一种基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统，包括：DMD芯片、DMD控制电路、单点探测器、数据采集单元、数据重构单元、光学系统。本发明的基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统可以解决现有技术中的中波红外热像仪价格非常昂贵，无法满足使用需求的技术难题。本发明提供了一种扫描效率高，占用存储空间小，而且成本较低的单点中波红外成像系统。
【专利说明】一种基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及单点中波红外成像系统【技术领域】，特别涉及一种基于压缩感知理论的 单点中波红外成像系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，红外成像系统广泛应用于热成像、爆炸研宄、目标特性检测、高速目标检 测跟踪、伪装和反伪装以及机械设备状态监测等科研和国防领域。由于较高温度的目标在 中波区域具有很强的辐射，因此中波红外探测器适用于对高温目标进行成像；同时中波红 外系统通常需要采用制冷设备将芯片工作温度控制到100K以下，极大地抑制了噪声，因此 中波红外成像系统相比长波红外成像系统具有更好的图像质量。
[0003] 目前，国内使用的制冷型中波红外探测器主要依赖于进口，由于国外的限购政策 以及产品生产工艺的限制，因此中波红外热像仪价格非常昂贵，达到几十万甚至上百万，极 大的限制了国内中波红外技术的发展。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决现有技术中的面阵中波红外成像系统价格昂贵的技术问题，提供一 种利用成本较低的数字微镜阵列（DMD)和制冷型单点中波红外探测器搭建的，基于压缩感 知理论的单点中波红外成像系统。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
[0006] 一种基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统，包括：
[0007] DMD芯片、DMD控制电路、单点探测器、数据采集单元、数据重构单元、光学系统；
[0008] DMD控制电路可根据基于压缩感知理论预先给定的测量矩阵控制DMD芯片的翻转 状态；
[0009] 测量矩阵包含0、1的矩阵，其中0表示微镜的OFF状态，1表示微镜的ON状态；通 过控制微镜的翻转状态决定该点的光能量值是否被探测器所接收；
[0010] 数据采集单元接收到DMD控制单元发出的外同步信号时，可对单点探测器输出模 拟信号进行采集，经过放大、A/D转换后，将形成的数字信号经图像采集卡输送到上位机； 然后在数据重构单元中对数据进行重构，获得精确的外界场景图像。
[0011] 在上述技术方案中，当微镜处于ON状态时，反射镜发生正向翻转，光线经过第二 个透镜，被位于像平面位置的红外单点探测器接收；当微镜处于OFF状态下，反射镜发生负 向翻转，光线偏出视场外。
[0012] 在上述技术方案中，所述微镜处于ON状态时，反射镜发生正向的+12°的翻转；当 微镜处于OFF状态下，反射镜发生负向的-12°翻转。
[0013] 本发明具有以下的有益效果：
[0014] 本发明的基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统可以解决现有技术中的中 波红外热像仪价格非常昂贵，无法满足使用需求的技术难题。本发明提供了一种扫描效率 高，占用存储空间小，而且成本较低的单点中波红外成像系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0016] 图1为本发明的基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统的原理框图。
[0017] 图2为本发明的基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统中的光路图。
【具体实施方式】
[0018] 本发明的发明思想为：一种基于压缩感知的中波红外面阵成像系统，主要由DMD 芯片及控制电路、制冷型单点中波红外探测器、图像数据采集与重构、光学系统等构成。
[0019] DMD芯片是一种新型、全数字化的平面显示器件，应用微电子机械学（MEMS)技术 将可旋转的微米级的铝制微反射镜和COMSSRAM集成在同一块芯片上。每个微反射镜相当 于一个光开关，能够旋转±12°。微镜的旋转由COMSSRAM的状态决定，当存储器单元状态 为"ON"即" 1"状态时，微镜旋转+12°，使入射光线被反射到单点探测器上；当存储器单元 状态为"OFF"即"0"状态时，微镜旋转-12°，入射光线偏出视场外。
[0020] 通过控制DMD驱动电路，使每一时刻只有一个微反射镜处于"ON"状态，其余均处 于"OFF"状态。按照从左到右、从上到下的顺序，遍历整个靶面，即可获得完整的靶面亮度 信息。
[0021] 经微镜反射的光线被单点探测器接收后，经过AD转换电路转换成数字信号，图像 采集部分对数字信号进行采集，并按照从左到右、从上到下的顺序依次显示，就可以获得外 界场景的图像。
[0022] 单点扫描是获取整幅图像的最简单的方式，能真实再现场景信息，但也存在较大 问题，DMD芯片通常由几十万甚至几百万片微反射镜组成，而DMD的翻转速度通常只有几 千到几万次每秒，因此单点扫描费时太长，同时图像数据的存储、处理需占用大量的存储空 间。
[0023] 为了解决上述两大问题，本发明以压缩感知理论为基础，提出一种新的扫描方式。 作为一个新的采样理论，压缩感知通过开发信号的稀疏特性，在远小于Nyquist采样率的 条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。
[0024] 根据压缩感知理论，对于一个一维列向量XeRm，存在测量矩阵ΦeRmw(M〈〈N)， 在该矩阵下的测量值yeRsm，它们之间满足：
[0025] y = Φχ (1)
[0026] 因为y的维数远远小于X的维数，因此式⑴存在多个解，很难重构原始信号X。 然而如果原始信号X具有K稀疏性，通过合理设计测量矩阵Φ，则通过对y求解Itl范数最 小化问题来精确重构原始信号X。
[0027]X=argmin| |x| | 〇s.ty=Φχ (2)
[0028] 其中Φ矩阵应满足约束等距性条件，即对于K稀疏信号和常数δKe(〇,I):
[0029] (1-δκ)||χ||22^ ||Φχ||22^ (1+δ κ)I IxM22(3)
[0030] 可以证明，对于一个Μ*Ν高斯随机矩阵，当M彡0(Klog(N/K))时，Φ矩阵以很高 的概率满足约束等距性条件。因此本发明选用高斯随机矩阵作为测量矩阵。
[0031] 通常拍摄到的外界场景都是比较复杂的，因此需要对图像进行一些变换，使图像 满足稀疏特性，常用的稀疏变换有小波变换、离散傅里叶变换等。本发明采用离散傅里叶变 换对图像进行稀疏处理。根据离散傅里叶变换的定义，有限长序列XeRm，其正、反变换 为：
【权利要求】
1. 一种基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统，其特征在于，包括： DMD芯片、DMD控制电路、单点探测器、数据采集单元、数据重构单元、光学系统； DMD控制电路可根据基于压缩感知理论预先给定的测量矩阵控制DMD芯片的翻转状 态； 测量矩阵包含〇、1的矩阵，其中〇表示微镜的OFF状态，1表示微镜的ON状态；通过控 制微镜的翻转状态决定该点的光能量值是否被探测器所接收； 数据采集单元接收到DMD控制单元发出的外同步信号时，可对单点探测器输出模拟信 号进行采集，经过放大、A/D转换后，将形成的数字信号经图像采集卡输送到上位机；然后 在数据重构单元中对数据进行重构，获得精确的外界场景图像。
2. 根据权利要求1所述的基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统，其特征在于， 当微镜处于ON状态时，反射镜发生正向翻转，光线经过第二个透镜，被位于像平面位置的 红外单点探测器接收；当微镜处于OFF状态下，反射镜发生负向翻转，光线偏出视场外。
3. 根据权利要求2所述的基于压缩感知理论的单点中波红外成像系统，其特征在于， 所述微镜处于ON状态时，反射镜发生正向的+12°的翻转；当微镜处于OFF状态下，反射镜 发生负向的-12°翻转。
【文档编号】G01J5/20GK104483025SQ201410797030
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】唐艳秋, 孙强, 赵建, 姚凯男 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所