[发明专利]编码模板多目标超分辨率成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及超分辨率成像领域，特别涉及一种基于压缩感知的编码模板多目标超分辨率成像系统及方法。

背景技术

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；B.Logan最早提出基于L1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L1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。

发明内容

本发明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编码模板多目标超分辨率成像系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种编码模板多目标超分辨率成像系统，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、光电探测器、压缩算法模块、解码与稀疏线性算法模块组成；其中，

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)组成；

成像透镜单元包括第一成像透镜(4-1)和第二成像透镜(4-2)；

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)；