一种单光子压缩视频的传输装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及微弱光通信领域，特别涉及一种单光子压缩视频的传输装置，包括发送端和接收端，所述发送端和接收端通过光纤进行通信，所述发送端包括成像镜头、成像透镜、压缩调制器、DMD控制器、第一聚焦透镜，光照射在待传输物体上，依次经成像镜头、成像透镜实时成像在DMD上；所述接收端包括第二聚焦透镜、PMT单光子探测器、压缩解调器和计算机，所述光纤传输的光信号通过第二聚焦透镜收集进所述PMT单光子探测器。本发明专利技术基于单光子探测技术，探测器工作在光子技术模式，通过对探测器输出的单光子脉冲数来解调信息，具有很高的探测灵敏度，从而可以以较低的功耗来实现远距离的通信。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子压缩视频的传输装置及方法
本专利技术涉及微弱光视频通信领域，特别涉及微弱光通信领域中一种单光子压缩视频的传输装置及方法。
技术介绍
单光子成像是通过对单个光子进行探测和计数，实现极微弱光成像的方法，已被广泛应用于生物医学成像、夜视、激光雷达和天文光谱等领域。为了实现高灵敏度探测成像，已经开发了增强型CCD(ICCD)，电子倍增CCD(EM-CCD)，APD阵列等几种具有空间分辨的探测器。在光子计数模式下工作的ICCD和EM-CCD需要非常高的帧率和非常低的电路噪声，所以需要深度制冷和非常高的成本。由于制造困难和性能不稳定，目前APD阵列的分辨率仍然较低。另一种高分辨率成像方法是利用点探测器，如工作在盖格模式下的雪崩光电二极管(APD),单光子灵敏光电倍增管(PMT)，或小APD阵列进行扫描成像，但由于光子收集效率低，成像时间非常长。基于压缩感知(CS)理论的单像素成像为以上问题提供了一种新的解决方案。在单像素成像方案中，目标成像在数字微镜器件(DMD)上，经DMD调制后聚焦在单点探测器。利用单点探测器探测到的一系列光强值和加载到DMD中的测量矩阵可重建二维图像。由于采用了CS采样理论，可以显着减少测量次数，缩短成像时间。2012年，俞文凯等人在单像素成像的基础上，提出了探测器采用单光子探测器的单光子压缩成像方案。并从理论和实验上证明了该方案与传统的多像素成像方案相比，具有更高的灵敏度。视频时间连续的静态图像的序列，与单一的图像相比，能对客观事物进行更为形象、生动、实时的描述，因此已被广泛应用。视频传输的一般方法是在发送端采集下多幅图像后，利用软件对多幅图像进行压缩，生成视频文件数据后，然后利用经典的通信手段，如移动通信网，蓝牙，wifi或者视频线、USB线、网线等方式传输到接收端。本项目在单光子压缩成像技术的基础上，提出了一种单光子压缩视频传输的装置和方法，直接将成像在DMD上的图像进行压缩调制，并将调制之后的微弱光通过光纤传输到视频的接收端，在接收端进行单光子探测与计数，然后利用压缩感知理论进行逐帧信号重建，从而实现极微弱光条件下成像视频的传输。为了实现的视频传输，对DMD调制矩阵和单光子脉冲信号的解调做了专门的设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了实现极微弱光条件下压缩成像视频的传输，设计了一种基于单光子探测的压缩视频控制装置及其方法。为了实现本专利技术的目的，本专利技术采用的技术手段为：一种单光子压缩视频的传输装置，包括发送端和接收端，所述发送端和接收端通过光纤进行通信，所述发送端包括成像镜头、成像透镜、调制器、DMD控制器、DMD、第一聚焦透镜，所述的发送端物体成像光路上依次设置成像镜头、成像透镜和DMD，所述第一聚焦透镜设置在所述DMD的反射光路上；所述调制器与DMD控制器相连，将产生的随机测量矩阵输出至DMD控制器，所述的DMD控制器与DMD相连；所述调制器包括依次连接的DMD翻转控制信号产生器、SDRAM，矩阵加载模块、SDRAM，所述矩阵加载模块与矩阵生成模块连接，所述矩阵加载模块输出随机测量矩阵；所述接收端包括依次设置的第二聚焦透镜、单光子探测器、解调器和PC；所述解调器包括脉冲展宽模块、帧头识别模块、门控信号产生模块、门控光子计数模块、矩阵生成模块、第一USB接口通信模块和第二USB接口通信模块；所述脉冲展宽模块的输入信号为单光子探测器输出的单光子脉冲信号；所述脉冲展宽模块分别与帧头识别模块、门控光子计数模块相连，所述帧头识别模块与门控信号产生模块相连，所述门控信号产生模块与门控光子计数模块相连，所述门控光子计数模块与第一USB接口通信模块相连，第一USB接口通信模块与PC相连，所述矩阵生成模块与第二USB接口通信模块相连，所述第二USB接口通信模块与PC相连。所述帧头识别模块包括脉冲包络提取模块、方波宽度测量模块、第一阈值寄存器、第二阈值寄存器、方波宽度比较器；所述脉冲包络提取模块与方波宽度测量模块相连；方波宽度测量模块、第一阈值寄存器、第二阈值寄存器分别与方波宽度比较器相连。一种单光子压缩视频传输的方法，包括以下步骤：1)设置矩阵生成参数、采样参数，生成测量矩阵：设置发送端与接收端中矩阵生成模块的矩阵生成参数，所述矩阵生成参数包括但不限于矩阵大小P*Q，测量矩阵类型，采样次数m，采样频率f；发送端生成的测量矩阵将存储到SDRAM中；接收端生成的测量矩阵将通过第二USB接口通信模块发送到PC端；2)成像物体经成像镜头、成像透镜成像在DMD镜面上；3)对DMD镜面上的图像进行调制；3.1)检测Start信号的上升沿，检测成功则进行下一步，否则等待；3.2)调制器的DMD翻转控制信号产生器输出一组DMD翻转控制信号，所述的一组DMD翻转控制信号为等间隔脉冲信号，调制信号的频率等于预设的采样频率，脉冲个数为预设采样次数m+3；3.3)传输一帧图像的帧头调制器的矩阵加载模块在检测到一组DMD翻转控制信号的第一个脉冲上升沿时，加载全为“1”的矩阵到DMD控制器，在检测一组DMD翻转控制信号的第二个脉冲上升沿时，加载全为“0”的矩阵到DMD控制器；3.4)对DMD镜面上的图像进行m次压缩采样调制器的矩阵加载模块检测一组DMD翻转控制信号的第二个脉冲后的m个脉冲，每检测到一个脉冲的上升沿，矩阵加载模块就从SDRAM中读取一个测量矩阵到DMD控制器；3.5)传输一帧图像的帧尾调制器的矩阵加载模块在检测一组DMD翻转控制信号的最后一个脉冲上升沿时，加载全为“0”的矩阵到DMD控制器；3.6)DMD控制器在接收到矩阵后，控制DMD上微镜翻转，第一聚焦透镜106收集DMD微镜+12度方向的反射光进入光纤，经过远距离传输后到达接收端；3.7)重复上述3.2)-3.6)，连续发送图像，直到检测到stop信号上升沿；4)接收端的第二汇聚透镜将光纤输出的光经汇聚到单光子探测器，单光子探测器将光信号转化为单光子脉冲信号；5)对单光子脉冲信号进行解调5.1)单光子脉冲信号输入脉冲展宽模块进行展宽；5.2)将展宽单光子脉冲信号同时输入帧头识别模块和门控光子计数模块；5.3)帧头识别模块成功识别一帧图像的帧头后，向门控信号产生模块输出启动脉冲信号；5.4)门控信号产生模块在检测到启动脉冲信号上升沿后，向门控光子计数模块输出一组门控信号；所述的门控信号为等间隔脉冲信号，信号的频率等于预设的采样频率f，脉冲个数为预设采样次数m+1；5.5)门控光子计数模块在检测到门控信号的上升沿时；判断是否为一组门控信号的第一个同步控制脉冲，如果是，则对计数器清零，对输入门控光子计数模块的单光子脉冲展宽信号重新从0开始计数；如果不是，则将这个脉冲与前一脉冲间隔内的展宽单光子脉冲信号计数通过第二USB接口通信模块输出至PC，同时计数器清零，对输入的展宽单光子脉冲重新从0开始计数；6)PC对步骤5.5)收到的一系列单光子脉冲计数值和步骤1)收到的测量矩阵进行存储，利用压缩感知理论重建图像；7)重复步骤5)和6)，连续重建多帧图像，利用多帧图像重构出视频。所述帧头识别的步骤包括：1)脉冲包络提取模块对展宽单光子脉冲信号进行包络提取，提取方法为脉冲间隔比较小的展宽单光子脉冲信号中的脉冲合并一个方波脉冲，展宽单光子脉冲信号变为包络方波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子压缩视频的传输装置，包括发送端和接收端，所述发送端(1)和接收端(2)通过光纤(3)进行通信，其特征在于：所述发送端(1)包括成像镜头(101)、成像透镜(102)、调制器(103)、DMD控制器(104)、DMD(105)、第一聚焦透镜(106)，所述的发送端(1)物体成像光路上依次设置成像镜头(101)、成像透镜(102)和DMD(103)，所述第一聚焦透镜(106)设置在所述DMD(103)的反射光路上；所述调制器(103)与DMD控制器(104)相连，将产生的随机测量矩阵输出至DMD控制器，所述的DMD控制器与DMD相连；所述调制器(103)包括依次连接的DMD翻转控制信号产生器(1031)、SDRAM(1034)，矩阵加载模块(1032)、SDRAM(1034)，所述矩阵加载模块(1032)与矩阵生成模块(1033)连接，所述矩阵加载模块(1032)输出随机测量矩阵；所述接收端包括依次设置的第二聚焦透镜(201)、单光子探测器(202)、解调器(203)和PC(204)；所述解调器(203)包括脉冲展宽模块(2031)、帧头识别模块(2032)、门控信号产生模块(2033)、门控光子计数模块(2034)、矩阵生成模块(2035)、第一USB接口通信模块(2036)和第二USB接口通信模块(2037)；所述脉冲展宽模块(2031)的输入信号为单光子探测器(202)输出的单光子脉冲信号；所述脉冲展宽模块分别与帧头识别模块(2032)、门控光子计数模块(2034)相连，所述帧头识别模块(2032)与门控信号产生模块(2033)相连，所述门控信号产生模块(2033)与门控光子计数模块(2034)相连，所述门控光子计数模块(2034)与第一USB接口通信模块(2036)相连，第一USB接口通信模块(2036)与PC(204)相连，所述矩阵生成模块(2035)与第二USB接口通信模块(2037)相连，所述第二USB接口通信模块(2037)与PC(204)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种单光子压缩视频的传输装置，包括发送端和接收端，所述发送端(1)和接收端(2)通过光纤(3)进行通信，其特征在于：所述发送端(1)包括成像镜头(101)、成像透镜(102)、调制器(103)、DMD控制器(104)、DMD(105)、第一聚焦透镜(106)，所述的发送端(1)物体成像光路上依次设置成像镜头(101)、成像透镜(102)和DMD(103)，所述第一聚焦透镜(106)设置在所述DMD(103)的反射光路上；所述调制器(103)与DMD控制器(104)相连，将产生的随机测量矩阵输出至DMD控制器，所述的DMD控制器与DMD相连；所述调制器(103)包括依次连接的DMD翻转控制信号产生器(1031)、SDRAM(1034)，矩阵加载模块(1032)、SDRAM(1034)，所述矩阵加载模块(1032)与矩阵生成模块(1033)连接，所述矩阵加载模块(1032)输出随机测量矩阵；所述接收端包括依次设置的第二聚焦透镜(201)、单光子探测器(202)、解调器(203)和PC(204)；所述解调器(203)包括脉冲展宽模块(2031)、帧头识别模块(2032)、门控信号产生模块(2033)、门控光子计数模块(2034)、矩阵生成模块(2035)、第一USB接口通信模块(2036)和第二USB接口通信模块(2037)；所述脉冲展宽模块(2031)的输入信号为单光子探测器(202)输出的单光子脉冲信号；所述脉冲展宽模块分别与帧头识别模块(2032)、门控光子计数模块(2034)相连，所述帧头识别模块(2032)与门控信号产生模块(2033)相连，所述门控信号产生模块(2033)与门控光子计数模块(2034)相连，所述门控光子计数模块(2034)与第一USB接口通信模块(2036)相连，第一USB接口通信模块(2036)与PC(204)相连，所述矩阵生成模块(2035)与第二USB接口通信模块(2037)相连，所述第二USB接口通信模块(2037)与PC(204)相连。2.根据权利要求1所述单光子压缩视频的传输装置，其特征在于：所述帧头识别模块(2032)包括脉冲包络提取模块(20321)、方波宽度测量模块(20322)、第一阈值寄存器(20323)、第二阈值寄存器(20324)、方波宽度比较器(20325)；所述脉冲包络提取模块(20321)与方波宽度测量模块(20322)相连；方波宽度测量模块(20322)、第一阈值寄存器(20323)、第二阈值寄存器(20324)分别与方波宽度比较器(20325)相连。3.一种单光子压缩视频传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)设置矩阵生成参数、采样参数，生成测量矩阵：设置发送端(1)与接收端(2)中矩阵生成模块的矩阵生成参数，所述矩阵生成参数包括但不限于矩阵大小P*Q，测量矩阵类型，采样次数m，采样频率f；发送端(1)生成的测量矩阵将存储到SDRAM中；接收端生成的测量矩阵将通过第二USB接口通信模块(2037)发送到PC(204)端；2)成像物体经成像镜头(101)、成像透镜(102)成像在DMD(105)镜面上；3)对DMD(105)镜面上的图像进行调制；3.1)检测Start信号的上升沿，检测成功则进行下一步，否则等待；3.2)调制器(103)的DMD翻转控制信号(1031)产生器输出一组DMD翻转控制信号，所述的一组DMD翻转控制信号为等间隔脉冲信号，调制信号的频率等于预设的采样频率，...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢秋荣，廖金荣，王慧，李冰，袁成龙，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西,36