基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统及方法技术方案

本发明专利技术提供的一种基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统和成像方法，包括：光学单元(12)和电学单元(13)；光学单元(12)包括：第一成像镜头(1)、空间光调制器(2)、收集模块(3)、匀光模块(4)、光源(5)、抖动部件(6)、第二成像镜头(7)和分光模块(8)；电学单元(13)包括：探测器(9)、控制模块(10)和存储计算模块(11)。本发明专利技术实现了在压缩感知成像中引入随机抖动，解决了由于探测器位数不足造成的量化误差大的问题；增加了抖动次数，进一步降低了量化误差；实现基于低位数探测器的高质量成像，因此在采样时间与探测器条件有限的动态成像和单光子成像领域有广泛的应用价值。和单光子成像领域有广泛的应用价值。和单光子成像领域有广泛的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统及方法


[0001]本专利技术涉及光学领域，特别涉及一种基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统及方法。

技术介绍

[0002]近年来，压缩感知成像方法展示出巨大的应用价值。与传统的成像方法相比，压缩感知成像方法利用后处理算法对亚采样信号进行重建以获取图像，这意味着采样过程不必再遵循传统的奈奎斯特采样定理，仅需对待测信号进行远少于信号数量的探测，便可精确恢复出原始图像。另一方面，压缩感知成像系统也不再依赖于传统成像中的阵列探测器，仅需单点探测器就可以实现信号收集。基于上述优势，压缩感知成像系统及方法被广泛运用于成像光谱、单光子成像、荧光成像等方面。
[0003]然而，由于自然界中的成像目标是连续的模拟变量，而数字图像则是离散的，因此在压缩感知成像系统中，探测器必须要与模数转换器相结合，并进行一系列量化操作；这必然会导致成像过程中的失真。此外，基于压缩感知成像方法的测量具有高动态范围的特点，这也使得成像过程对探测器位数要求更高。位数较低的探测器非光滑的输入概率密度函数，通常会为成像系统带来较大的量化误差，使压缩感知成像质量降低。
[0004]在传统成像系统中，为解决量化噪声问题，有研究人员提出在量化前引入随机抖动，利用抖动的随机性打破量化输入
‑
输出间的固定关系，使输入概率密度函数趋于平滑，达到减小量化噪声的目的。但是，传统的抖动方法都是在单次测量中引入单次随机抖动，并没有一种基于多次并行随机抖动的成像方法。单次测量中引入单次随机抖动的方法抖动数据规模较大，降低量化误差的能力有限，并且对抖动幅度要求较为严格。而且，目前并没有针对压缩感知成像系统的抖动方法。
[0005]综上所述，现有压缩感知成像系统中，数位低的探测器会造成成像质量降级，而且探测器必须与数模转换器进行一系列量化操作会造成成像失真。虽然，传统成像技术中利用在单次测量中引入单次随机抖动的方法可以减小量化噪音，但是，由于抖动数据规模较大，降低量化误差的能力有限，对抖动幅度要求也较为严格。而且，目前还没有针对压缩感知成像系统的抖动方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于，克服现有压缩感知成像系统对探测器数位要求过高，而且不具备利用抖动方法减小量化噪音的缺点，和传统成像系统对抖动幅度要求严格的缺点，从而提供一种基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统及方法。本专利技术提供的压缩感知成像系统及方法可以在探测器位数受限的情况下降低量化误差，并在抖动振幅较大的情况下也能进一步降低量化误差，以提升系统成像质量。
[0007]所述一种基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统，包括：光学单元12和电学单元13，其特征在于，包括：
[0008]所述光学单元12包括：第一成像镜头1、空间光调制器2、收集模块3、匀光模块4、光源5、抖动部件6、第二成像镜头7和分光模块8；
[0009]所述电学单元13包括：探测器9、控制模块10和存储计算模块11；其中，
[0010]所述第一成像镜头1，用于将待测目标成像到空间光调制器2；
[0011]所述空间光调制器2，基于所述控制模块10产生的所述n对空间互补调制矩阵 b
i
和b
i
'，对所述待测目标的成像进行n对随机互补调制，形成n对调制后的互补光信号，其中，i∈[1,n]，b
i
＝1
‑
b
i
'；
[0012]所述收集模块3，用于在每一次随机互补调制后，汇聚收集所对应的调制后的互补光信号，并将收集的光信号传输至匀光模块；
[0013]所述匀光模块4，用于将所述收集的光信号进行匀光处理，形成n个均匀光斑和 n个对应的互补均匀光斑，并传输至所述分光模块8；
[0014]所述光源5，用于生成光信号，所述光信号为所述抖动部件6提供摄入光；
[0015]所述抖动部件6，基于所述控制模块10产生的所述k个随机灰度矩阵，产生k个随机灰度图像；并将所述k个随机灰度图像传输至所述第二成像镜头7，每个随机灰度图像在空间光调制器2的一对随机互补调制时间内，保持固定不变；
[0016]所述第二成像镜头7，用于收集所述k个随机灰度图像，并将收集的k个随机灰度图像输出至分光模块8；
[0017]所述分光模块8，用于将所述每个均匀光斑和对应的互补均匀光斑，与对应的互补调制时间内产生的随机灰度图像进行合束处理，以形成叠加成像，并传输至探测器 9；
[0018]所述探测器9，用于采集所述叠加图像中任意t个像素分别对应的光强度信号，并进行模数转换，形成量化信号和互补量化信号，并传送至存储计算模块11，其中，所述探测器采集频率与所述空间光调制器2互补调制频率相同；
[0019]所述控制模块10，用于生成测量矩阵A，并发送至所述存储计算模块11；其中，所述测量矩阵A具体生成过程包括：
[0020]依次将所述n对空间互补调制矩阵b
i
和b
i
'中的b
i
与b
i
'相减，获得n个中间矩阵 a
i
＝b
i
‑
b
i
'，并将所述中间矩阵a
i
拉伸成一行，作为所述测量矩阵A的第i行，直至 i＝n；
[0021]所述存储计算模块11，基于所述量化信号与互补量化信号，生成矩阵和矩阵计算所述矩阵和矩阵平均值，生成列向量y1和列向量y2；并基于所述列向量y1和列向量y2与所述测量矩阵A，利用压缩感知算法获得待测目标的重建图像。
[0022]作为上述系统的一种改进，所述第一成像镜头1包括：望远镜头、显微镜头、单个透镜或透镜组；所述第二成像镜头7包括：望远镜头、显微镜头、单个透镜或透镜组。
[0023]作为上述系统的一种改进，所述空间光调制器2为具有空间光调制能力的器件，具体包括：液晶空间光调制器或微反射镜阵列；所述抖动部件6为掩膜板在内的具有产生灰度图像能力的器件，具体包括：液晶空间光调制器或微反射镜阵列。
[0024]作为上述系统的一种改进，所述匀光模块4为具有将入射光转化成均匀光斑能力的器件，具体包括：光纤、匀光棒或匀光片；所述光源5为能主动产生光信号的光学照明元件，具体包括：卤素灯、激光器或LED灯；所述分光模块8为具有将多束光合成一束光能力的器件，具体包括：分光棱镜或分光平片；所述收集模块3包括：光纤准直器、透镜或凹面镜。
[0025]作为上述系统的一种改进，所述探测器9为具有空间分辨能力的光学探测器件，具体包括：电荷耦合器件或CMOS图像传感器；所述探测器9输出量化信号和互补量化信号，探测器9具有Mid
‑
riser或Mid
‑
tread量化特性。
[0026]一种基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像方法，包括：
[0027]步骤1通过所述控制模块10产生n对互补的空间光调制矩阵b...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统，包括：光学单元(12)和电学单元(13)，其特征在于，包括：所述光学单元(12)包括：第一成像镜头(1)、空间光调制器(2)、收集模块(3)、匀光模块(4)、光源(5)、抖动部件(6)、第二成像镜头(7)和分光模块(8)；所述电学单元(13)包括：探测器(9)、控制模块(10)和存储计算模块(11)；其中，所述第一成像镜头(1)，用于将待测目标成像到空间光调制器(2)；所述空间光调制器(2)，基于所述控制模块(10)产生的所述n对空间互补调制矩阵b
i
和b
i
'，对所述待测目标的成像进行n对随机互补调制，形成n对调制后的互补光信号，其中，i∈[1,n]，b
i
＝1
‑
b
i
'；所述收集模块(3)，用于在每一次随机互补调制后，汇聚收集所对应的调制后的互补光信号，并将收集的光信号传输至匀光模块；所述匀光模块(4)，用于将所述收集的光信号进行匀光处理，形成n个均匀光斑和n个对应的互补均匀光斑，并传输至所述分光模块(8)；所述光源(5)，用于生成光信号，所述光信号为所述抖动部件(6)提供摄入光；所述抖动部件(6)，基于所述控制模块(10)产生的所述k个随机灰度矩阵，产生k个随机灰度图像；并将所述k个随机灰度图像传输至所述第二成像镜头(7)，每个随机灰度图像在空间光调制器(2)的一对随机互补调制时间内，保持固定不变；所述第二成像镜头(7)，用于收集所述k个随机灰度图像，并将收集的k个随机灰度图像传输至分光模块(8)；所述分光模块(8)，用于将所述每个均匀光斑和对应的互补均匀光斑，与对应的互补调制时间内产生的随机灰度图像进行合束处理，以形成叠加成像，并传输至探测器(9)；所述探测器(9)，用于采集所述叠加图像中任意t个像素分别对应的光强度信号，并进行模数转换，形成量化信号和互补量化信号，并传送至存储计算模块(11)，其中，所述探测器采集频率与所述空间光调制器(2)互补调制频率相同；所述控制模块(10)，用于生成测量矩阵A，并发送至所述存储计算模块(11)；其中，所述测量矩阵A具体生成过程包括：依次将所述n对空间互补调制矩阵b
i
和b
i
'中的b
i
与b
i
'相减，获得n个中间矩阵a
i
＝b
i
‑
b
i
'，并将所述中间矩阵a
i
拉伸成一行，作为所述测量矩阵A的第i行，直至i＝n；所述存储计算模块(11)，基于所述量化信号与互补量化信号，生成矩阵和矩阵计算所述矩阵和矩阵平均值，生成列向量y1和列向量y2；并基于所述列向量y1和列向量y2与所述测量矩阵A，利用压缩感知算法获得待测目标的重建图像。2.根据权利要求1所述的基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统，其特征在于，所述第一成像镜头(1)包括：望远镜头、显微镜头、单个透镜或透镜组；所述第二成像镜头(7)包括：望远镜头、显微镜头、单个透镜或透镜组。3.根据权利要求1所述的基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统，其特征在于，所述空间光调制器(2)为具有空间光调制能力的器件，具体包括：液晶空间光调制器或微反射镜阵列；所述抖动部件(6)为掩膜板在内的具有产生灰度图像能力的器件，具体包括：液晶空间光调制器或微反射镜阵列。
4.根据权利要求1所述的基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统，其特征在于，所述匀光模块(4)为具有将入射光转化成均匀光斑能力的器件，具体包括：光纤、匀光棒或匀光片；所述光源(5)为能主动产生光信号的光学照明元件，具体包括：卤素灯、激光器或LED灯；所述分光模块(8)为具有将多束光合成一束光能力的器件，具体包括：分光棱镜或分光平片；所述收集模块(3)包括：光纤准直器、透镜或凹面镜。5.根据权利要求1所述的基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像系统，其特征在于，所述探测器(9)为具有空间分辨能力的光学探测器件，具体包括：电荷耦合器件或CMOS图像传感器；所述探测器(9)输出量化信号和互补量化信号，探测器(9)具有Mid
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riser或Mid
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tread量化特性。6.一种基于随机抖动的高动态范围压缩感知成像方法，包括：步骤1)通过所述控制模块(10)产生n对互补的空间光调制矩阵b
i
和b
i
'，b
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＝1
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b
i
'，并依次发送至空间光调制器(2)；产生k个随机灰度矩阵，并依次发送至抖动部件(6)，其中i∈[1,n]，b
i
＝1
‑
b
i
'，k≥1；其中，n为互补测量数，根据实际采样率设定；步骤2)通过所述第一成像镜头(1)将待测目标成像到空间光调制器(2)；步骤3)所述空间光调制器(2)，基于所述控制模块(10)产生的所述一对空间互补调制矩阵b
i
和b

【专利技术属性】
技术研发人员：刘璠，刘雪峰，姚旭日，翟光杰，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：