[发明专利]一种压缩感知成像装置及方法

说明书

技术领域

本发明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装置及方法。

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。

基于压缩感知的关联成像技术可以有效的克服传统关联成像技术关于探测时间、系统复杂度的问题。特别在恶劣天气或水下环境中，由于该技术仍然采用单像素探测器作为接收核心器件，其光电转换效率高，增益高，响应速度快，非常适合于弱光环境下的检测。由于光电探测器接收的不再是具有空间分辨率的信号，而是视场范围内的总光强值，不容易受到环境中的杂质干扰。另外，由于参考臂采用具有调制功能的器件代替，大幅度的降低了系统复杂度和体积度，使得系统的环境适应能力和稳定性得到了大幅度的提高。

在压缩感知过程中，光强分布的调制越精确，照射目标时的调制分布图案与原始调制图案越接近，最终重构的图像越准确。然而由于介质的PSF的作用，到达目标时的光强度分布与预设的调制图案差别巨大，如图1a-1b所示，分别为预设的调制图案和到达目标时的光强度分布图。且随着成像距离的增加，PSF的影响越大，为了能够减少环境对图像重构造成的负面影响，需要实时掌握空气/水体的PSF，对空间光调制器或调制矩阵进行重新调整，使得其到达目标时的光强度分布与预设的调制图案相同。

然而实际环境中包含的粒子情况往往十分复杂，并且随时间变化，现有的PSF的理论模型不能完整的表达实际系统所处环境的PSF参数。

发明内容

本发明提供了一种压缩感知成像装置及方法，以解决现有技术在恶劣天气条件或水中，由于PSF的影响导致的图像重构精度低，成像距离和成像质量下降的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种压缩感知成像装置，包括：载体以及位于所述载体上的PSF测量系统和成像系统：

所述PSF测量系统包括第一光源、第一光电探测单元和PSF计算单元，所述第一光电探测单元与所述PSF计算单元连接，所述第一光源发出的第一光束经过空气/水体之后进入第一光电探测单元，所述第一光束的发散角小于5mrad，所述第一光电探测单元为面阵探测器；

所述成像系统包括第二光源、空间光调制器、投射系统、第二光电探测单元和中央处理单元，所述第二光源、空间光调制器、投射系统、检测目标、第二光电探测单元、中央处理单元沿光路依次排列，所述中央处理单元分别与所述PSF计算单元和空间光调制器连接。

进一步的，所述PSF测量系统还包括第一光束整形器件，第一光束经过所述第一光束整形器件后形成能量分布均匀的圆形光斑。

进一步的，所述第一光束的主光轴与所述第一光电探测单元的探测面垂直。

进一步的，所述PSF测量系统位于所述载体的前方，所述第一光束的行进方向与所述第二光源发出的第二光束投射至所述检测目标上的行进方向相同。

进一步的，所述第一光源和第二光源为波长相同的单色光源。

进一步的，所述第二光源为宽光谱光源，所述宽光谱光源沿光路后方还设有波长选择单元，所述宽光谱光源发出的光束包括多种波段不同的单色光，所述第一光源包括与所述多种波段不同的单色光一一对应的多个波段不同的单色光源，所述波长选择单元和所述多个波段不同的单色光源均连接至所述中央处理单元，所述第一光电探测单元分别接收所述多个波段不同的单色光源发出的光线。

进一步的，所述第一光源和第二光源采用同一个由若干波段不同的单色光源组成的单色光源阵列，所述单色光源阵列沿光路后方设有分光单元，每个所述单色光源发出的光线经过所述分光单元后分别形成第一光束和第二光束。

本发明还提供一种如上所述的压缩感知成像装置的成像方法，包括以下步骤：

S1：测量第一光束在空气/水体中行进的距离r以及第二光束投射至检测目标上时在空气/水体中行进的距离R；