基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统的制作方法

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。

背景技术：

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(compressive sensing,CS)理论指出：只要信号X∈R^N×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∈R^M×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Φ_M×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,…,y_M),即

Y＝ΦΘ＝ΦΨ^TX.

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‖Ψ^TX‖₁s.t.ΦΨ^TX＝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(Digital Micro-mirror Device，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。

技术实现要素：

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、将掩膜板组分块精确对应于焦平面探测器，以小规模探测器获得较高分辨图像，且有效控制采样时间；二、通过对感兴趣区域采用高分辨率掩膜板，其他区域采用低分辨率掩膜板，在有效控制测量次数的条件下显著提高感兴趣区域分辨率；三、通过掩膜板的相对运动，有效降低掩膜板制作成本以及掩膜板切换时间。

附图说明

图1是本专利实施例一中的红外并行压缩成像系统的结构示意图。

图2是本专利实施例一中的掩膜板组切换方式示意图。

图3是本专利实施例二中的掩膜板组切换方式示意图。

图4是本专利实施例三中的掩膜板组结构示意图。

图5是本专利实施例三中的掩膜板组状态示意图，其中(1)为3块竖直掩膜板覆盖感兴趣区域时的示意图；(2)为2块竖直掩膜板覆盖感兴趣区域时的示意图；(3)为当所有掩膜板水平移动到尽头后，感兴趣区域的竖直掩膜板进行竖直方向运动时的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本专利作进一步说明。

实施例一

图1是本实施例一中的红外并行压缩成像系统的结构示意图。如图1所示，红外并行压缩成像系统由前置红外镜头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组成。前置红外镜头1先将红外场景成像到掩膜板组2上，掩膜板组2再通过后置红外镜头4成像到红外焦平面探测器5上。计算机6控制二维电动位移平台3改变掩膜板组2的相对位置从而实现掩膜板状态的切换。掩膜板状态每切换一次，红外焦平面探测器5采集一次数据，并且将测量数据上传至计算机6的数据采集卡。最后根据采集的数据对感兴趣区域以及其他区域分别进行重建。

掩膜板组切换方式如图2所示。其中工作区域大小为24mm×36mm.掩膜板2a-1尺寸为30mm×40mm,最小单元边长为10μm,因而掩膜板2a-1在工作区域的行列数为2400×3600.掩膜板2a-2尺寸为40mm×5mm，最小单元边长为5μm,因而在工作区域的行列数为4800×1000.此时掩膜板切换规则为：先将掩膜板2a-2沿水平方向移动到感兴趣区域，移动步长为10μm；同时沿水平方向移动掩膜板2a-1，移动步长为10μm，直到掩膜板2a-1不能继续朝着这个方向移动；若感兴趣区域测量次数不够，则沿着竖直方向移动掩膜板2a-2，移动步长为5μm.

将红外焦平面探测器5上8×8的像元合并为一个大像元，因而探测器分辨率变为128×160.此时水平掩膜板上20×20个单元对应探测器上一个大像元。竖直掩膜板上40×40个单元对应探测器上一个大像元。当测量率为25％时，高分辨率感兴趣区域需要的测量次数为

40×40×25％＝400

其他区域需要的测量次数为

20×20×25％＝100

因而若只对整幅图像进行低分辨率重建，只需要切换100次掩膜板状态，但是若要获得高分辨率感兴趣区域的图像则需要继续切换300次掩膜板状态。此时采集的数据量为

若采用传统方法对整幅图像进行高分辨率成像，采集的数据量为

4800×7200＝3.456×10⁷

此时采用本实施例中的成像方法采集的数据量约是传统方法的8.85％.

若采用传统方法对整幅图像进行低分辨率成像，采集的数据量为

2400×3600＝8.64×10⁶

此时采用本实施例中的成像方法采集的数据量约是传统方法的35.4％.

实施例二

本实施例二中仅改变掩膜板组的切换方式，系统其他结构与实施例一中相同，因而省略相关说明。图3是本实施例二中的掩膜板组切换方式示意图。其中工作区域大小为24mm×36mm.掩膜板2b-1尺寸为30mm×40mm,最小单元边长为10μm,因而掩膜板2b-1在工作区域的行列数为2400×3600.掩膜板2b-2尺寸为40mm×5mm，最小单元边长为5μm,因而在工作区域的行列数为4800×1000.此时掩膜板的切换规则为：掩膜板2b-2先以连续翻转180°的方式移动到感兴趣区域，且每次翻转均以靠近感兴趣区域的竖直的边为轴，因而移动步长为掩膜板2b-2水平方向边长5mm；同时沿水平方向移动掩膜板2b-1，移动步长为10μm，直到掩膜板2b-1不能继续朝着这个方向移动；若感兴趣区域测量次数不够，则沿着竖直方向移动掩膜板2b-2，移动步长为5μm.

掩膜板组与探测器仍满足实施例一中的对应关系。此时采用本实施例中的成像方法采集的数据量约是高分辨率(低分辨率)传统方法的8.85％(35.4％).

实施例三

本实施例三中仅改变掩膜板组的切换方式，系统其他结构与实施例一中相同，因而省略相关说明。图4是本实施例三中的掩膜板组结构示意图。其中工作区域尺寸为24mm×36mm.掩膜板2c-1与掩膜板组2c-2的最小单元边长均为5μm.掩膜板2c-1的尺寸为30mm×40mm。掩膜板组2c-2的总尺寸为40mm×40mm.将2c-2划分为10等份，因而每一份的尺寸为40mm×4mm.此外初始状态掩膜板2c-1与2c-2叠加部分的非镂空单元可以通过互补构成更大的正方形非镂空单元，其边长为10μm.此时掩膜板的切换规则为：所有掩膜板均沿水平方向进行同步运动，移动步长为10μm；若需要提高感兴趣区域分辨率，则使得感兴趣区域内的竖直模板沿着竖直方向向上平移5μm，感兴趣区域外的掩膜板则保持初始状态的相对位置，同时所有掩膜板仍沿水平方向进行同步运动；若感兴趣区域测量次数不够，则可继续沿竖直方向移动感兴趣区域的竖直掩膜板,移动步长为5μm.且某个竖直掩膜板只要部分包含于感兴趣区域，该竖直掩膜板就做竖直方向平移。

仍将红外焦平面探测器5上8×8的像元合并为一个大像元，因而探测器分辨率为128×160.由于掩膜板的互补关系，非感兴趣区域的最小单元边长为10μm.因而非感兴趣区域上20×20个单元对应探测器上一个大像元，感兴趣区域上40×40个单元对应探测器上一个大像元。设感兴趣区域的尺寸为24mm×6mm,则在整个掩膜板组水平移动的过程中，只需要2或3块竖直掩膜板在感兴趣区域错开。图5展示了本实施例三中掩膜板组的三种状态，其中(1)为所有掩膜板水平同步运动时3块竖直掩膜板覆盖感兴趣区域的情况；(2)为所有掩膜板水平同步运动时2块竖直掩膜板覆盖感兴趣区域的情况；(3)为当所有掩膜板水平移动到尽头后，感兴趣区域的竖直掩膜板进行竖直方向运动时的情况。

当测量率为25％时，高分辨率感兴趣区域需要的测量次数仍为400次，其他区域需要的测量次数为100次。若只对整幅图像进行低分辨率重建，只需要切换100次掩膜板状态，但是若要获得高分辨率感兴趣区域的图像则需要继续切换300次掩膜板状态。采用本实施例中的成像方法采集的数据量仍约是高分辨率(低分辨率)传统方法的8.85％(35.4％).

本专利不限于上述实施方式的范围。本领域相关技术人员在该思想框架下所做的改动均在保护之列。