然而传统的关联成像存在采样次数较多，成像时间长，系统结构复杂的问题，并不适用于在水体这种复杂多变的环境中成像。压缩感知(Compressive Sensing)技术是近年来出现的一种全新的信号采样技术，不同于传统的奈奎斯特采样定理，该技术将信号的压缩过程与采样过程同步完成，即将高维的原始信号通过观测矩阵投影到低维的空间上，以少量的投影参数通过求解优化问题高概率的重构原始信号。该技术可以有效的提高信号采样效率，降低信号处理时间和计算成本。

现有的压缩感知成像技术采用数字微镜阵列(DMD)实现对光场的二值化调制，这种方式操作简单，光效率高，稳定性好，有利于该技术的实用化推广。然而，DMD在调制过程中，除了会反射与预设测量矩阵相同的正态光场外，还会从另一个角度反射出与正态光场互补的负态光场，这部分光能量通常直接被光能量吸收模块吸收，不用于最终的成像。再加上通常的测量矩阵稀疏性很强，导致光源的绝大部分能量被浪费，影响系统的整体运行效率。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于互补的压缩感知成像系统，以解决现有技术中的压缩感知过程中光能量利用率低的问题，同时提高了目标探测效率。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种成像系统，其特征在于，包括发射单元、第一信号探测器、调制控制单元、第二信号探测器、数据采集单元和数据处理单元；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源、空间光调制器、反射镜组，所述第一信号探测器检测正态光场照射的目标区域反射的光束信号，第二信号探测器检测负态光场照射的目标区域反射的光束信号，所述数据采集单元与第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元连接，所述调制控制单元连接空间光调制器和数据处理单元。

进一步的，所述发射单元还包括位于所述空间光调制器后方的第一投射单元和第二投射单元，以及所述空间光调制器前方的整形准直单元。

进一步的，第一信号探测器视场范围只覆盖第一投射单元照射范围，第二信号探测器视场范围只覆盖第二投射单元照射范围。

进一步的，所述反射镜组为平面镜或凹面镜构成的反射镜组，用于将空间光调制器的负态光场引导到第二投射单元。

进一步的，所述光源为脉冲光源或连续光源。

进一步的，第一信号探测器和第二信号探测器为单像素探测器。

本发明还提供一种如上所述的成像系统的成像方法，包括以下步骤：

S1：所述光源发出的光束经过准直整形单元后照射到空间光调制器，空间调制器根据调制控制单元的测量矩阵对光场进行调制，调制后将光束分成正态光场和负态光场两束光；

S2：正态光场通过第一投射单元投射到检测目标，由第一信号探测器接收该照射范围的反射光信号，并将数据传递给数据采集单元；

S3：负态光场通过第二投射单元投射到检测目标另一区域，由第二信号探测器接收该照射范围的反射光信号，并将数据传递给数据采集单元；

S4:数据处理单元接收数据采集单元获得的数据，并分别按照第一信号探测器观测值和第二信号探测器观测值分别进行存储；

S5:变换调制控制单元的测量矩阵，重复步骤S1～S4，完成M次观测后，数据处理单元获得第一信号探测器观测值向量和第二信号探测器观测值向量；

S6：结合测量矩阵，分别对两个观测值向量进行压缩感知重构，得到检测目标上两块不同区域的图像。

本实用新型提供的基于互补的压缩感知成像系统，包括发射单元、第一信号探测器、调制控制单元、第二信号探测器、数据采集单元和数据处理单元；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源、空间光调制器、反射镜组，所述第一信号探测器检测正态光场照射的目标区域反射的光束信号，第二信号探测器检测负态光场照射的目标区域反射的光束信号，所述数据采集单元与第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元连接，所述调制控制单元连接空间光调制器和数据处理单元。光源发出的光束经过准直整形单元后照射到空间光调制器，空间调制器根据调制控制单元的测量矩阵对光场进行调制，调制后将光束分成正态光场和负态光两束光。正态光场通过第一投射单元投射到检测目标处，其反射光只被第一信号探测器接收。负态光被反射镜组引导到第二投射单元，随后投射到检测目标另一区域，其反射光只被第二信号探测器接收。数据采集单元将两路信号采集后传递到数据处理单元，数据处理单元根据多次测量分别构成两个观测值向量，通过压缩感知重构算法计算恢复出两个区域的图像。本发明将负态光引导到检测目标上完成第二个成像过程，提高了光能量利用率，除此之外，实现了两个不同区域的成像，提高了系统探测的效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中成像系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中测量矩阵、正态光场和负态光场示意图。

图中所示：110、光源；120、整形准直单元；130、空间光调制器；140、第一投射单元；150、第一反射镜；160、第二反射镜；170、第二投射单元；30、调制控制单元；410、第一信号探测器；420、第二信号探测器；50、数据采集单元；50、数据处理单元；70、检测目标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，本实用新型提供了一种基于互补的压缩感知成像系统，包括发射单元、第一信号探测器410、调制控制单元30、第二信号探测器420、数据采集单元50和数据处理单元60；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源110、整形准直镜组120、空间光调制器130、第一反射镜150、第二反射镜160，所述第一信号探测器410检测正态光场照射的目标区域反射的光束信号，第二信号探测器420检测负态光场照射的目标区域反射的光束信号，所述数据采集单元50与第一信号探测器410、第二信号探测器420和数据处理单元60连接，所述调制控制单元30连接空间光调制器130和数据处理单元60。具体的，光源 110发出的光束通过整形准直单元120后照射到空间光调制器130上；空间光调制器130根据调制控制单元30的预设测量矩阵，对光束进行调制，将光束分成了正态光和负态光两束光；正态光通过第一投射单元140照射到检测目标70的一部分区域，其反射光只被第一信号探测器410接收，负态光通过第一反射镜 150和第二反射镜160构成的反射镜组，被引导到第二投射单元，并被投射到检测目标70的另一区域，其反射光被第二信号探测器420接收；数据采集单元50将两路信号采集并转换成电信号，传递给数据处理单元60进行储存，通过多次测量后分别获得两个探测器的观测值向量，利用压缩感知重构算法结合调制控制单元30的测量矩阵，计算重构出两幅图像。需要说明的是，本文中的参考值可以是光束在一段时间内的光能量的平均值，也可以是任一个光能量的值，当然也可以是其他任意值，只要以同一个值为基准即可。

优选的，第一信号探测器410视场范围只覆盖第一投射单元140照射范围，第二信号探测器420视场范围只覆盖第二投射单元170照射范围。

优选的，所述发射单元还包括位于所述空间光调制器130后方的第一投射单元140、第二投射单元170，将所述空间光调制器130的正态像和负态像投射至所述检测目标70上。具体的，投射单元140和170可以采用投影镜头，或者任意其他镜头，只要能实现该功能即可，此处不做限制。

优选的，所述反射镜组为平面镜或凹面镜构成的反射镜组，如第一反射镜 150和第二反射镜160构成的平面镜组，用于将空间光调制器的负态光场引导到第二投射单元170。

优选的，所述光源110为脉冲光源或连续光源，当光源110为脉冲光源时，第一信号探测器410和第二信号探测器420可以探测每个光脉冲的光能量数据，当光源110为连续光源时，第一信号探测器410和第二信号探测器420则按设定频率检测持续电平信号的光能量数据。

优选的，所述第一信号探测器410和第二信号探测器420为单像素探测器。

优选的，所述光源110和空间光调制器130之间还设有整形单元120，用于对光束进行整形，如形成平行光等。优选的，第一信号探测器410沿光路的前方还设有收光单元210，第二信号探测器420沿光路的前方还设有收光单元220，对检测目标70上不同区域的反射的光束进行收集，并将光能量分别传递给第一信号探测器410和第二信号探测器420。

优选的，如图2所示，所述正态光场的能量分布与预设测量矩阵相同，像素1代表有光，像素0代表无光。所述负态光场刚好与预设测量矩阵互补，即像素1代表无光，像素0代表有光，如图2所示。测量矩阵选择像素1数量占比接近50％构成测量矩阵序列，使得负态光场的光能量与正态光场的光能量接近，便于信号探测器获得大小适当的光能量信号。

本实施例中还提供上述的成像系统的成像方法，包括以下步骤：

S1：所述光源110发出的光束经过准直整形单元120后照射到空间光调制器130，空间调制器130根据调制控制单元30的测量矩阵对光场进行调制，调制后将光束分成正态光和负态光两束光。

S2：正态光通过第一投射单元140投射到检测目标70，由第一信号探测器 410接收该照射范围的反射光信号，并将数据传递给数据采集单元50。

S3:负态光通过第二投射单元170投射到检测目标70另一区域，由第二信号探测器420接收该照射范围的反射光信号，并将数据传递给数据采集单元50。

S4:数据处理单元60接收数据采集单元50获得的数据，并分别按照第一信号探测器410观测值和第二信号探测器420观测值分别进行存储；

S5：变换调制控制单元30的测量矩阵，重复步骤S1～S4，完成M次观测后，数据处理单元获得第一信号探测器410观测值向量和第二信号探测器420观测值向量；

S6：结合测量矩阵，分别对两个观测值向量进行压缩感知重构，得到检测目标上两块不同区域的图像。

综上所述，本实用新型提供的基于互补的压缩感知成像系统，包括发射单元、第一信号探测器410、调制控制单元30、第二信号探测器420、数据采集单元50和数据处理单元60；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源110、空间光调制器130、反射镜组，所述第一信号探测器410检测正态光场照射的目标区域反射的光束信号，第二信号探测器420检测负态光场照射的目标区域反射的光束信号，所述数据采集单元50与第一信号探测器410、第二信号探测器420 和数据处理单元60连接，所述调制控制单元30连接空间光调制器130和数据处理单元60。光源110发出的光束经过准直整形单元120后照射到空间光调制器130，空间调制器130根据调制控制单元30的测量矩阵对光场进行调制，调制后将光束分成正态光场和负态光场两束光。正态光场通过第一投射单元410 投射到检测目标70处，其反射光只被第一信号探测器410接收。负态光场被反射镜组引导到第二投射单元170，随后投射到检测目标另一区域，其反射光只被第二信号探测器420接收。数据采集单元50将两路信号采集后传递到数据处理单元60，数据处理单元60根据多次测量分别构成两个观测值向量，通过压缩感知重构算法计算恢复出两个区域的图像。本发明将负态光场引导到检测目标上完成第二个成像过程，提高了光能量利用率，除此之外，实现了两个不同区域的成像，提高了系统探测的效率。

虽然说明书中对本实用新型的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本实用新型的保护范围。在不脱离本实用新型宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于互补的压缩感知成像系统，其特征在于，包括发射单元、第一信号探测器、调制控制单元、第二信号探测器、数据采集单元和数据处理单元；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源、空间光调制器、反射镜组，所述第一信号探测器检测正态光场照射的目标区域反射的光束信号，第二信号探测器检测负态光场照射的目标区域反射的光束信号，所述数据采集单元与第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元连接，所述调制控制单元连接空间光调制器和数据处理单元。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述发射单元还包括位于所述空间光调制器后方的第一投射单元和第二投射单元，以及所述空间光调制器前方的整形准直单元。

3.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，第一信号探测器视场范围只覆盖第一投射单元照射范围，第二信号探测器视场范围只覆盖第二投射单元照射范围。

4.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述反射镜组为平面镜或凹面镜构成的反射镜组，用于将空间光调制器的负态光场引导到第二投射单元。

5.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述光源为脉冲光源或连续光源。

6.根据权利要求1所述的基于互补的压缩感知成像系统，其特征在于，第一信号探测器和第二信号探测器为单像素探测器。

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