[发明专利]一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法

说明书

本发明提供一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法，该方法为后续研究工作提供参考，同时能有效减少开发周期及成本。该方法包括以下步骤：步骤一、采集测试图像和训练过完备字典；步骤二、确定像元编码曝光模型的分辨率；步骤三、确定像元编码曝光模型S的大小；步骤四、生成像元编码曝光模型S；步骤五、在测试图像中提取N帧连续运动的子图；步骤六、计算编码曝光图像I并叠加噪声；步骤七、逐块求解稀疏系数步骤八、计算恢复图像步骤九、得到恢复图像本发明方法能在不增加光学系统尺寸和成本的情况下，实现对弱光环境下运动目标的高质量成像，在部分尺寸受限的生物医学应用和工业应用中有很好的实用价值。

技术领域

本发明涉及基于铟镓砷(Indium Gallium Arsenide,InGaAs)短波红外探测器的成像系统和基于压缩感知的图像处理技术，具体涉及一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法。

背景技术

基于InGaAs短波(响应波段为0.9um～1.7um)红外探测器的相机在安防、工业、生物医学方面有着广泛的应用。在一些生物医学荧光成像和工业应用中，需要在弱光照条件下用短波红外相机捕获高速运动目标。由于目标能量较弱且运动快，低帧频(长积分时间)可以提高信噪比，同时也会引起严重的像移(运动模糊)；高帧频(短积分时间)可以有效解决像移问题，却无法获得所需的信噪比和动态范围，只能通过增加光学系统的尺寸获取更高的入射能量。在一些尺寸受限的应用中，折中选择很难达到满意的效果。

类似的问题同样存在于部分可见光成像应用中。一些厂商和研究团队结合压缩感知(Compressive Sensing)技术，提出像元编码曝光技术。通过在探测器前加数字微镜器件(Digital Micromirror Devices，DMD)或者在每个像元读出电路中增加静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)，在一帧曝光时间内，控制每个像元的积分状态，采用随机欠采样的方式将一帧图像分为N个子帧，再通过预先训练的过完备字典恢复信号，得到像移小、动态范围大的N帧连续输出图像。采用DMD会明显增加光学系统的尺寸(需要匹配微镜阵列和探测器像元)，而且DMD的低透光率不适合在弱光条件下使用。通过每个像元增加SRAM的方式实现像元编码曝光已经在可见光CMOS传感器上得到了应用，但这种技术尚未在短波红外探测器上实现。基于SRAM的像元编码曝光是一项复杂的研究，涉及到读出电路设计和流片，时间、资金成本高昂，因此有必要在开展研究之前对像元编码曝光技术在短波红外探测器上的效果进行仿真验证，为后续研究工作的开展提供有效的参考。

发明内容

本发明的目的是解决现有基于SRAM的像元编码曝光探测器成本高以及开发周期长的问题，提供一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法。

为实现以上发明目的，本发明所采用的技术方法如下：

一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、采集测试图像和训练过完备字典；

1.1)用短波红外相机在弱光条件下拍摄一张静止的场景，定义为测试图像I_test；

1.2)采集多张不同场景、不同光照、不同运动方向的短波红外图像作为训练样本；

1.3)利用步骤1.2)采集的训练样本训练过完备字典D；

步骤二、确定像元编码曝光模型的分辨率；

像元编码曝光模型S为随机测量矩阵，每个独立像元开始积分的时间是随机的，采用线性反馈移位寄存器实现随机序列，n位线性反馈移位寄存器实现的最大非全零序列数为2ⁿ-1，则像元编码曝光模型S的分辨率为(2ⁿ-1)×(2ⁿ-1)；

步骤三、确定像元编码曝光模型S的大小；