基于壓縮采樣的主動成像方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及主動成像領(lǐng)域，提供了一種基于壓縮采樣的主動成像系統(tǒng)，包括：脈沖光信號發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生脈沖光信號；光成像裝置，用于對所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行成像；光采集裝置，用于對光成像裝置處理后的脈沖光信號照射目標(biāo)場景形成的反射光進(jìn)行采集；第一光調(diào)制器，用于對所述光采集裝置采集到的反射光進(jìn)行第一光譜調(diào)制；圖像重構(gòu)裝置，用于對第一光調(diào)制器調(diào)制后的脈沖光信號進(jìn)行圖像重構(gòu)。本發(fā)明避免了傳統(tǒng)單像素成像系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)字微鏡陣列等機(jī)械結(jié)構(gòu)，大大提高了成像速度。
【專利說明】基于壓縮采樣的主動成像方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及主動成像領(lǐng)域，具體地，涉及基于壓縮采樣的主動成像方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在成像系統(tǒng)中，根據(jù)有無照明光源，分為主動成像和被動成像兩種成像方式。被動 成像最大的特點(diǎn)是本身不帶光源，依賴目標(biāo)或環(huán)境反射太陽等自然光或目標(biāo)自身輻射，使 用成像設(shè)備檢測這些微弱信號并最終成像。主動成像是指利用人工照明的方式，采用一個(gè) 人造光學(xué)輻射源照射目標(biāo)，并利用接收機(jī)收集和探測目標(biāo)景物直接或反射后的部分輻射并 最后成像。由于激光具有高強(qiáng)度、高準(zhǔn)直性、單色性好、易于同步等優(yōu)點(diǎn)，因而在主動成像系 統(tǒng)中常常采用激光器作為照明光源來照射目標(biāo)，探測激光脈沖回波信號，獲得目標(biāo)的高分 辨率圖像。利用激光主動成像技術(shù)與先進(jìn)的圖像處理技術(shù)相結(jié)合探測目標(biāo)，可以在零照度 條件下，隨時(shí)在所關(guān)心的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)探測。
[0003] 壓縮采樣技術(shù)是一種新型的信號采集技術(shù)，其本質(zhì)是對有用信息進(jìn)行采集而拋棄 無用信息，使得信號的采集效率更高，克服了奈奎斯特定律的限制，把信號采樣和信號壓縮 同時(shí)進(jìn)行。單像素成像是壓縮采樣技術(shù)在成像領(lǐng)域的重要應(yīng)用，利用壓縮采樣原理，只需要 單個(gè)像素的探測器就可以實(shí)現(xiàn)整幅圖像的獲取，大大降低了圖像的存儲和傳輸數(shù)據(jù)量，提 高了成像靈活性。傳統(tǒng)單像素成像的基本結(jié)構(gòu)是包括光學(xué)透鏡、數(shù)字微鏡陣列（DMD)和單 像素探測器等。利用光學(xué)透鏡把成像光束映射到數(shù)字微鏡陣列上，通過數(shù)字微鏡陣列的鏡 片調(diào)整，獲得隨機(jī)測量矩陣。然后再把數(shù)字微鏡陣列反射的光再通過一個(gè)光學(xué)透鏡聚焦到 焦點(diǎn)上，在焦點(diǎn)位置放置一個(gè)單像素探測器進(jìn)行信號的探測，構(gòu)成一次圖像測量。經(jīng)過多次 這樣的測量過程，獲得足夠的數(shù)據(jù)，再通過相應(yīng)的壓縮采樣算法進(jìn)行圖像的恢復(fù)。通常測 量次數(shù)為圖像像素點(diǎn)的20%就可以實(shí)現(xiàn)大部分圖像的恢復(fù)。由此可知，采用壓縮采樣的單 像素成像系統(tǒng)可以把圖像的數(shù)據(jù)量降低一個(gè)數(shù)量級，而且把壓縮和采樣兩個(gè)過程結(jié)合在一 起，簡化了成像系統(tǒng)。但是，這種方法有個(gè)很大的缺陷，那就是數(shù)字微鏡陣列通常是微機(jī)械 結(jié)構(gòu)或者液晶裝置，這使得微鏡陣列在調(diào)整隨機(jī)矩陣的時(shí)候速度過慢，成像速度大大降低， 不超過100幀/秒，這使得單像素成像系統(tǒng)只能用來拍攝靜止或者準(zhǔn)靜止的圖像，而不能獲 取高速圖像和視頻，嚴(yán)重限制了單像素成像的應(yīng)用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于壓縮采樣的主動成像 系統(tǒng)的成像方法，包括：使用脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生脈沖光信號；將所述脈沖光信號發(fā) 生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行第一光譜調(diào)制；將經(jīng)過第一光譜調(diào)制后的脈沖光信號輸入到 光成像裝置；使用從所述光成像裝置輸出的脈沖光信號照射目標(biāo)場景；使用光采集裝置采 集所述目標(biāo)場景的反射光；使用圖像重構(gòu)裝置對所述反射光進(jìn)行圖像重構(gòu)。
[0005] 可選地，所述將所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行第一光譜調(diào)制的 步驟包括：根據(jù)期望的成像圖像的分辨率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼；將偽隨機(jī)碼調(diào)制到脈沖光信號的 光譜上。
[0006] 可選地，所述期望的成像圖像的像素點(diǎn)數(shù)為N，則所述偽隨機(jī)碼包括Μ的序列，每 個(gè)所述序列包括Ν個(gè)碼片。
[0007] 可選地，Μ 是 Ν 的 20%-40%。
[0008] 可選地，所述將所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行第一光譜調(diào)制的 步驟之前，還包括：將所述脈沖光信號的頻譜在時(shí)域上展開。
[0009] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：有脈沖輸出的光源。
[0010] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：超短光脈沖源。
[0011] 可選地，所述光成像裝置包括：散射光柵和第一透鏡；所述將經(jīng)過第一光譜調(diào)制 后的脈沖光信號輸入到光成像裝置的步驟包括：將調(diào)制后的脈沖光信號輸入到散射光柵進(jìn) 行光譜的散射；將散射后的脈沖光信號通過第一透鏡進(jìn)行聚焦。
[0012] 可選地，所述光成像裝置還包括：偏振調(diào)整器件；所述將經(jīng)過第一光譜調(diào)制后的 脈沖光信號輸入到光成像裝置的步驟包括：將調(diào)制后的脈沖光信號輸入到偏振調(diào)整器件進(jìn) 行偏振調(diào)整；將進(jìn)行偏振調(diào)整后的脈沖光信號輸入到散射光柵進(jìn)行光譜的散射；將散射后 的脈沖光信號通過第一透鏡進(jìn)行聚焦。
[0013] 可選地，所述光成像裝置包括：第一透鏡；使用從所述光成像裝置輸出的脈沖光 信號照射目標(biāo)場景的步驟包括：所述目標(biāo)場景放在所述第一透鏡的焦點(diǎn)處；使用從所述第 一透鏡透出的脈沖光信號照射所述目標(biāo)場景。
[0014] 可選地，所述光采集裝置包括：第二透鏡；使用光采集裝置采集所述目標(biāo)場景的 反射光的步驟包括：將所述第二透鏡放在一固定位置，在該固定位置，所述目標(biāo)場景到所述 第二透鏡的距離為所述第二透鏡的焦距。
[0015] 可選地，使用圖像重構(gòu)裝置對所述反射光進(jìn)行圖像重構(gòu)的步驟包括：對采集到的 脈沖光信號進(jìn)行單像素壓縮；將經(jīng)過單像素壓縮后的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；對所述電信號 進(jìn)行圖像重構(gòu)。
[0016] 可選地，所述將所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行第一光譜調(diào)制的 步驟包括：根據(jù)期望的成像圖像的分辨率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼；將偽隨機(jī)碼調(diào)制到脈沖光信號的 光譜上；對所述電信號進(jìn)行圖像重構(gòu)的步驟包括：使用所述偽隨機(jī)碼對所述電信號進(jìn)行圖 像重構(gòu)。
[0017] 可選地，對采集到的脈沖光信號進(jìn)行單像素壓縮的步驟還包括：對所述采集到的 脈沖光信號在時(shí)域上進(jìn)行壓縮；使用所述偽隨機(jī)碼對壓縮后的脈沖光信號進(jìn)行單像素壓 縮。
[0018] 可選地，所述成像系統(tǒng)包括：第一色散器件；所述圖像重構(gòu)裝置包括：第二色散器 件；所述將所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行第一光譜調(diào)制的步驟之前，還 包括：使用所述第一色散器件將所述脈沖光信號的頻譜在時(shí)域上展開；對采集到的脈沖光 信號進(jìn)行單像素壓縮的步驟包括：使用第二色散器件對所述采集到的脈沖光信號在時(shí)域上 進(jìn)行壓縮；使用所述第一光譜調(diào)制中調(diào)制到所述脈沖光信號上的所述偽隨機(jī)碼對壓縮后的 脈沖光信號進(jìn)行單像素壓縮；所述第一色散器件的色散值為D1，所述第二器件的色散值為 D2, D1 = -D2。
[0019] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：光信號發(fā)生器，第二碼形發(fā)生器以及第二 光調(diào)制器；所述使用脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生脈沖光信號的步驟，包括：所述光信號發(fā)生 器產(chǎn)生無脈沖輸出的光信號，并輸入到第二光調(diào)制器；所述第二碼形發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號， 并輸入到所述第二光調(diào)制器；所述第二光調(diào)制器將所述脈沖信號調(diào)制到所述光信號上。
[0020] 可選地，所述第二碼形發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號根據(jù)成像速率以及所述光信號發(fā)生 器的光譜寬度產(chǎn)生。
[0021] 可選地，所述成像系統(tǒng)包括：第一碼形發(fā)生器；所述將所述脈沖光信號發(fā)生裝置 產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行第一光譜調(diào)制的步驟包括：使用第一碼形發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)碼；將 偽隨機(jī)碼調(diào)制到脈沖光信號的光譜上；所述第一碼形發(fā)生器與所述第二碼形發(fā)生器的時(shí)鐘 信號同步。
[0022] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括，時(shí)鐘源；所述時(shí)鐘源產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號，輸入到第 一波形或碼形發(fā)生器以及第二波形或碼形發(fā)生器。
[0023] 可選地，所述光信號發(fā)生器包括：寬帶非相干光源。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種基于壓縮采樣的主動成像系統(tǒng)的成像方 法，包括：使用脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生脈沖光信號；將所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的 脈沖光信號輸入到光成像裝置；使用從所述光成像裝置輸出的脈沖光信號照射目標(biāo)場景； 使用光采集裝置采集所述目標(biāo)場景的反射光；對所述光采集裝置采集的反射光進(jìn)行第一光 譜調(diào)制；使用圖像重構(gòu)裝置將經(jīng)過第一光譜調(diào)制后的脈沖光信號進(jìn)行圖像重構(gòu)。
[0025] 可選地，所述對所述光采集裝置采集的反射光進(jìn)行第一光譜調(diào)制的步驟包括：根 據(jù)期望的成像圖像的分辨率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼；將偽隨機(jī)碼調(diào)制到反射光的脈沖光信號的光譜 上。
[0026] 可選地，所述期望的成像圖像的像素點(diǎn)數(shù)為N，則所述偽隨機(jī)碼包括Μ的序列，每 個(gè)所述序列包括Ν個(gè)碼片。
[0027] 可選地，Μ 是 Ν 的 20%-40%。
[0028] 可選地，所述對所述光信號采集裝置采集的反射光進(jìn)行第一光譜調(diào)制的步驟之 前，還包括：將所述反射光的脈沖光信號的頻譜在時(shí)域上展開。
[0029] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：有脈沖輸出的光源。
[0030] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：超短光脈沖源。
[0031] 可選地，所述光成像裝置包括：散射光柵和第一透鏡；所述將所述脈沖光信號發(fā) 生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號輸入到光成像裝置的步驟包括：將脈沖光信號輸入到散射光柵進(jìn) 行光譜的散射；將散射后的脈沖光信號通過第一透鏡進(jìn)行聚焦。
[0032] 可選地，所述光成像裝置還包括：偏振調(diào)整器件；所述將所述脈沖光信號發(fā)生裝 置產(chǎn)生的脈沖光信號輸入到光成像裝置的步驟包括：將調(diào)制后的脈沖光信號輸入到偏振調(diào) 整器件進(jìn)行偏振調(diào)整；將進(jìn)行偏振調(diào)整后的脈沖光信號輸入到散射光柵進(jìn)行光譜的散射； 將散射后的脈沖光信號通過第一透鏡進(jìn)行聚焦。
[0033] 可選地，所述光成像裝置包括：第一透鏡；使用從所述光成像裝置輸出的脈沖光 信號照射目標(biāo)場景的步驟包括：所述目標(biāo)場景放在所述第一透鏡的焦點(diǎn)處；使用從所述第 一透鏡透出的脈沖光信號照射所述目標(biāo)場景。
[0034] 可選地，所述光采集裝置包括：第二透鏡；使用光采集裝置采集所述目標(biāo)場景的 反射光的步驟包括：將所述第二透鏡放在一固定位置，在該固定位置，所述目標(biāo)場景到所述 第二透鏡的距離為所述第二透鏡的焦距。
[0035] 可選地，使用圖像重構(gòu)裝置對經(jīng)過第一光譜調(diào)制后的脈沖光信號進(jìn)行圖像重構(gòu)的 步驟包括：對經(jīng)過第一光譜調(diào)制后的脈沖光信號進(jìn)行單像素壓縮；將經(jīng)過單像素壓縮后的 光信號轉(zhuǎn)換成電信號；對所述電信號進(jìn)行圖像重構(gòu)。
[0036] 可選地，所述對所述光采集裝置采集的反射光進(jìn)行第一光譜調(diào)制的步驟包括：根 據(jù)期望的成像圖像的分辨率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼；將偽隨機(jī)碼調(diào)制到反射光的脈沖光信號的光譜 上；對所述電信號進(jìn)行圖像重構(gòu)的步驟包括：使用所述偽隨機(jī)碼對所述電信號進(jìn)行圖像重 構(gòu)。
[0037] 可選地，對經(jīng)過第一光譜調(diào)制后的脈沖光信號進(jìn)行單像素壓縮的步驟還包括：對 所述經(jīng)過第一光譜調(diào)制后的脈沖光信號在時(shí)域上進(jìn)行壓縮；使用所述偽隨機(jī)碼對壓縮后的 脈沖光信號進(jìn)行單像素壓縮。
[0038] 可選地，所述成像系統(tǒng)包括：第一色散器件；所述圖像重構(gòu)裝置包括：第二色散器 件；所述對所述光采集裝置采集的反射光進(jìn)行第一光譜調(diào)制的步驟之前，還包括：使用所 述第一色散器件將所述反射光的脈沖光信號的頻譜在時(shí)域上展開；對經(jīng)過第一光譜調(diào)制后 的脈沖光信號進(jìn)行單像素壓縮的步驟包括：使用第二色散器件對所述經(jīng)過第一光譜調(diào)制后 的脈沖光信號在時(shí)域上進(jìn)行壓縮；使用所述第一光譜調(diào)制中的偽隨機(jī)碼對壓縮后的脈沖光 信號進(jìn)行單像素壓縮；所述第一色散器件的色散值為D1，所述第二器件的色散值為D2, D1 =-D2。
[0039] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：光信號發(fā)生器，第二碼形發(fā)生器以及第二 光調(diào)制器；所述使用脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生脈沖光信號的步驟，包括：所述光信號發(fā)生 器產(chǎn)生無脈沖輸出的光信號，并輸入到第二光調(diào)制器；所述第二碼形發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號， 并輸入到所述第二光調(diào)制器；所述第二光調(diào)制器將所述脈沖信號調(diào)制到所述光信號上。
[0040] 可選地，所述第二碼形發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號根據(jù)成像速率以及所述光信號發(fā)生 器的光譜寬度產(chǎn)生。
[0041] 可選地，所述成像系統(tǒng)包括：第一碼形發(fā)生器；所述對光采集裝置采集的反射光 進(jìn)行第一光譜調(diào)制的步驟包括：使用第一碼形發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)碼；將偽隨機(jī)碼調(diào)制到所 述反射光的脈沖光信號的光譜上；所述第一碼形發(fā)生器與所述第二碼形發(fā)生器的時(shí)鐘信號 同步。
[0042] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括，時(shí)鐘源；所述時(shí)鐘源產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號，輸入到第 一碼形發(fā)生器以及第二碼形發(fā)生器。
[0043] 可選地，所述光信號發(fā)生器包括：寬帶非相干光源。
[0044] 根據(jù)本發(fā)明又一方面，還提供了一種基于壓縮采樣的主動成像系統(tǒng)，包括：脈沖光 信號發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生脈沖光信號；第一光調(diào)制器，用于對所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生 的脈沖光信號進(jìn)行第一光譜調(diào)制；光成像裝置，用于對第一光調(diào)制器調(diào)制后的脈沖光信號 進(jìn)行成像；光采集裝置，用于對光成像裝置處理后的脈沖光信號照射目標(biāo)場景形成的反射 光進(jìn)行采集；圖像重構(gòu)裝置，用于對所述光采集裝置采集到的反射光進(jìn)行圖像重構(gòu)。
[0045] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨 率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中；所述第一光調(diào)制 器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述脈沖光信號上。
[0046] 可選地，所述期望的成像圖像的像素點(diǎn)數(shù)為N，則所述第一碼形發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨 機(jī)碼包括Μ個(gè)序列，每個(gè)所述序列包括N個(gè)碼片。
[0047] 可選地，Μ 是 Ν 的 20%-40%。
[0048] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一色散器件；所述第一色散器件用于將所述脈 沖光信號的頻譜在時(shí)域上展開；所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到經(jīng)第一色散器件 處理后的脈沖光信號上。
[0049] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：有脈沖輸出的光源。
[0050] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：超短光脈沖源。
[0051] 可選地，所述光成像裝置包括：散射光柵和第一透鏡；所述散射光柵用于將脈沖 光信號的光譜進(jìn)行散射；所述第一透鏡用于將散射后的光譜進(jìn)行聚焦。
[0052] 可選地，所述光成像裝置還包括：偏振調(diào)整器件；所述偏振調(diào)整器件用于將脈沖 光信號進(jìn)行偏振調(diào)整；所述散射光柵用于將偏振調(diào)整后的脈沖光信號的光譜進(jìn)行散射；所 述第一透鏡用于將散射后的光譜進(jìn)行聚焦。
[0053] 可選地，預(yù)成像的所述目標(biāo)場景放在所述第一透鏡的焦點(diǎn)處；使用從所述第一透 鏡透出的脈沖光信號照射所述目標(biāo)場景。
[0054] 可選地，所述光采集裝置包括：第二透鏡；所述第二透鏡位于一固定位置，在該固 定位置，所述目標(biāo)場景到所述第二透鏡的距離為所述第二透鏡的焦距。
[0055] 可選地，所述圖像重構(gòu)裝置包括：光電轉(zhuǎn)換器，用于將采集到的反射光的脈沖光信 號轉(zhuǎn)換成電信號；處理器，用于對電信號進(jìn)行計(jì)算處理；顯示器，用于對重構(gòu)后的圖像進(jìn)行 顯不。
[0056] 可選地，所述圖像重構(gòu)裝置還包括：第二色散器件；所述第二色散器件用于對所 述反射光的脈沖光信號在時(shí)域上進(jìn)行壓縮。
[0057] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一色散器件；所述第一色散器件用于將所述脈 沖光信號的頻譜在時(shí)域上展開；所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到經(jīng)第一色散器件 處理后的脈沖光信號上；所述第一色散器件的色散值為D1，所述第二器件的色散值為D2， D1 = -D2。
[0058] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨 率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中；所述第一光調(diào)制 器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述脈沖光信號上；所述處理器使用第一碼形發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨 機(jī)碼對轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行單像素壓縮。
[0059] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：光信號發(fā)生器，第二碼形發(fā)生器，第二光 調(diào)制器；所述光信號發(fā)生器用于產(chǎn)生無脈沖輸出的光信號；所述第二碼形發(fā)生器用于產(chǎn)生 脈沖信號；所述第二光調(diào)制器用于將所述第二碼形發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號調(diào)制到所述光信 號發(fā)生器產(chǎn)生的光信號上。
[0060] 可選地，所述光信號發(fā)生器包括：寬帶非相干光源。
[0061] 可選地，所述第二碼型發(fā)生器根據(jù)成像速率以及所述光信號發(fā)生器的光譜寬度產(chǎn) 生脈沖信號。
[0062] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨 率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中；所述第一光調(diào)制 器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述脈沖光信號上；所述第一碼形發(fā)生器與所述第二碼形發(fā)生器 的基準(zhǔn)時(shí)鐘同步。
[0063] 可選地，所述系統(tǒng)還包括：時(shí)鐘源；所述時(shí)鐘源產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號，輸入到第一碼 形發(fā)生器以及第二碼形發(fā)生器中。
[0064] 根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，還提供了一種基于壓縮采樣的主動成像系統(tǒng)，包括：脈 沖光信號發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生脈沖光信號；光成像裝置，用于對所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn) 生的脈沖光信號進(jìn)行成像；光采集裝置，用于對光成像裝置處理后的脈沖光信號照射目標(biāo) 場景形成的反射光進(jìn)行采集；第一光調(diào)制器，用于對所述光采集裝置采集到的反射光進(jìn)行 第一光譜調(diào)制；圖像重構(gòu)裝置，用于對第一光調(diào)制器調(diào)制后的脈沖光信號進(jìn)行圖像重構(gòu)。 [0065] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨 率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中；所述第一光調(diào)制 器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述光采集裝置采集的反射光的脈沖光信號上。
[0066] 可選地，所述期望的成像圖像的像素點(diǎn)數(shù)為N，則所述第一碼形發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨 機(jī)碼包括Μ個(gè)序列，每個(gè)所述序列包括N個(gè)碼片。
[0067] 可選地，Μ 是 Ν 的 20%-40%。
[0068] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一色散器件；所述第一色散器件用于將所述反 射光的脈沖光信號的頻譜在時(shí)域上展開；所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到經(jīng)第一 色散器件處理后的脈沖光信號上。
[0069] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：有脈沖輸出的光源。
[0070] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：超短光脈沖源。
[0071] 可選地，所述光成像裝置包括：散射光柵和第一透鏡；所述散射光柵用于將所述 脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號的光譜進(jìn)行散射；所述第一透鏡用于將散射后的光 譜進(jìn)行聚焦。
[0072] 可選地，所述光成像裝置還包括：偏振調(diào)整器件；所述偏振調(diào)整器件用于將脈沖 光信號進(jìn)行偏振調(diào)整；所述散射光柵用于將偏振調(diào)整后的脈沖光信號的光譜進(jìn)行散射；所 述第一透鏡用于將散射后的光譜進(jìn)行聚焦。
[0073] 可選地，預(yù)成像的所述目標(biāo)場景放在所述第一透鏡的焦點(diǎn)處；使用從所述第一透 鏡透出的脈沖光信號照射所述目標(biāo)場景。
[0074] 可選地，所述光采集裝置包括：第二透鏡；所述第二透鏡位于一固定位置，在該固 定位置，所述目標(biāo)場景到所述第二透鏡的距離為所述第二透鏡的焦距。
[0075] 可選地，所述圖像重構(gòu)裝置包括：光電轉(zhuǎn)換器，用于將經(jīng)過第一光譜調(diào)制器調(diào)制的 脈沖光信號轉(zhuǎn)換成電信號；處理器，用于對電信號進(jìn)行計(jì)算處理；顯示器，用于對重構(gòu)后的 圖像進(jìn)行顯示。
[0076] 可選地，所述圖像重構(gòu)裝置還包括：第二色散器件；所述第二色散器件用于對所 述經(jīng)過第一光譜調(diào)制器調(diào)制的脈沖光信號在時(shí)域上進(jìn)行壓縮。
[0077] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一色散器件；所述第一色散器件用于將所述脈 沖光信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖光信號的頻譜在時(shí)域上展開；所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī) 碼調(diào)制到經(jīng)第一色散器件處理后的脈沖光信號上；所述第一色散器件的色散值為D1，所述 第二器件的色散值為D2, D1 = -D2。
[0078] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨 率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中；所述第一光調(diào)制 器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述反射光的脈沖光信號上；所述處理器使用第一碼形發(fā)生器產(chǎn) 生的偽隨機(jī)碼對轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行單像素壓縮。
[0079] 可選地，所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：光信號發(fā)生器，第二碼形發(fā)生器，第二光 調(diào)制器；所述光信號發(fā)生器用于產(chǎn)生無脈沖輸出的光信號；所述第二碼形發(fā)生器用于產(chǎn)生 脈沖信號；所述第二光調(diào)制器用于將所述第二碼形發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號調(diào)制到所述光信 號發(fā)生器產(chǎn)生的光信號上。
[0080] 可選地，所述光信號發(fā)生器包括：寬帶非相干光源。
[0081] 可選地，所述第二碼型發(fā)生器根據(jù)成像速率以及所述光信號發(fā)生器的光譜寬度產(chǎn) 生脈沖信號。
[0082] 可選地，所述成像系統(tǒng)還包括：第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨 率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中；所述第一光調(diào)制 器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述反射光的脈沖光信號上；所述第一碼形發(fā)生器與所述第二碼 形發(fā)生器的基準(zhǔn)時(shí)鐘同步。
[0083] 可選地，所述系統(tǒng)還包括：時(shí)鐘源；所述時(shí)鐘源產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號，輸入到第一碼 形發(fā)生器以及第二碼形發(fā)生器中。
[0084] 本發(fā)明的基于壓縮采樣的主動成像方法，在光信號時(shí)域上疊加隨機(jī)信號，利用高 速光電調(diào)制器施加高速的時(shí)域測量，并且利用色散器件進(jìn)行光域壓縮操作，整個(gè)處理過程 利用了光電效應(yīng)或物理效應(yīng)，不需要機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)單像素成像系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù) 字微鏡陣列等機(jī)械結(jié)構(gòu)，大大提高了成像速度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0085] 圖la是實(shí)施例一的成像系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0086] 圖lb是實(shí)施例一的成像系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0087] 圖2a是實(shí)施例二的成像系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0088] 圖2b是實(shí)施例二的成像系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0089] 圖3a是實(shí)施例三的成像系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0090] 圖3b是實(shí)施例三的成像系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0091] 圖4a是實(shí)施例四的成像系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0092] 圖4b是實(shí)施例四的成像系統(tǒng)架構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0093] 本發(fā)明實(shí)施例提供了基于壓縮采樣的主動成像方法和裝置，改變以往采用數(shù)字微 鏡陣列作為單像素檢測的模板矩陣，采用時(shí)域脈沖調(diào)制信號作為壓縮采樣的測量模板矩 陣。
[0094] 本發(fā)明實(shí)施例中的光信號發(fā)生器可以是任何直接或間接發(fā)出脈沖信號的激光光 源，即，包括有脈沖輸出的激光光源，例如：短光脈沖源、超短光脈沖源；以及可調(diào)制的連續(xù) 波輸出的激光光源，例如：寬帶非相干光源。超短光脈沖源可以采用主動鎖模激光器或者被 動鎖模激光器實(shí)現(xiàn)；寬帶非相干光源可以采用多波長激光器，多波長激光器陣列，寬譜噪聲 光源等來實(shí)現(xiàn)。光源的作用是提供一個(gè)光譜用來照射所要成像的目標(biāo)場景，把目標(biāo)場景的 信息通過反射、散射、吸收等效應(yīng)映射到光譜上。
[0095] 實(shí)施例一
[0096] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，主動成像過程如下所述。
[0097] 圖la和圖lb是實(shí)施例1的成像系統(tǒng)架構(gòu)圖，參加圖1，首先，對脈沖光信號發(fā)生裝 置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行光譜調(diào)制，使光信號在時(shí)域上調(diào)制有壓縮采樣的測量矩陣序列。 [0098] 在本發(fā)明實(shí)施例中，采用脈沖光信號發(fā)生裝置作為成像系統(tǒng)的光源，不同的脈沖 信號發(fā)生器產(chǎn)生具有不同的譜寬B的光信號。脈沖光信號發(fā)生裝置101在工作狀態(tài)下，產(chǎn)生 脈沖光信號，該脈沖光信號在頻域可以表示為f(?)，其中，ω是光的角頻率。將脈沖光信 號發(fā)生裝置101輸出的脈沖光信號f ( ω )首先經(jīng)過一個(gè)第一色散器件102,使光信號f ( ω ) 的頻譜在時(shí)域上展開，該第一色散器件102的色散值為D1。然后，將頻譜展開后的脈沖光 信號f(?)輸入到第一光譜調(diào)制器103中進(jìn)行光譜調(diào)制，以使作為測量矩陣的脈沖調(diào)制信 號調(diào)制在光信號的光譜上?？蛇x地，測量矩陣由任何可產(chǎn)生脈沖的波形發(fā)生器或碼形發(fā)生 器產(chǎn)生，圖1中示出了由第一碼形發(fā)生器104產(chǎn)生的情況。首先，第一碼形發(fā)生器104根據(jù) 最終期望的成像圖像的成像分辨率來產(chǎn)生偽隨機(jī)碼脈沖信號P (t)，其中，t為時(shí)間。該偽隨 機(jī)碼脈沖信號相當(dāng)于壓縮采樣的測量矩陣中的測量值，變換不同的偽隨機(jī)碼序列，可以得 到多個(gè)不同的測量值，期望的成像圖像的分辨率越高，也就是成像圖像的像素點(diǎn)數(shù)越多，就 需要產(chǎn)生越多的不同偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行多次測量。例如，如果成像圖像的像素點(diǎn)數(shù)為N，則 需要產(chǎn)生的每個(gè)偽隨機(jī)碼具有N個(gè)碼片，Μ次測量，一般情況下，Μ小于N，可選地，Μ是N的 20% -40%。Μ次測量將產(chǎn)生Μ行偽隨機(jī)碼序列，從而在調(diào)制過程中構(gòu)成一個(gè)ΜΧΝ的測量 矩陣Φ，即
[0099]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓縮采樣的主動成像系統(tǒng)， 其特征在于， 包括： 脈沖光信號發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生脈沖光信號； 光成像裝置，用于對所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行成像； 光采集裝置，用于對光成像裝置處理后的脈沖光信號照射目標(biāo)場景形成的反射光進(jìn)行 米集； 第一光調(diào)制器，用于對所述光采集裝置采集到的反射光進(jìn)行第一光譜調(diào)制； 圖像重構(gòu)裝置，用于對第一光調(diào)制器調(diào)制后的脈沖光信號進(jìn)行圖像重構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述成像系統(tǒng)還包括： 第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述 偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中； 所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述光采集裝置采集的反射光的脈沖光信 號上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1-2任一所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述成像系統(tǒng)還包括：第一色散器件； 所述第一色散器件用于將所述反射光的脈沖光信號的頻譜在時(shí)域上展開； 所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到經(jīng)第一色散器件處理后的脈沖光信號上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括：有脈沖輸出的光源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述光成像裝置包括：散射光柵和第一透鏡； 所述散射光柵用于將所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號的光譜進(jìn)行散射； 所述第一透鏡用于將散射后的光譜進(jìn)行聚焦。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述光采集裝置包括：第二透鏡； 所述第二透鏡位于一固定位置，在該固定位置，所述目標(biāo)場景到所述第二透鏡的距離 為所述第二透鏡的焦距。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述圖像重構(gòu)裝置包括： 光電轉(zhuǎn)換器，用于將經(jīng)過第一光譜調(diào)制器調(diào)制的脈沖光信號轉(zhuǎn)換成電信號； 處理器，用于對電信號進(jìn)行計(jì)算處理； 顯示器，用于對重構(gòu)后的圖像進(jìn)行顯示。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述圖像重構(gòu)裝置還包括： 第二色散器件； 所述第二色散器件用于對所述經(jīng)過第一光譜調(diào)制器調(diào)制的脈沖光信號在時(shí)域上進(jìn)行 壓縮。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述成像系統(tǒng)還包括：第一色散器件； 所述第一色散器件用于將所述脈沖光信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖光信號的頻譜在時(shí)域上 展開； 所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到經(jīng)第一色散器件處理后的脈沖光信號上； 所述第一色散器件的色散值為D1，所述第二器件的色散值為D2, D1 = -D2。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述成像系統(tǒng)還包括： 第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述 偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中； 所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述反射光的脈沖光信號上； 所述圖像重構(gòu)裝置使用第一碼形發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼對轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行單像 素壓縮。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-10所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括： 光信號發(fā)生器，第二碼形發(fā)生器，第二光調(diào)制器； 所述光信號發(fā)生器用于產(chǎn)生無脈沖輸出的光信號； 所述第二碼形發(fā)生器用于產(chǎn)生脈沖信號； 所述第二光調(diào)制器用于將所述第二碼形發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號調(diào)制到所述光信號發(fā) 生器產(chǎn)生的光信號上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法， 其特征在于， 所述光信號發(fā)生器包括：寬帶非相干光源。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述成像系統(tǒng)還包括： 第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述 偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中； 所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述反射光的脈沖光信號上； 所述第一碼形發(fā)生器與所述第二碼形發(fā)生器的基準(zhǔn)時(shí)鐘同步。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述系統(tǒng)還包括：時(shí)鐘源； 所述時(shí)鐘源產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號，輸入到第一碼形發(fā)生器以及第二碼形發(fā)生器中。
15. -種基于壓縮米樣的主動成像系統(tǒng)， 其特征在于， 包括： 脈沖光信號發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生脈沖光信號； 第一光調(diào)制器，用于對所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行第一光譜調(diào) 制； 光成像裝置，用于對第一光調(diào)制器調(diào)制后的脈沖光信號進(jìn)行成像； 光采集裝置，用于對光成像裝置處理后的脈沖光信號照射目標(biāo)場景形成的反射光進(jìn)行 米集； 圖像重構(gòu)裝置，用于對所述光采集裝置采集到的反射光進(jìn)行圖像重構(gòu)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述成像系統(tǒng)還包括： 第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述 偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中； 所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述脈沖光信號上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述成像系統(tǒng)還包括： 第一碼形發(fā)生器，用于根據(jù)期望的成像圖像的分辨率產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將產(chǎn)生的所述 偽隨機(jī)碼輸入到所述第一光調(diào)制器中； 所述第一光調(diào)制器將所述偽隨機(jī)碼調(diào)制到所述脈沖光信號上； 所述圖像重構(gòu)裝置使用第一碼形發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼對轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行單像 素壓縮。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15-17所述的系統(tǒng)， 其特征在于， 所述脈沖光信號發(fā)生裝置包括： 光信號發(fā)生器，第二碼形發(fā)生器，第二光調(diào)制器； 所述光信號發(fā)生器用于產(chǎn)生無脈沖輸出的光信號； 所述第二碼形發(fā)生器用于產(chǎn)生脈沖信號； 所述第二光調(diào)制器用于將所述第二碼形發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號調(diào)制到所述光信號發(fā) 生器產(chǎn)生的光信號上。
19. 一種基于壓縮采樣的主動成像系統(tǒng)的成像方法， 其特征在于， 包括： 使用脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生脈沖光信號； 將所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號進(jìn)行第一光譜調(diào)制； 將經(jīng)過第一光譜調(diào)制后的脈沖光信號輸入到光成像裝置； 使用從所述光成像裝置輸出的脈沖光信號照射目標(biāo)場景； 使用光采集裝置采集所述目標(biāo)場景的反射光； 使用圖像重構(gòu)裝置對所述反射光進(jìn)行圖像重構(gòu)。
20. -種基于壓縮采樣的主動成像系統(tǒng)的成像方法， 其特征在于， 包括： 使用脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生脈沖光信號； 將所述脈沖光信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖光信號輸入到光成像裝置； 使用從所述光成像裝置輸出的脈沖光信號照射目標(biāo)場景； 使用光采集裝置采集所述目標(biāo)場景的反射光； 對所述光采集裝置采集的反射光進(jìn)行第一光譜調(diào)制； 使用圖像重構(gòu)裝置將經(jīng)過第一光譜調(diào)制后的脈沖光信號進(jìn)行圖像重構(gòu)。
【文檔編號】G01S17/89GK104267407SQ201410464799
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】陳宏偉 申請人:清華大學(xué)