基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统技术方案

本专利公开了一种基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统，前置红外镜头将红外场景成像于掩膜板组上，二维电动位移平台控制掩膜板组的相对运动，从而实现调制模式的切换，后置红外镜头将掩膜板组分块精确对应于焦平面探测器，最后由计算机的数据采集卡进行数据采集。针对不同的掩膜板组结构，本专利还公开了两种红外并行压缩成像方法。本专利能以小规模红外焦平面探测器获得高分辨率图像，同时显著提高感兴趣区域的分辨率，有效减少压缩成像系统采样时间、系统占用空间以及掩模板制作成本。

Infrared parallel compression imaging system based on mask modulation

An infrared parallel compression imaging system based on the mask modulation is disclosed in this patent. The infrared scene is imaging the infrared scene on the mask group. The two-dimensional electric displacement platform controls the relative motion of the mask group, thus realizing the switching of the modulation mode. The rear infrared lens makes the mask plate component exactly corresponding to Yu Jiaoping. The surface detector is finally collected by the data acquisition card of the computer. In view of the different mask structure, the patent also discloses two kinds of infrared parallel compression imaging methods. The patent can obtain high resolution images with small scale infrared focal plane detectors, and improve the resolution of the region of interest significantly. It can effectively reduce the sampling time of the compression imaging system, the occupancy of the system and the cost of mask production.

【技术实现步骤摘要】
基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统
本专利属于红外成像领域，具体涉及一种采用掩膜板组进行调制的红外并行压缩成像系统。
技术介绍
红外成像技术在预警、视频监控、灾情监测等领域都具有重要的作用。由于红外探测器价格远高于可见光探测器，因而若采用大面阵红外探测器提高成像系统分辨率，不仅价格昂贵，而且会带来光电串扰、散粒噪声等影响。压缩感知(compressivesensing,CS)理论指出：只要信号X∈RN×1在某个正交变换基Ψ上是稀疏的，就可以采用一个与变换基Ψ不相关的M×N维的观测矩阵Φ将高维信号X投影到一个低维信号Y，即Y＝ΦΘ，其中Φ∈RM×N,Θ是原始信号X在正交变换基Ψ上的稀疏表示形式。最后可以通过求解一个优化问题，用远少于奈奎斯特采样率要求的样本实现信号的精确恢复或近似逼近。而获得测量值的过程实际上就是使用观测矩阵ΦM×N的M个行向量对稀疏系数向量进行投影，即计算Θ与各个观测向量之间的内积，得到M个观测值组成测量值向量Y＝(y1,y2,…,yM),即Y＝ΦΘ＝ΦΨTX.由于M＜＜N,即方程的个数远远小于未知数的个数，因而信号重构是一个欠定问题，无法给出确定的解。通常将该问题转化为一个L1优化问题(要求Φ和Ψ不相关)：min‖ΨTX‖1s.t.ΦΨTX＝Y常用算法有匹配追踪算法、正交匹配追踪算法、树形匹配追踪算法、分段正交匹配追踪算法、最小全变差法、梯度投影方法、迭代阈值法以及链式追踪算法等。莱斯大学基于上述理论提出了单像素相机结构。其通过数字微镜器件(DigitalMicro-mirrorDevice，DMD)上的微镜翻转实现空间相位调制，并由一个单像素探测器采集足够多的测量值，最后通过求解一个优化问题获得原始图像。此时重建图像的分辨率取决于DMD分辨率，且测量率(测量次数与像素总数的比值)为25％就能获得较好的图像重建效果。但是单像素相机仍面临采样时间长的问题：当测量率一定时，DMD分辨率越高所需的测量次数就越多。而且需要将相机始终对准感兴趣目标直到获取重构所需的足够多的样本。在采样过程中还需要目标尽量保持不变。此外目前商用DMD只限于紫外(363～420nm)、可见光(400～700nm)以及短波红外(700～2500nm)波段。因而在其他波段通常采用其他空间光调制器，例如掩膜板。为了获得足够多的测量值，需要进行多次测量模式切换，这可能导致基于掩膜板的压缩感知成像系统面临占用空间大、掩膜板制作成本高等问题。
技术实现思路
为了缩短压缩成像系统采样时间，减少系统占用空间及掩模板制作成本，本专利提出一种采用掩膜板组进行调制的红外并行压缩成像系统，能够以小规模红外焦平面探测器获得高分辨率图像，同时显著提高感兴趣区域的分辨率。为了达到上述目的，本专利采用如下技术方案：本专利所述的红外并行压缩成像系统，包括前置红外镜头1、掩膜板组2、二维电动位移平台3、后置红外镜头4、红外焦平面探测器5和计算机6；所述掩膜板组2位于前置红外镜头1的像面上，且被固定在二维电动位移平台3上；所述红外焦平面探测器5位于后置红外镜头4的像面上，且探测器单元分块对应于掩膜板组2上的独立分块区域；所述计算机6与二维电动位移平台3以及红外焦平面探测器5相连。本专利所述前置红外镜头1的工作波段为8μm～14μm，焦距为50mm，F数为1.8.本专利所述的掩膜板组2由水平以及竖直金属掩膜板组成，且掩膜板的最小单元均为正方形。每块掩膜板均构成一个0、1二值矩阵，其中1对应透光部分，0对应不透光部分。根据最小单元是否相同，所述掩膜板组可以分为以下两种情况：(a)水平掩膜板最小单元边长为竖直掩膜板最小单元边长的k(k＝2,3,…,20)倍，这里水平掩膜板最小单元边长为10μm，竖直掩膜板最小单元边长为5μm，且水平掩膜板尺寸为30mm×40mm,竖直掩膜板尺寸为40mm×5mm；(b)水平掩膜板与竖直掩膜板的最小单元相同，且两种掩膜板通过叠加互补构成正方形单元更大的掩膜板：这里水平掩膜板和竖直掩膜板的最小单元边长均为5μm，且水平掩膜板尺寸为30mm×40mm，竖直掩膜板由一系列尺寸为40mm×4mm的竖直掩膜板组成，且这些竖直掩膜板彼此紧挨着排列，两种掩膜板总的叠加区域为水平掩膜板区域大小。本专利所述二维电动位移平台3由计算机编程控制，其在水平方向和竖直方向上的定位精度均高于0.005mm.本专利所述后置红外镜头4的工作波段为8μm～14μm，焦距为16mm，F数为1.4，且其最小物距为0.1m.本专利所述红外焦平面探测器5的分辨率为1024×1280，并且可以通过像素合并的方式增加红外焦平面探测器单元大小。本专利所述计算机6为一台装有二维电动位移平台驱动以及焦平面探测器驱动的台式机，并且配有数据采集卡。根据采用的掩膜板组结构，本专利所述红外并行压缩成像方法可以分为以下两类：(a)水平掩膜板最小单元边长为竖直掩膜板最小单元边长的k(k＝2,3,…,20)倍，此时成像方法步骤如下：步骤1：入射光经过前置红外镜头1在掩膜板组2上成像；步骤2：透过掩膜板组2的光线经过后置红外镜头4在红外焦平面探测器5上成像；步骤3：计算机6控制红外焦平面探测器5进行数据采集，并将测量数据上传至计算机数据采集卡；步骤4：若竖直掩膜板正好覆盖感兴趣区域则直接执行步骤5，否则计算机6控制二维电动位移平台3，将竖直掩膜板以水平移动或者连续翻转180°的方式移动到新的感兴趣区域；步骤5：若水平掩膜板已经移动到尽头则直接执行步骤6，否则计算机6控制二维电动位移平台3，使得水平掩膜板沿水平方向移动，竖直掩膜板保持不动，重复步骤2～5，直到采集到足够多的测量数据；步骤6：若采集的测量数据不够，则计算机6控制二维电动位移平台3，使得竖直掩膜板沿竖直方向移动，水平掩膜板保持不动，重复步骤2～6，直到采集到足够多的测量数据；步骤7：在计算机6上采用常用信号重构算法(例如正交匹配追踪算法、最小全变差法、梯度投影方法、链式追踪算法等)对原始图像进行重建。(b)水平掩膜板与竖直掩膜板的最小单元相同，且两种掩膜板通过叠加互补构成正方形单元更大的掩膜板，此时成像方法步骤如下：步骤1：入射光经过前置红外镜头1在掩膜板组2上成像；步骤2：透过掩膜板组2的光线经过后置红外镜头4在红外焦平面探测器5上成像；步骤3：计算机6控制红外焦平面探测器5进行数据采集，并将测量数据上传至计算机数据采集卡；步骤4：若错开的竖直掩膜板正好覆盖感兴趣区域则直接执行步骤5，否则计算机6控制二维电动位移平台3运动，使得感兴趣区域的所有竖直掩膜板与水平掩膜板相互错开以提高感兴趣区域的分辨率，其他区域掩膜板保持初始相对位置；步骤5：若水平掩膜板已经移动到尽头则直接执行步骤6，否则计算机6控制二维电动位移平台3，使得所有掩膜板均沿水平方向进行同步移动，重复步骤2～5，直到采集到足够多的测量数据；步骤6：若采集的测量数据不够，则计算机6控制二维电动位移平台3，使得感兴趣区域竖直掩膜板沿竖直方向移动，其他掩膜板保持不动，重复步骤2～6，直到采集到足够多的测量数据；步骤7：在计算机6上采用常用信号重构算法(例如正交匹配追踪算法、最小全变差法、梯度投影方法、链式追踪算法等)对原始图像进行重建。本专利的有益效果是：一、将掩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统，包括前置红外镜头(1)、掩膜板组(2)、二维电动位移平台(3)、后置红外镜头(4)、红外焦平面探测器(5)和计算机(6)；采用掩膜板组进行空间调制，其特征是：所述掩膜板组(2)位于前置红外镜头(1)的像面上，且被固定在二维电动位移平台(3)上；所述红外焦平面探测器(5)位于后置红外镜头(4)的像面上，且探测器单元分块对应于掩膜板组(2)上的独立分块区域；所述计算机(6)与二维电动位移平台(3)以及红外焦平面探测器(5)相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统，包括前置红外镜头(1)、掩膜板组(2)、二维电动位移平台(3)、后置红外镜头(4)、红外焦平面探测器(5)和计算机(6)；采用掩膜板组进行空间调制，其特征是：所述掩膜板组(2)位于前置红外镜头(1)的像面上，且被固定在二维电动位移平台(3)上；所述红外焦平面探测器(5)位于后置红外镜头(4)的像面上，且探测器单元分块对应于掩膜板组(2)上的独立分块区域；所述计算机(6)与二维电动位移平台(3)以及红外焦平面探测器(5)相连。2.根据权利要求1所述的一种基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统，其特征是，所述前置红外镜头(1)的工作波段为8μm～14μm，焦距为50mm，F数为1.8。3.根据权利要求1所述的一种基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统，其特征是，所述的掩膜板组(2)由水平以及竖直金属掩膜板组成，且掩膜板的最小单元均为正方形；每块掩膜板均构成一个0、1二值矩阵，其中1对应透光部分，0对应不透光部分；根据最小单元是否相同可以分为以下两种情况：(a)水平掩膜板最小单元边长为竖直掩膜板最小单元边长的k(k＝2,3,…,20)倍，这里水平掩膜板最小单元边长为10μm，竖直掩膜板最小单元边长为5μm，且水平掩膜板尺寸为30mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏敏，孙胜利，杨林，曾谨，刘高睿，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：上海,31