编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统及方法，望远镜接收脉冲光源经过物体反射光经由成像透镜和光扩束准直后，在第一数字微阵列反射镜分束后，经第二数字微阵列反射镜对图像编码，经第三数字微阵列反射镜对光场随机空间调制，经成像透镜成像，经汇聚透镜汇聚入射到多个光电探测器，经压缩算法模块重构对应编码图像，对编码图像解码后获得低分辨图像，对所有低分辨率图像的每个像素灰度值列出稀疏线性方程组，其最小二乘解即为超分辨率图像；然后通过同步时间测量提供图像的时间码信息，重构出超分辨率三维图像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超分辨率成像领域，特别涉及一种基于压缩感知的。
技术介绍
上世纪四十年代，M.J.E.Golay最先提出“模板调制”调制思想，基于这种思想，Golay设计出多狭缝模板光谱仪，认识了模板调制的作用。随后，吉拉德(Girad)提出以菲涅尔波带片制作的栅栏作为模板的栅栏光谱仪，利用菲涅尔波函数的正交性实现波长调制，增强了光通量；默脱(Mertz)提出以旋转栅栏方法实现光场调制，利用傅里叶变换获得辐射光谱，同时具有多通道和高通量的优点；随着研究的进一步发展，出现了简易模板光谱仪，1968年Ibbett、Decker和Harwit研究了 Golay光谱仪的基本特征，提出间歇步进模板取代连续旋转盘；Gottlieb研究了与正交二元数字码相关的循环码，提出循环码可折叠成二维阵列，Sloane等人在此基础上，提出Reed-Mullet码尤其适用于光谱测量，由于Reed-Mullet码与hadamard矩阵密切相关，因此,这种新型的模板调制技术被称作Hadamard变换光谱技术。Hadamard变换光谱学是上世纪末期逐渐发展起来的新型光谱调制技术。这种技术以Hadamard编码模板代替传统的色散型光谱仪的狭缝，实现多通道多谱元高通量同时测量。近几年来随着微型光机电学技术的发展，使Hadamard光谱技术成为研究热点之一，如欧空局计划发射的欧几里德望远镜就采用这种技术实现对空间天文的观测。与传统光谱仪相比，这种技术具有如下优点:1)光通量高，采用数字微阵列反射镜替代传统的光谱细窄狭缝；2)光谱分辨率高，与傅里叶光谱仪一样可以不受狭缝产生的仪器函数的限制；3)信噪比高，调制和解调方法有效抑制北京和干扰信号，相对提高有用的光谱信号；4)灵活性高，根据观测对象有目的选择特定对象的光谱信息，降低背景和其他对象的干扰，同时这种技术也可以用于成像领域，实现超分辨率成像。压缩感知是由E.J.Candes> J.Romberg、T.Tao 和 D.L.Donoho 等研究人员于 2004年提出，早在上世纪法国数学家Prony提出稀疏信号恢复方法，这种方法是通过解特征值问题估计稀疏三角多项式的非零幅度和对应的频率Logan最早提出基于LI范数最小化的稀疏约束方法。随后发展出的压缩感知理论是将LI范数最小化稀疏约束与随机矩阵结合，获得稀疏信号重建性能的最佳结果，压缩感知基于信号的可压缩性，通过低维空间、低分辨率、欠Nyquist采样数据的非相关观测来实现高维信号的感知。广泛应用于信息论、图像处理、地球科学、光学/微波成像、模式识别、无线通信、大气科学、地球科学、物理天文学等学科领域。压缩感知理论是将采样和压缩同时进行，很好地利用了自然信号可以在某个稀疏基下表示的先验知识，可以实现远低于奈奎斯特/香农采样极限的亚采样，并能近乎完美地重建信号信息。其最广泛的应用是单像素照相机技术，它能使用一个点探测器而不是面阵探测器便可完成所有的探测任务，倘若这项技术应用在稀疏孔径上，必将减少探测维度，避免由面阵探测器带来的光学噪声和电学噪声，而且采用数字微镜器件DMD，这是一个被动光学元件，不会给信号带来任何噪声，探测器方面也不再需要前置放大器，此外系统还能做到23kHz的高速采样，这是传统面阵探测器所无法企及的，外加之鲁棒的重建算法，必将引发更多潜在应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于将压缩感知理论应用于Hadamard变换光学超分辨率成像领域，从而提供一种压缩感知的。为实现上述目的，本专利技术提供了一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统，所述系统包括:望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、压缩算法模块、解码与稀疏线性算法模块、脉冲光源单元和同步时间测量单元组成；所述望远镜单元包括凹面反射镜(I)、凸面反射镜(2)和反射镜(3)；所述成像透镜单元包括第一成像透镜(4-1)、第二成像透镜(4-2)；所述数字微阵列反射镜单元包括第一数字微阵列反射镜(6-1)、第二数字微阵列反射镜(6-2)和第三数字微阵列反射镜(6-3)；脉冲光源单元包括脉冲光源(12)、聚焦透镜(13)、光源扩束透镜(14)、第一光源反射镜(15-1 )、第二光源反射镜(15-2)和第三光源反射镜(15-3);同步时间测量单元包括同步时钟信号(16)、触发延迟器(17)和脉宽调制器(18)；通过第一成像透镜(4-1)成像后，经过光扩束准直透镜(5)将多目标图像映射到第一数字微阵列反射镜(6-1)表面，通过控制第一数字微阵列反射镜(6-1)将非目标物体的背景光反射出后续光学系统；使背景杂散光反射到收光器(7);控制第一数字微阵列反射镜(6-1)将多目标物体光场反射到第二数字微阵列反射镜(6-2)，经其对图像进行编码孔径编码后，入射到第三数字微阵列反射镜(6-3)，对编码图像进行随机光学调制后，通过第二成像透镜(4-2)成像后，再通过汇聚透镜(8)汇聚后入射到光电探测器(9)，经压缩算法模块(10)重构多目标编码图像，再经过解码与稀疏线性算法模块(11)，对编码图像解码后形成低分辨图像，再通过该模块对所有探测器获得的多个低分辨率图像的每个像素灰度值列出稀疏线性方程组，求解最小二乘解即可获得多目标物体的超分辨率图像；通过同步时钟信号(17)为脉冲光源(12)提供同步脉冲信号，然后通过触发延迟器(17)和脉宽调制器(18)为光电探测器(9)提供同步门控信号，触发延迟器(17)延迟的时间数据作为多目标超分辨率图像的时间码信号，最后形成超分辨率三维图像。进一步的，所述望远镜单元包括凹面反射镜(I)、凸面反射镜(2)和反射镜(3);其中所述望远镜单元为伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿望远镜、卡塞格林望远镜；所述望远镜单元结构为反射式、折射式或折返式望远镜；所述望远镜单元在光谱范围包括紫外、可见光、红外波段望远镜。进一步的，所述第一成像透镜(4-1)用于对望远镜入射光进行成像，第二成像透镜(4-2)用于对编码图像随机空间光调制后成像。进一步的，所述第一数字微阵列反射镜(6-1)将多目标图像中的非目标的背景光和杂散光反射到收光器(7)，将有效多目标图像反射到第二数字微阵列反射镜(6-2)上；所述第二数字微阵列反射镜(6-2)将多目标图像进行Hadamard编码，或快速Hadamard变换算法对图像进行编码；其中Hadamard编码采用H矩阵或S矩阵,所述S矩阵采用N阶循环S矩阵，基于m序列构造的循环S矩阵；其中N阶循环S矩阵的阶数可以是7、11、15、19、23、27等数值，阶数越高分辨率越高；所述数字微阵列反射镜单元还包括液晶空间光调制器；所述第三数字微阵列反射镜(6-3)用于将多目标编码图像进行随机空间光调制后，通过第二成像透镜(4-2)对随机调制后的编码图像成像，然后输入到汇聚透镜(8)。进一步的，所述汇聚透镜单元由汇聚透镜(8)将第三数字微阵列反射透镜(6-3)随机光调制后的图像汇聚到一点，然后入射到对应的光电探测器(9)，通过汇聚透镜(8)实现高通量成像，应用于弱光、超弱光和单光子成像；所述光电探测单元由光电探测器组(9)接收对应汇聚透镜(8)汇聚后的光信号，然后输入到对应压缩算法模块(10)，其中所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统，其特征在于，所述系统包括：望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、压缩算法模块、解码与稀疏线性算法模块、脉冲光源单元和同步时间测量单元组成；所述望远镜单元包括凹面反射镜（1）、凸面反射镜（2）和反射镜（3）；所述成像透镜单元包括第一成像透镜（4‑1）、第二成像透镜（4‑2）；所述数字微阵列反射镜单元包括第一数字微阵列反射镜（6‑1）、第二数字微阵列反射镜（6‑2）和第三数字微阵列反射镜（6‑3）；脉冲光源单元包括脉冲光源（12）、聚焦透镜（13）、光源扩束透镜（14）、第一光源反射镜（15‑1）、第二光源反射镜（15‑2）和第三光源反射镜（15‑3）；同步时间测量单元包括同步时钟信号（16）、触发延迟器（17）和脉宽调制器（18）；通过第一成像透镜（4‑1）成像后，经过光扩束准直透镜（5）将多目标图像映射到第一数字微阵列反射镜（6‑1）表面，通过控制第一数字微阵列反射镜（6‑1）将非目标物体的背景光反射出后续光学系统；使背景杂散光反射到收光器（7）；控制第一数字微阵列反射镜（6‑1）将多目标物体光场反射到第二数字微阵列反射镜（6‑2），经其对图像进行编码孔径编码后，入射到第三数字微阵列反射镜（6‑3），对编码图像进行随机光学调制后，通过第二成像透镜（4‑2）成像后，再通过汇聚透镜（8）汇聚后入射到光电探测器（9），经压缩算法模块（10）重构多目标编码图像，再经过解码与稀疏线性算法模块（11），对编码图像解码后形成低分辨图像，再通过该模块对所有探测器获得的多个低分辨率图像的每个像素灰度值列出稀疏线性方程组，求解最小二乘解即可获得多目标物体的超分辨率图像；通过同步时钟信号（17）为脉冲光源（12）提供同步脉冲信号，然后通过触发延迟器（17）和脉宽调制器（18）为光电探测器（9）提供同步门控信号，触发延迟器（17）延迟的时间数据作为多目标超分辨率图像的时间码信号，最后形成超分辨率三维图像。...

【技术特征摘要】
1.一种编码模板多目标超分辨率时间飞行成像系统，其特征在于，所述系统包括:望远镜单元、成像透镜单元、光扩束准直单元、数字微阵列反射镜单元、汇聚透镜单元、光电探测器单元、压缩算法模块、解码与稀疏线性算法模块、脉冲光源单元和同步时间测量单元组成； 所述望远镜单元包括凹面反射镜(I )、凸面反射镜(2)和反射镜(3); 所述成像透镜单元包括第一成像透镜(4-1)、第二成像透镜(4-2 ); 所述数字微阵列反射镜单元包括第一数字微阵列反射镜(6-1)、第二数字微阵列反射镜(6-2)和第三数字微阵列反射镜(6-3)； 脉冲光源单元包括脉冲光源(12)、聚焦透镜(13)、光源扩束透镜(14)、第一光源反射镜(15-1 )、第二光源反射镜(15-2)和第三光源反射镜(15-3); 同步时间 测量单元包括同步时钟信号(16)、触发延迟器(17)和脉宽调制器(18)； 通过第一成像透镜(4-1)成像后，经过光扩束准直透镜(5)将多目标图像映射到第一数字微阵列反射镜(6-1)表面，通过控制第一数字微阵列反射镜(6-1)将非目标物体的背景光反射出后续光学系统；使背景杂散光反射到收光器(7);控制第一数字微阵列反射镜(6-1)将多目标物体光场反射到第二数字微阵列反射镜(6-2)，经其对图像进行编码孔径编码后，入射到第三数字微阵列反射镜(6-3)，对编码图像进行随机光学调制后，通过第二成像透镜(4-2)成像后，再通过汇聚透镜(8)汇聚后入射到光电探测器(9)，经压缩算法模块(10 )重构多目标编码图像，再经过解码与稀疏线性算法模块(11 )，对编码图像解码后形成低分辨图像，再通过该模块对所有探测器获得的多个低分辨率图像的每个像素灰度值列出稀疏线性方程组，求解最小二乘解即可获得多目标物体的超分辨率图像；通过同步时钟信号(17)为脉冲光源(12)提供同步脉冲信号，然后通过触发延迟器(17)和脉宽调制器(18)为光电探测器(9)提供同步门控信号，触发延迟器(17)延迟的时间数据作为多目标超分辨率图像的时间码信号，最后形成超分辨率三维图像。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述望远镜单元具体为伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿望远镜、卡塞格林望远镜；所述望远镜单元结构为反射式、折射式或折返式望远镜；所述望远镜单元在光谱范围包括紫外、可见光、红外波段望远镜。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一成像透镜(4-1)用于对望远镜入射光进行成像，第二成像透镜(4-2)用于对编码图像随机空间光调制后成像。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一数字微阵列反射镜(6-1)将多目标图像中的非目标的背景光和杂散光反射到收光器(7)，将有效多目标图像反射到第二数字微阵列反射镜(6-2)上； 所述第二数字微阵列反射镜(6-2)将多目标图像进行Hadamard编码，或快速Hadamard变换算法对图像进行编码；其中Hadamard编码采用H矩阵或S矩阵，所述S矩阵采用N阶循环S矩阵，基于m序列构造的循环S矩阵；其中N阶循环S矩阵的阶数可以是7、11、15、19、23、27等数值，阶数越高分辨率越高；所述数字微阵列反射镜单元还包括液晶空间光调制器； 所述第三数字微阵列反射镜(6-3)用于将多目标编码图像进行随机空间光调制后，通过第二成像透镜(4-2)对随机调制后的编码图像成像，然后输入到汇聚透镜(8)。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述汇聚透镜单元由汇聚透镜(8)将第三数字微阵列反射透镜(6-3)随机光调制后的图像汇聚到一点，然后入射到对应的光电探测器(9)，通过汇聚透镜(8)实现高通量成像，应用于弱光、超弱...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈希浩，孙志斌，孟少英，吴炜，张静，付强，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21