一種基于陣列光源的單像素成像系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于陣列光源的單像素成像系統及方法，包括：光源控制模塊、陣列式光源、發射透鏡、接收透鏡、探測模塊、采集模塊及數據處理模塊；其中，數據處理模塊向光源控制模塊發送光源控制信號；光源控制模塊根據光源控制信號控制陣列式光源發光；發射透鏡采集陣列式光源的發射光，將其投射到目標；接收透鏡采集目標的反射光，將其聚集到探測模塊；探測模塊對接收光進行光電轉換生成光強響應信號；采集模塊將光強響應信號發送到數據處理模塊；數據處理模塊對光強響應信號及光源控制信號進行關聯運算，獲得目標圖像。本發明能夠以較低的成本實現精確的單像素成像，具有較大的實用價值。
【專利說明】
-種基于陣列光源的單像素成像系統及方法
技術領域
[0001] 本發明設及主動光學成像領域，尤其設及一種基于陣列光源的單像素成像系統及 方法。
【背景技術】
[0002] 光學成像是獲取信息的基本途徑之一，目前的光學成像系統主要由光學系統與圖 像傳感器(如電荷禪合元件CCD、互補金屬氧化物半導體CMOS等)組成。隨著CCD及CMOS的不 斷發展，成像質量與空間分辨率越來越高。但是，目前的圖像傳感器由于工藝的限制無法進 一步提高性能，過多的像素點會造成單個像素尺寸的減少，進而產生感光面減少、噪聲增加 等不利因素。
[0003] 強度關聯成像技術是近年來快速發展的一種新型成像技術。與傳統光學成像方式 不同，強度關聯成像采用的探測器為不具有空間分辨能力的單像素探測器或桶探測器，因 此又被稱作單像素成像。具體而言，激光束經過空間光調制器后被調制成特定的動態散斑， 之后照射到目標上，由單像素探測器或桶探測器采集目標的光強漲落信息，通過關聯算法 對動態散斑和光強信息進行關聯，即可得到目標的圖像信息。強度關聯成像方式獨特新穎， 具有非定域性、超分辨和寬光譜特性，在遙感、光學加密和生物醫學等領域具有巨大的潛在 應用前景。
[0004] 現有的強度關聯成像系統需要采用空間光調制器對光場進行調制，且需要光學器 件對激光束進行準直擴束，運在一定程度上增加了成像系統的成本，不利于系統的集成，限 制了強度關聯成像技術的實際應用。
[0005] 因此，亟需一種不依賴空間光調制器及準直擴束器件的單像素成像系統及方法， W解決上述問題。

【發明內容】

[0006] 本發明提供了一種基于陣列光源的單像素成像系統及方法，能夠在擬棄成本較高 的空間光調制器及準直擴束器件的前提下，實現精確的強度關聯成像。本發明不需要高靈 敏度、強空間分辨能力的探測器，利用單像素探測器即可記錄圖像信息，適于弱光背景環境 下的成像。同時，本發明成本較低、集成較易，在工程應用中具有較強的實用價值。
[0007] 本發明一方面提供一種基于陣列光源的單像素成像系統，包括:包含光源控制模 塊、陣列式光源與發射透鏡的發射單元，包含接收透鏡、探測模塊與采集模塊的接收單元， 及包含數據處理模塊和同步模塊的控制單元;其中，
[0008] 數據處理模塊向光源控制模塊發送光源控制信號;光源控制模塊根據接收的光源 控制信號控制陣列式光源發光，產生隨時間變化的光強度二值分布的空間二維光場;發射 透鏡采集陣列式光源的發射光，將其投射到目標;接收透鏡采集目標的反射光，將其聚集到 探測模塊;探測模塊對接收光進行光電轉換生成光強響應信號;采集模塊采集光強響應信 號并將其發送到數據處理模塊；同步模塊用于向光源控制模塊及采集模塊發送同步信號， 使光源控制信號與光強響應信號同步;數據處理模塊對光強響應信號及光源控制信號進行 關聯運算，獲得目標圖像。
[0009] 優選的，所述陣列式光源包括M*N個面積相等的子光源;其中，M、N皆為大于1的正 整數，分別表示子光源橫、縱向的數目。
[0010] 優選的，所述探測模塊為單像素光強探測器，所述發射透鏡為凸透鏡或透鏡組，所 述接收透鏡為凸透鏡或透鏡組。
[0011] 優選的，所述第i次光源控制信號為矩陣信號Ri(x，y);其中，x、y分別為子光源的 橫、縱坐標，為不大于L的正整數;L為光源控制信號總數。
[0012] 優選的，數據處理模塊對光強響應信號及光源控制信號利用公式1進行關聯運算， 恢復出目標圖像，即完成單像素成像：
[0013]
公或 1
[0014] 其中，G(x，y)為重建后的目標圖像;Si為與Ri(x，y)對應的第i次光強響應信號;<〉 表示對時間的系綜平均 廣1.
/ ,〇
[0015] 優選的，數據處理模塊對光強響應信號及光源控制信號利用壓縮感知算法進行運 算，獲得目標圖像。
[0016] 優選的，利用壓縮感知算法進行運算具體為:假設觀測目標本身是稀疏的，將其拉 伸為一個列向量X，再將陣列式光源控制模塊中的每個二維矩陣Ri(x，y)同樣拉伸成一行， 作為測量矩陣A中的第i行，則經過L次調制，將有L個測量值對應L個方程，將測量值組成一 個測量向量y，即可聯立成欠定方程組y=Ax。若物體圖像本身不是稀疏的，則可在某個基W 下稀疏表示，則方程組變為y=AWx'。通過求解該方程組即可重構出原圖像，運里的重構算 法可采用貪婪算法、匹配跟蹤算法MP和正交匹配算法OMP等壓縮感知重構算法來實現。采用 壓縮感知算法重建圖像時，測量矩陣的選取一般需要滿足UUP/RIP準則，假設信號X是k- sparse的，令Ac {l，2，...,M?N}，定義AT為從A中抽出列標落在集合T中的所有列組成的LX Tl子矩陣，Sk是A的k-受限等距常數。則對于{1，2, ...，M . N}的所有子集合和相應位置上的 系數向量V={xj}vET，且|T|《k，AT需滿足：
[0017]
[0018] 本發明另一方面提供一種基于陣列光源的單像素成像方法，包括：
[0019] 數據處理模塊向光源控制模塊發送光源控制信號;光源控制模塊根據接收的光源 控制信號控制陣列式光源發光;發射透鏡采集陣列式光源的發射光，將其投射到目標;接收 透鏡采集目標的反射光，將其聚集到探測模塊;探測模塊對接收光進行光電轉換生成光強 響應信號;采集模塊采集光強響應信號并將其發送到數據處理模塊;數據處理模塊對光強 響應信號及光源控制信號進行關聯運算，獲得目標圖像;其中，所述探測模塊為單像素光強 探測器，所述發射透鏡為凸透鏡或透鏡組，所述接收透鏡為凸透鏡或透鏡組。
[0020] 優選的，所述方法還包括：向光源控制模塊及采集模塊發送同步信號，使光源控制 信號與光強響應信號同步。
[0021] 優選的，所述陣列式光源包括M*N個面積相等的子光源；W及所述光源控制信號為 矩陣信號Ri(x，y);其中，
[0022] M、N皆為大于1的正整數，分別表示子光源橫、縱向的數目；x、y分別為子光源的橫、 縱坐標，為不大于L的正整數;L為光源控制信號總數。
[0023] 優選的，數據處理模塊對光強響應信號及光源控制信號利用公式1進行關聯運算：
[0024]
公式 1
[0025] 其中，G(x，y)為重建的目標圖像;Si為與Ri(x，y)對應的光強響應信號;<〉表示對時 間的系綜平均
[0026] 由上述技術方案可知，本發明不需要空間光調制器及準直擴束器件，W較低的成 本即可實現精確的強度關聯成像。同時，系統成本較低、結構簡單、實用性強，適于弱光背景 環境下成像。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發明的基于陣列光源的單像素成像系統示意圖；
[0028] 圖2是本發明的光源控制信號第一示例圖；
[0029] 圖3是本發明的光源控制信號第二示例圖；
[0030] 圖4是本發明實施例獲得的單像素光強探測器輸出信號；
[0031] 圖5是本發明實施例中對雙縫物體的單像素成像結果；
[0032] 圖6是本發明的基于陣列光源的單像素成像方法示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下參照附圖并舉出優選實 施例，對本發明進一步詳細說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細節僅僅是為 了使讀者對本發明的一個或多個方面有一個透徹的理解，即便沒有運些特定的細節也可W 實現本發明的運些方面。
[0034] 本發明考慮到現有的強度關聯成像系統需要采用空間光調制器對光場進行調制， 且需要光學器件對激光束進行準直擴束，由此增加了成像系統的成本，不利于系統的集成， 限制了強度關聯成像技術的實際應用。
[0035] 針對于此，本發明采用陣列式光源及其控制模塊進行信號光的發射，避免了空間 光調制器及準直擴束器件的使用，由此節約了成本，拓展了系統使用范圍。同時，本發明利 用單像素探測器采集光強信息，系統成本較低、結構簡單、實用性強，適于弱光背景環境下 成像。
[0036] 圖1示出了本發明的基于陣列光源的單像素成像系統示意圖，參見圖1，所述系統 包括發射信號光的發射單元1、對目標反射光進行接收及探測的接收單元2與進行控制及數 據處理的控制單元3。
[0037] 進一步，發射單元1包括光源控制模塊11、陣列式光源12與發射透鏡13;接收單元2 包括接收透鏡21、探測模塊22與采集模塊23;控制單元3包括數據處理模塊31。
[0038] 具體地，所述系統按照如下過程運行:數據處理模塊31向光源控制模塊11發送光 源控制信號;光源控制模塊11接收光源控制信號，并根據光源控制信號控制陣列式光源12 產生變化的光場;發射透鏡13采集陣列式光源12的發射光，將其投射到目標;接收透鏡21采 集目標的后向反射光，將其聚集到探測模塊22的感光面;探測模塊22對接收光進行光電轉 換生成光強響應信號;采集模塊23采集光強響應信號并將其發送到數據處理模塊31;控制 單元3還包括同步模塊32,用于向光源控制模塊11及采集模塊23發送同步信號，使光源控制 模塊11發送的光源控制信號與采集模塊23采集的光強響應信號在時序上一一對應。數據處 理模塊31對光強響應信號及光源控制信號進行關聯運算，獲得目標圖像。由上述過程可知， 本發明不需要空間光調制器及準直擴束器件，即可實現精確的強度關聯成像，系統成本較 低，易于集成，實用性強，適于在弱光背景下工作。
[0039] 較佳地，在本發明實施例中，陣列式光源12包括M*N個面積相等的子光源;其中，M、 N皆為大于1的正整數，分別表示子光源橫、縱向的數目。光源控制信號為矩陣信號Ri(x，y); 其中，x、y分別為子光源的橫、縱坐標，為不大于L的正整數;L為光源控制信號 總數。
[0040] 在本發明優選實施例中，光源控制模塊11根據光源控制信號及同步模塊32發送的 同步信號獨立控制各子光源的開啟與關閉，產生時序變化的二維二值化光場。
[0041] 作為一個優選方案，數據處理模塊31對光強響應信號及光源控制信號利用公式1 進行關聯運算，獲得目標圖像：
[0042]
會式 1
[0043] 其中，G(x，y)為目標圖像;Si為與Ri(x，y)對應的光強響應信號； <〉表示對時間的系 綜平均。
[0044] 具體地：
[0045]
[0046]
[0047]
[004引另外，數據處理模塊31還可W對光強響應信號及光源控制信號利用壓縮感知算法 進行運算，重建出目標圖像，完成單像素成像。
[0049] 在本發明優選實施例中，探測模塊22為單像素光強探測器。可見本發明不需要面 探測器，只需一個點探測器即可成像，在不適合或不能采用體積較大的面探測器時具有重 要的應用價值。上述單像素光強探測器可W是光電二極管、光電倍增管、單光子探測器或光 電池等。
[0050] 較佳地，發射透鏡13為凸透鏡或透鏡組，接收透鏡21為凸透鏡或透鏡組。采集模塊 23為數據采集卡，根據同步模塊32發送的同步信號采集光強響應信號。為了避免失真，采集 模塊23的采集速率大于光源控制模塊11的調制頻率。
[0051 ]在本發明的優選實施例中，陣列式光源采用包含64*32個子光源的單色Lm)陣列， 發射透鏡為焦距為25mm的凸透鏡，光源控制信號及光強響應信號的數量L=1000 ,接收透鏡 為焦距為35mm的凸透鏡，探測模塊采用光電池。如上設置的單像素成像系統對長度為15mm、 縫寬為5mm、縫間距為6mm的反射型雙縫成像。
[0052] 圖2、3分別示出了上述實施例的兩種二值化光源控制信號。圖4示出了上述實施例 的1000個光強響應信號，圖中橫坐標是采集點序號，縱坐標為信號電平。圖5為本發明對上 述反射型雙縫所成的像（中間的亮點為雙縫物體像，存在若干邊緣噪點）。可W看到，本發明 實現了較為精確的單像素成像，具有較強的實用價值。
[0053] 圖6示出了本發明提供的基于陣列光源的單像素成像方法示意圖，如圖6所示，所 述方法按照W下步驟執行：
[0054] 首先，在步驟Sl中，數據處理模塊向光源控制模塊發送光源控制信號;光源控制模 塊根據接收的光源控制信號控制陣列式光源發光;發射透鏡采集陣列式光源的發射光，將 其投射到目標。
[0055] 接著，在步驟S2中，接收透鏡采集目標的反射光，將其聚集到探測模塊;探測模塊 對接收光進行光電轉換生成光強響應信號;采集模塊采集光強響應信號并將其發送到數據 處理模塊。
[0056] 接下來，在步驟S3中，數據處理模塊對光強響應信號及光源控制信號進行關聯運 算，獲得目標圖像。
[0057] 較佳地，探測模塊為單像素光強探測器，發射透鏡為凸透鏡或透鏡組，接收透鏡為 凸透鏡或透鏡組。
[005引在發明優選實施例中，所述方法還包括：向光源控制模塊及采集模塊發送同步信 號，使光源控制信號與光強響應信號同步。
[0059] 在發明優選實施例中，陣列式光源包括M*N個面積相等的子光源;光源控制信號為 矩陣信號Ri(x，y);其中，
[0060] M、N皆為大于1的正整數，分別表示子光源橫、縱向的數目；x、y分別為子光源的橫、 縱坐標，為不大于L的正整數;L為光源控制信號總數。
[0061] 數據處理模塊對光強響應信號及光源控制信號利用公式1進行關聯運算：
[0062]
會或 1
[0063] 其中，G(x，y)為重建的目標圖像;Si為與Ri(x，y)對應的光強響應信號;<〉表示對時 間的系綜平均，
[0064] 本發明實現了 W下技術效果：
[0065] (1)不需要面探測器，無須掃描，只需一個點探測器即可成像，在不適合或不能采 用體積較大的面探測器時具有極大的應用價值。
[0066] (2)不需要空間光調制器及準直擴束器件，系統成本低，易于集成。
[0067] (3)可采用壓縮感知算法重建圖像，采樣率可W小于香農-奈奎斯特采樣極限，避 免了大量冗余數據，適用于圖像信息量比較大的多光譜、超光譜成像，成像效率高。
[0068] 本領域普通技術人員可W理解實現上述實施例方法中的全部或部分步驟是可W 通過程序來指令相關的硬件來完成，該程序可W存儲于一計算機可讀取存儲介質中，如： ROM/RAM、磁碟、光盤等。
[0069] W上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可W作出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于陣列光源的單像素成像系統，其特征在于，包括:包含光源控制模塊、陣列 式光源與發射透鏡的發射單元，包含接收透鏡、探測模塊與采集模塊的接收單元，及包含數 據處理模塊和同步模塊的控制單元;其中， 數據處理模塊向光源控制模塊發送光源控制信號;光源控制模塊根據接收的光源控制 信號控制陣列式光源發光;發射透鏡采集陣列式光源的發射光，將其投射到目標;接收透鏡 采集目標的反射光，將其聚集到探測模塊;探測模塊對接收光進行光電轉換生成光強響應 信號;采集模塊采集光強響應信號并將其發送到數據處理模塊;數據處理模塊對光強響應 信號及光源控制信號進行關聯運算，獲得目標圖像。2. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述控制單元還包括： 同步模塊，用于向光源控制模塊及采集模塊發送同步信號，使光源控制信號與光強響 應信號同步。3. 如權利要求2所述的系統，其特征在于，所述探測模塊為單像素光強探測器，所述發 射透鏡為凸透鏡或透鏡組，所述接收透鏡為凸透鏡或透鏡組。4. 如權利要求3所述的系統，其特征在于，所述陣列式光源包括M*N個面積相等的子光 源;其中，M、N皆為大于1的正整數，分別表示子光源橫、縱向的數目。5. 如權利要求4所述的系統，其特征在于，所述光源控制信號為矩陣信號R1(Xd);其中， x、y分別為子光源的橫、縱坐標，X彡M，y彡N;i為不大于L的正整數;L為光源控制信號總數。6. 如權利要求5所述的系統，其特征在于，數據處理模塊對光強響應信號及光源控制信 號利用公式1講行關聯運筧：其中，G(x，y)為重建的目標圖像;Si為與Ri(x，y)對應的光強響應信號;〈>表示對時間的 系綜平均7. -種基于陣列光源的單像素成像方法，其特征在于，包括： 數據處理模塊向光源控制模塊發送光源控制信號;光源控制模塊根據接收的光源控制 信號控制陣列式光源發光;發射透鏡采集陣列式光源的發射光，將其投射到目標;接收透鏡 采集目標的反射光，將其聚集到探測模塊;探測模塊對接收光進行光電轉換生成光強響應 信號;采集模塊采集光強響應信號并將其發送到數據處理模塊;數據處理模塊對光強響應 信號及光源控制信號進行關聯運算，獲得目標圖像;其中， 所述探測模塊為單像素光強探測器，所述發射透鏡為凸透鏡或透鏡組，所述接收透鏡 為凸透鏡或透鏡組。8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括： 向光源控制模塊及采集模塊發送同步信號，使光源控制信號與光強響應信號同步。9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述陣列式光源包括M*N個面積相等的子光 源；以及所述光源控制信號為矩陣信號R1(Xd);其中， M、N皆為大于1的正整數，分別表示子光源橫、縱向的數目；x、y分別為子光源的橫、縱坐 標，x<M，y$N;i為不大于L的正整數;L為光源控制信號總數。10. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，數據處理模塊對光強響應信號及光源控制 信號利用公式1進行關聯運算：其中，G(x，y)為重建的目標圖像;Si為與Ri(x，y)對應的光強響應信號;〈>表示對時間的 系綜平均：
【文檔編號】G01S17/89GK106019307SQ201610330690
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】楊照華, 劉保磊, 余遠金, 祁振強
【申請人】北京航空航天大學, 北京航天自動控制研究所