一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及光学综合孔径成像领域，特别涉及一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统及方法。包括光学综合孔径子系统、混沌压缩编码子系统和探测成像子系统，光学综合孔径子系统负责接收目标辐射光波，混沌压缩编码子系统对目标辐射光波进行混沌相位调制和随机采样，调制采样后的光波最终被探测成像子系统探测并输入到计算机中进行高分辨率图像重构和显示。本发明专利技术可用于机载和星载或其他载体平台，实现对地侦察、监视、遥感和监测等各种应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统及方法
本专利技术涉及光学综合孔径成像领域，特别涉及一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统及方法，属于被动辐射探测、遥感和侦察领域。
技术介绍
随着航天遥感技术的不断发展，高分辨率光学遥感器已成为各国争先研制的目标，以满足军事侦查详查等需要。而根据角分辨率公式：（为中心波长,为孔径直径），当波长一定时，分辨率越高，要求空间光学系统的口径越大，但在实际应用中口径的增大受到材料、制造工艺、机械结构、有效载荷舱体积以及成本等诸多因素的限制。光学综合孔径成像系统采用易制造的小口径光学元件或光学系统来合成大口径系统,是实现超大口径、甚高分辨率空间光学遥感器的有效途径和发展方向之一。压缩感知（CompressedSensing，CS）理论是一种利用信号稀疏性或可压缩性的全新的信号采样理论。该理论指出，对于稀疏或可压缩信号，可以以低于甚至远低于奈奎斯特采样速率对其采样而不损失信号的细节。从应用角度考虑来看，CS理论将图像获取端的成本转移到了后端图像重构端，即以软件效率换取硬件成本。将CS理论引入光学综合孔径遥感成像系统中，能够用比香农/奈奎斯特采样定理少得多的采样数据完全重构出信号，因此，可以减少采样时间，减少信号处理时间，降低计算成本，降低数据存储和传输代价，提高成像速度；同时，降低对后端光电探测器的分辨率要求，从而降低成本。CS理论的光学实现方法有两种，一种是顺序处理，如美国Rice大学Baraniuk等人研制出的单像素相机（参见《Singlepixelimagingviacompressivesampling.IEEESignalProcessingMagazine,2008,25(2):83~91》），该系统采用数字微镜器件DMD对成像目标进行编码，但是需要连续采样投影M次才能获得重构图像所需的全部测量值，成像时间长，不适于遥感应用。另一种是并行处理，如基于编码孔径的压缩成像（参见《Compressivecodedaperturesuperresolutionimagereconstruction.IEEEInternationalConferenceonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,2008,833~836》），基于随机卷积编码的压缩成像（参见《CMOScompressedsensingbyrandomconvolution.IEEEInternationalConferenceonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,2009,19~24》）,并行处理的方法采用编码的方式实现图像的压缩采样，只需一次即可得到全部测量值,更适于对动目标进行快速成像。现有专利（一种基于压缩感知的稀疏孔径成像系统及方法，201310329810.7）将压缩感知理论应用于稀疏孔径成像系统中，采用空间光调制器对光场做随机调制后会聚到点探测器，多次映射获得全部测量值，属于顺序处理。目前基于压缩感知并行处理的光学综合孔径成像系统尚未有文献报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：如何实现快速、低成本的光学综合孔径成像系统中的压缩成像本专利技术所采用的技术方案是：一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统，包括光学综合孔径子系统、混沌压缩编码子系统和探测成像子系统，光学综合孔径子系统负责接收目标辐射光波，混沌压缩编码子系统对目标辐射光波进行混沌相位调制和随机采样，调制采样后的光波最终被探测成像子系统探测并输入到计算机中进行高分辨率图像重构和显示。多个小口径望远镜组成的望远镜阵列接收目标辐射的光波，光束变换单元调整光路使光波会聚在光束合成透镜上，用于实现光学综合孔径的直接成像，光束合成透镜焦平面上放置空间光调制器，空间调制器根据混沌相位编码调制矩阵对光场做混沌相位调制，调制后的光线经过一个傅里叶变换透镜后，再通过混沌稀疏采样掩膜板进行光线的随机采样，最终在光电探测器上记录出射光场。将光电探测器采集到的光场强度信号与构造混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样矩阵的参数送入计算机进行高分辨率图像重构和显示。本专利技术提供的基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统包括光学综合孔径子系统、混沌压缩编码子系统和探测成像子系统；各所述子系统工作如下：光学综合孔径子系统负责接收目标辐射光波，混沌压缩编码子系统对目标辐射光波进行混沌相位调制和随机采样，调制采样后的光波最终被探测成像子系统探测并输入到计算机中进行高分辨率图像重构和显示。所述光学综合孔径子系统由望远镜阵列、光束变换单元、光束合成透镜组成；望远镜阵列接收携带目标信息的辐射光波，每个子望远镜的主镜和次镜共焦，使出射光波为平行光，各平行光波经过光束变换单元后分别与原光束平行，构成与原光束等比列缩小的平行光束，最后会聚到光束合成透镜上。所述望远镜阵列包括至少三个望远镜；所述光束变换单元包括至少三个反射镜组，每个反射镜组包含四个全反镜；一子望远镜，一反射镜组构成一条光路，各条光路上入射的光信号分别入射到所述光束合成透镜上。所述混沌压缩编码子系统由空间光调制器、傅里叶变换透镜和混沌稀疏采样掩膜板组成；空间光调制器根据混沌相位编码调制矩阵对光束合成透镜焦平面的入射光场做混沌相位调制，调制后的光线经过傅里叶变换透镜后，照射到混沌稀疏采样掩膜板，获得经过随机采样的透射光场。所述探测成像子系统由光电探测器和计算机组成；光电探测器记录混沌压缩编码子系统的出射光场，将光电探测器采集到的光场强度信号与构造混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样矩阵的参数送入计算机进行高分辨率图像重构和显示。所述光学综合孔径子系统中所述望远镜阵列结构包括：Golay结构、三臂结构、环形结构、环面结构；所述子望远镜结构包括：折射式望远镜、反射式望远镜；所述空间光调制器采用透射型数字微透镜阵列或透射型液晶光阀中的任意一种；其分辨率由期望的高分辨率图像的分辨率决定，若高分辨率图像的分辨率为n×n，则所述空间光调制器的分辨率为n×n。所述空间光调制器加载的混沌相位编码调制矩阵按如下方式产生：1）设所述空间光调制器（4）的分辨率为n×n，构造1×N维（N=n×n）混沌序列，为混沌序列h的元素。混沌序列h可以采用如下任意一种：Logistic混沌序列、Tent混沌序列；2）利用混沌序列h按如下方式构造n×n维矩阵T：其中，矩阵中的各元素取自混沌序列h中的元素；3）构造n×n维混沌相位编码调制矩阵G，该矩阵的元素为，其中j为虚数单位，表示矩阵T第k行第l列的元素，，方括号[]表示取整。矩阵G的元素为1或0，分别对应于空间光调制器独立单元的开和闭。所述混沌稀疏采样掩膜板对应的矩阵如下设计：由期望的高分辨率图像的分辨率确定掩膜板的大小，若高分辨率图像的分辨率为n×n，则混沌稀疏采样掩膜板对应的矩阵H为n×n维；构造1×N维（N=n×n）混沌序列，为混沌序列h的元素。混沌序列h可以采用如下任意一种：Logistic混沌序列、Tent混沌序列；将1×N维混沌序列h变换成n×n维混沌矩阵H0，则按如下方式构造混沌稀疏采样掩膜板对应的n×n维混沌稀疏采样矩阵H，该矩阵的元素为1或0，对应于掩膜板相应位置的透光和不透光。其中，sgn（）表述符号函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统，其特征在于，包括光学综合孔径子系统、混沌压缩编码子系统和探测成像子系统，光学综合孔径子系统负责接收目标辐射光波，混沌压缩编码子系统对目标辐射光波进行混沌相位调制和随机采样，调制采样后的光波最终被探测成像子系统探测并输入到计算机中进行高分辨率图像重构和显示。

【技术特征摘要】
1.一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统，其特征在于，包括光学综合孔径子系统、混沌压缩编码子系统和探测成像子系统，光学综合孔径子系统负责接收目标辐射光波，混沌压缩编码子系统对目标辐射光波进行混沌相位调制和随机采样，调制采样后的光波最终被探测成像子系统探测并输入到计算机中进行高分辨率图像重构和显示，光学综合孔径子系统包括望远镜阵列、光束变换单元、光束合成透镜，望远镜阵列接收携带目标信息的辐射光波，望远镜阵列包括至少三个子望远镜，光束变换单元包括至少三个反射镜组，每个反射镜组包含四个全反镜，望远镜阵列的每个子望远镜的主镜和次镜共焦，使出射光波为平行光，各平行光波经过光束变换单元后分别与原光束平行，构成与原光束等比列缩小的平行光束，入射到光束合成透镜上，混沌压缩编码子系统包括空间光调制器、傅里叶变换透镜和混沌稀疏采样掩膜板，空间光调制器根据混沌相位编码调制矩阵对光束合成透镜焦平面的入射光场做混沌相位调制，调制后的光线经过傅里叶变换透镜后，照射到混沌稀疏采样掩膜板，获得经过随机采样的透射光场。2.根据权利要求1所述一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统，其特征在于：探测成像子系统包括光电探测器和计算机，光电探测器记录混沌压缩编码子系统的透射光场，将光电探测器采集到的光场强度信号与构造混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样矩阵的参数送入计算机进行高分辨率图像重构和显示。3.根据权利要求2所述一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统，其特征在于：空间光调制器加载的混沌相位编码调制矩阵按如下方式产生：空间光调制器的分辨率为n×n，构造1×N维（N=n×n）混沌序列，为混沌序列h的元素，混沌序列h可以采用Logistic混沌序列、Tent混沌序列任意一种；利用混沌序列h按如下方式构造n×n维矩阵T：其中，矩阵中的各元素取自混沌序列h中的元素；构造n×n维混沌相位编码调制矩阵G，该矩阵的元素为，其中j为虚数单位，表示矩阵T第k行第l列的元素，，方括号[]表示取整，矩阵G的元素为1或0，分别对应于空间光调制器独立单元的开和闭；其中n、N、i、k、l为自然数。4.根据权利要求3所述一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统，其特征在于：所述混沌稀疏采样掩膜板对应的矩阵如下设计：由期望的高分辨率图像的分辨率确定掩膜板的大小，若高分辨率图像的分辨率为n×n，则混沌稀疏采样掩膜板对应的矩阵H为n×n维；构造1×N维（N=n×n）混沌序列，为混沌序列h的元素，混沌序列h可以采用如下任意一种：Logistic混沌序列、Tent混沌序列；将1×N维混沌序列h变换成n×n维混沌矩阵H0...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丽，张建国，李静霞，王冰洁，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14