本发明涉及目标检测识别与成像领域，具体涉及一种压缩感知成像装置及方法。
背景技术：
关联成像(correlatedimaging)，也称鬼成像(ghostimaging)，是一种基于光场涨落的量子或者经典关联特性，通过参考光场与目标探测光场之间的强度关联运算，可以非定域地获取目标图像信息的新型成像技术。然而传统的关联成像存在采样次数较多，成像时间长，系统结构复杂的问题，并不适用于在恶劣天气或水体这种复杂多变的环境中成像。压缩感知(compressivesensing)技术是近年来出现的一种全新的信号采样技术，不同于传统的奈奎斯特采样定理，该技术将信号的压缩过程与采样过程同步完成，即将高维的原始信号通过观测矩阵投影到低维的空间上，以少量的投影参数通过求解优化问题高概率的重构原始信号。该技术可以有效的提高信号采样效率，降低信号处理时间和计算成本。
基于压缩感知的关联成像技术可以有效的克服传统关联成像技术关于探测时间、系统复杂度的问题。由于该技术仍然采用单像素探测器作为接收核心器件，其光电转换效率高，增益高，响应速度快，非常适合于弱光环境下的检测。由于光电探测器接收的不再是具有空间分辨率的信号，而是视场范围内的总光强值，不容易受到水中湍流、波动、杂质的干扰。另外，由于参考端采用具有调制功能的器件代替，大幅度的降低了系统复杂度和体积度，使得系统的环境适应能力和稳定性得到了大幅度的提高。
虽然压缩感知成像具有优异的弱信号检测和抗环境干扰能力，因此更适用于强散射和强吸收的成像介质。然而由于该原理为了获得距离信息，通常使用单色短脉冲激光作为光源，使得在不同的天气条件或者水体中，在没有进行波长优选的情况下，单波长的测量方式会受到环境的影响从而降低成像距离和成像质量，这种方式具有较低的环境适应能力，不利于在复杂的环境下精确地恢复目标图像。
技术实现要素：
本发明提供了一种压缩感知成像装置及方法，以解决现有技术中存在的采用单波长的成像方式适用性较差，以及恢复的目标图像精确度低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种压缩感知成像装置，包括发射系统、多通道探测系统和中央处理系统：
所述发射单元包括沿光路依次设置的非单色光源、空间光调制器和投射单元，所述非单色光源发出的光束经所述空间光调制器调制后经所述投射单元投射至检测目标上；
所述中央处理系统包括相互连接的信号处理单元和控制单元，所述信号处理单元为并行处理计算机，所述多通道探测系统与所述信号处理单元连接，所述空间光调制器与所述控制单元连接。
进一步的，所述非单色光源为宽光谱光源，所述宽光谱光源为基于larp技术的白光源或气体放电光源或led光源或自然光源。
进一步的，所述多通道探测系统包括沿光路依次设置的通道选择单元和光电探测器，所述光电探测器为单像素探测器，且与所述信号处理单元连接。
进一步的，所述非单色光源为由若干波长不同的单色光源组成的光源阵列。
进一步的，所述多通道探测系统包括沿光路依次设置的通道选择单元和光电探测器，所述光电探测器为单像素探测器，且与所述信号处理单元连接。
进一步的，所述通道选择单元为旋转滤光片，分时透过所述不同波长的反射光。
进一步的，所述多通道探测系统包括用于收集所述检测目标的反射光束的收光单元、与所述收光单元连接的分束单元以及与所述分束单元对应的若干光电探测器，每个光电探测器探测所述非单色光源中一种波长的光。
进一步的，所述多通道探测系统还包括多个沿光路依次设置的透反镜，每个所述透反镜与其中一个所述光电探测器对应。
本发明还提供一种如上所述的压缩感知成像装置的成像方法，包括以下步骤：
s1：所述非单色光源发出多波长的光束，经所述空间光调制器调制后通过投射单元投射至所述检测目标上；
s2：经所述检测目标反射的光束由所述多通道探测系统接收，所述多通道探测系统分别对不同波长的反射光进行探测，并将探测到的信息传递给所述信号处理单元，同时控制单元将空间光调制器的调制矩阵发送至所述信号处理单元；
s3：所述信号处理单元对不同波长光的探测结果进行并行处理，分别针对不同波长的探测结果与空间光调制器的调制矩阵进行关联计算得到对应的重构图像；
s4：所述信号处理单元针对不同波长的重构图像采用多通道图像融合技术进行处理，得到最终的成像结果。
进一步的，所述步骤s4包括以下步骤：
s41:将不同波长对应的重构图像进行rgb值分解，并针对每个r/g/b值进行归一化处理，得到3组rgb图像；
s42:将所述3组rgb图像进行傅立叶变换，得到3组rgb图像的频谱矩阵，并根据不同波长对频谱进行均衡处理；
s43:将每组rgb图像的频谱矩阵进行统计平均计算，得到频谱均值矩阵和频谱方差矩阵，以所述频谱方差矩阵作为参数修正所述频谱均值矩阵，将每组rgb图像修正后的频谱均值矩阵叠加，并进行傅里叶逆变换得到最终的成像结果。
本发明提供的压缩感知成像装置及方法，该成像装置包括发射系统、多通道探测系统和中央处理系统，通过在发射系统中设置非单色光源发出多波长的光束投射至检测目标上进行反射，通过多通道探测系统分别对不同波长的反射光进行探测，并通过中央处理系统对不同波长光的探测结果进行并行处理，分别针对不同波长的探测结果进行关联计算得到对应的重构图像，最后通过信号处理单元针对不同波长的重构图像采用多通道图像融合技术进行处理，得到最终的成像结果，本发明采用非单色光源对检测目标进行探测，以获得相近的频谱信息以及不同波长带来的互补频谱信息，利用这些互补频谱信息以得到更加全面的重构目标的频谱信息，从而降低空气污染物或水体引起的图像损失，获得更逼真的图像质量，提高了图像重构精度。
附图说明
图1是本发明实施例1中压缩感知成像装置的框架结构图；
图2是本发明实施例1中压缩感知成像装置一具体结构示意图；
图3是本发明实施例2中压缩感知成像装置一具体结构示意图；
图4是本发明实施例3中压缩感知成像装置一具体结构示意图；
图5是本发明实施例4中压缩感知成像装置一具体结构示意图。
图中所示：10、发射系统；110、非单色光源；110a、红色光源；111a、绿色光源；111c、蓝色光源；120、空间光调制器；130、投射单元；140、整形及准直器件；
20、多通道探测系统；210、通道选择单元；220、光电探测器；220a、红光探测器；220b、绿光探测器；220c、蓝光探测器；230、收光单元；
30、中央处理系统；310、信号处理单元；320、控制单元；
40、检测目标；50a、第一透反镜；50b、第二透反镜；50c、第三透反镜；50d、第四透反镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种压缩感知成像装置，包括发射系统10、多通道探测系统20和中央处理系统30。
所述发射单元10包括沿光路依次设置的非单色光源110、空间光调制器120和投射单元130，所述非单色光源110发出的光束经所述空间光调制器120调制后经所述投射单元130投射至检测目标40上；具体的，非单色光源110为可以输出至少两种波长的光源，本实施例中，非单色光源110为宽光谱光源，即可以输出连续波长的光源，所述宽光谱光源为基于larp(激光远程激发荧光粉)技术的白光源或气体放电光源或led光源或自然光源，此外，在非单色光源110沿光路的后方设置整形及准直器件140，对非单色光源110发出的光束进行整形和准直。所述空间光调制器120为数字微镜阵列(dmd)，由若干微镜组成，根据设定的调制矩阵控制每个微镜的状态，从而实现对光束的调制；所述投射单元130可以采用投影镜头，或者任意其他镜头，用于将空间光调制器120的像投射至检测目标40上。
所述中央处理系统30包括相互连接的信号处理单元310和控制单元320，所述信号处理单元310为并行处理计算机，所述信号处理单元310与所述多通道探测系统20连接，接收所述多通道探测系统20的探测数据，通过并行处理计算机对不同波长的探测数据进行并行处理，具体为分别针对不同波长的探测结果进行与空间光调制器120的调制矩阵进行关联计算得到对应的重构图像，此处的关联计算具体为，针对同一个检测目标40，多次调节空间光调制器120中的反射镜的状态，得到不同的调制矩阵，光束经过不同的调制矩阵调制后照射到检测目标40上进行反射，反射的光束被光电探测器220探测得到不同的测量值，不同的调制矩阵构成一个大矩阵，不同测量值构成一个一维向量，两者进行关联计算从而得到一帧重构图像。最后对获得的重构图像采用多通道图像融合技术进行处理，得到最终的成像结果。所述控制单元320与所述空间光调制器120连接，根据设定的调制矩阵控制空间光调制器130中的微镜的状态，实现对光束进行调制。
优选的，所述多通道探测系统20包括沿光路依次设置的通道选择单元210和光电探测器220，所述光电探测器220为单像素探测器，且与所述信号处理单元310连接。具体的，所述光电探测器220为单像素探测器。如图2所示，所述通道选择单元210为旋转滤光片，分时透过所述不同波长的反射光，需要说明的是，该旋转滤光片包括具有多个滤光区的滤光片和带动该滤光片旋转的驱动机构(图中均为示出)，且每个滤光区对应不同的波长的光，通过驱动机构带动滤光片旋转，分时透过不同波长的光，使光电探测器210对不同波长的反射光分别进行探测。需要说明的是，当同一水下目标的图像频谱信息被不同波长的光源探测时，不仅能获得相近的频谱信息，而且能获得不同波长所带来的互补频谱信息。利用这些互补频谱信息便可以更加全面的重构目标的频谱信息，降低空气污染物或水体引起的图像损失，从而获得更逼真的图像质量。
本实施例中还提供一种上述压缩感知成像装置的成像方法，包括以下步骤：
s1：所述非单色光源110发出包括多种波长的光束，经所述空间光调制器120调制后通过投射单元130投射至所述检测目标40上；本实施例中，非单色光源110采用可以输出连续波长的宽光谱光源，如基于larp(激光远程激发荧光粉)技术的白光源或气体放电光源或led光源或自然光源，在非单色光源110沿光路的后方设置整形及准直器件140，对非单色光源110发出的光束进行整形和准直。所述空间光调制器120为由若干微镜组成的数字微镜阵列(dmd)，通过控制单元320根据设定的调制矩阵控制每个微镜的状态，从而实现对光束的调制；所述投射单元130用于将空间光调制器120的像投射至检测目标40上。
s2：经所述检测目标40反射的光束由所述多通道探测系统20接收，所述多通道探测系统20分别对不同波长的光束进行探测，并将探测到的信息传递给所述信号处理单元310，同时控制单元320将空间光调制器120的调制矩阵发送至所述信号处理单元310；具体的，本实施例中，多通道探测系统20包括沿光路依次设置的通道选择单元210和光电探测器220，其中光电探测器220为单像素探测器。所述通道选择单元210为旋转滤光片，分时透过所述不同波长的反射光，需要说明的是，该旋转滤光片包括具有多个滤光区的滤光片和带动该滤光片旋转的驱动机构(图中均为示出)，且每个滤光区对应不同的波长的光，通过驱动机构带动滤光片旋转，分时透过不同波长的光，使光电探测器210对不同波长的反射光分别进行探测。
s3：所述信号处理单元310对不同波长的探测结果进行并行处理，分别针对不同波长的探测结果进行关联计算得到对应的重构图像；具体的，所述信号处理单元310为并行处理计算机，所述信号处理单元310与所述多通道探测系统20连接，接收所述多通道探测系统20的探测数据，通过并行处理计算机对不同波长的探测数据进行并行处理，具体为分别针对不同波长的探测结果与空间光调制器120的调制矩阵进行关联计算得到对应的重构图像。此处的关联计算具体为，针对同一个检测目标40，多次调节空间光调制器120中的反射镜的状态，得到不同的调制矩阵，光束经过不同的调制矩阵调制后照射到检测目标40上进行反射，反射的光束被光电探测器220探测得到不同的测量值，不同的调制矩阵构成一个大矩阵，不同测量值构成一个一维向量，两者进行关联计算从而得到一帧重构图像。
s4：所述信号处理单元310针对不同波长的重构图像采用多通道图像融合技术进行处理，得到最终的成像结果。包括以下步骤：
s41:将不同波长对应的重构图像进行rgb值分解得到三个图像，并针对每个图像值进行归一化处理，得到3组rgb图像；具体的，以三个波长为例，对应的重构图像为h、i、k，则分别对其进行rgb值分解得到三个图像为{hr、hg、hb}；{ir、ig、ib}；{kr、kg、kb}；针对其进行归一化处理得到的三组rgb图像为{(hr)′、(ir)′、(kr)′}；{(hg)′、(ig)′、(kg)′}；{(hb)′、(ib)′、(kb)′}，其中()′为归一化运算；当然在实际应用时，不同波长的数量应大于3，优选大于10，从而提高融合图像的数量，检测目标40的图像重构精度。
s42:将所述3组rgb图像进行傅立叶变换，得到3组rgb图像的频谱矩阵，并针对不同波长进行频谱均衡处理；具体的，根据傅里叶变换公式
s43:将每组rgb图像的频谱矩阵进行统计平均计算，得到频谱均值矩阵和频谱方差矩阵，以所述频谱方差矩阵作为参数修正所述频谱均值矩阵，将每组rgb图像修正后的频谱均值矩阵叠加，并进行傅里叶逆变换得到最终的成像结果。具体的，分别针对每组rgb图像的频谱矩阵进行求算数平均和方差运算，得到频谱均值矩阵和对应的频谱方差矩阵，将每个频谱均值矩阵±0.1*频谱方差矩阵，从而得到修正后的频谱均值矩阵；最后将每组rgb图像修正后的频谱均值矩阵叠加，并进行傅立叶逆变换得到最终的成像结果。这里也可以先将每组rgb图像修正后的频谱均值矩阵进行傅立叶逆变换之后再进行叠加，得到最终的成像结果。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中，所述多通道探测系统20包括用于收集所述检测目标的反射光束的收光单元230、与所述收光单元连接的分束单元以及与所述分束单元对应的若干光电探测器220，每个光电探测器220探测所述非单色光源中一种波长的光，所述分束单元将所述反射光束分成不同波长的光，通过对应波长的光电探测器220进行探测。具体的，所述收光单元230用于收集检测目标40反射的多波长的光束，并传递给分束单元，收光单元230可以设置一个或多个且与光电探测器220一一对应，本实施例中，设置一个收光单元230，该收光单元230沿光路位于分束单元之前，如图3所示，以3个光电探测器220为例，分别为红光探测器220a、绿光探测器220b和蓝光探测器220c，所述分束单元包括沿光路依次设置的两个透反镜，分别为第一透反镜50a和第二透反镜50b，选择第一透反镜50a为反射蓝光，透射红光和绿光的透反镜，选择第二透反镜50b为反射绿光，透射红光的透反镜，本实施例中，第一透反镜50a和第二透反镜50b均与水平方向呈45°倾斜设置，以更好地实现透射和反射的目的，将蓝光探测器220c设于第一透反镜50a蓝光的反射光路上，将绿光探测器220b设于第二透反镜50b绿光的反射光路上，将红光探测器220a设于第二透反镜50b红光的透射光路上，分别实现对蓝光、绿光和红光的探测。当然也可以选择第一透反镜50a为反射红光，透射绿光和蓝光的透反镜，选择第二透反镜50b为反射绿光，透射蓝光的透反镜，同理第一透反镜50a和第二透反镜50b均与水平方向呈45°倾斜设置，将红光探测器220a设于第一透反镜50a红光的反射光路上，将绿光探测器220b设于第二透反镜50b绿光的反射光路上，将蓝光探测器220c设于第二透反镜50b蓝光的透射光路上，分别实现对红光、绿光和蓝光的探测。上述方法依据光学镀膜的原理，透射谱从长波长向短波长扩展或从短波向长波扩展。当然也可以设置三个收光单元230，与单像素探测器220一一对应，在每个单像素探测器220前方(也即在单像素探测器220与对应的透反镜之间)设置对应的收光单元230，当然相对于采用一个收光单元230的方案，硬件成本较高，透反镜的尺寸也较大。采用本实施例的方案实现了在同一时刻获得不同波长的信号，重构图像精度高，不易受到外部环境和系统空间位置偏移带来的负面影响。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例中，所述非单色光源110包括由若干波长不同的单色光源组成的光源阵列。本实施例中，以三种单色光源为例，分别为红色光源111a、绿色光源111b和蓝色光源111c，三种光源可以错位排列，发出的光线相互独立，也可以通过设置光学元件融合为一个光束，如图4所示，通过设置第三透反镜50c和第四透反镜50d，使三个光源发出的光束融合为一个光束，选择第三透反镜50c为透射红光，反射绿光的透反镜，选择第四透反镜50d为透射红光和绿光，反射蓝光的透反镜，红色光源111a、第三透反镜50c和第四透反镜50d沿光路依次排列，绿色光源111b与所述第三透反镜50c对应，蓝色光源111c与所述第四透反镜50d对应。红色光源111a发出的红光依次透过蓝色光源111c与所述第四透反镜50d后投射至整形及准直器件140上，绿色光源111b发出的绿光被第三透反镜50c反射后透过第四透反镜50d并投射至整形及准直器件140上，蓝色光源111c发出的蓝光被第三透反镜50c反射后投射至整形及准直器件140上，三种颜色同时发光，且合成一种光束。当然也可以选择第三透反镜50c为透射蓝光，反射绿光的透反镜，选择第四透反镜50d为透射蓝光和绿光，反射红光的透反镜，将蓝色光源111c、第三透反镜50c和第四透反镜50d沿光路依次排列，绿色光源111b与所述第三透反镜50c对应，红色光源111d与所述第四透反镜50d对应。蓝色光源111c发出的蓝光依次透过蓝色光源111c与所述第四透反镜50d后投射至整形及准直器件140上，绿色光源111b发出的绿光被第三透反镜50c反射后透过第四透反镜50d并投射至整形及准直器件140上，红色光源111a发出的红光被第三透反镜50c反射后投射至整形及准直器件140上，三种颜色同时发光，且合成一种光束。上述布置原理均基于光学镀膜中，透射谱从长波长向短波长扩展或从短波向长波扩展的原理。当然也可以采用其他的布置方式，只要满足光学镀膜的原理即可。
所述多通道探测系统20包括沿光路依次设置的通道选择单元210和光电探测器220，所述光电探测器220为单像素探测器，且与所述信号处理单元310连接。具体的，所述光电探测器220为单像素探测器。所述通道选择单元210为旋转滤光片，分时透过所述不同波长的反射光，需要说明的是，该旋转滤光片包括具有多个滤光区的滤光片和带动该滤光片旋转的驱动机构(图中均为示出)，且每个滤光区对应不同的波长的光，通过驱动机构带动滤光片旋转，分时透过不同波长的光，使光电探测器210对不同波长的反射光分别进行探测，该方案采用分时段接收探测信号的方法，降低了信号处理单元310的硬件复杂度。当然也可以在中央处理系统30中设置一个同步控制单元，控制红色光源111a、绿色光源111b和蓝色光源111c分时发光，同时控制驱动机构带动旋转滤光片旋转使旋转滤光片上的滤光区与当前的发光光源同步。
实施例4
如图5所示，与实施例3不同的是，本实施例中，所述多通道探测系统20包括用于收集所述检测目标的反射光束的收光单元230、与所述收光单元连接的分束单元以及与所述分束单元对应的若干光电探测器220，每个光电探测器220探测所述非单色光源中一种波长的光，所述分束单元将所述反射光束分成不同波长的光，通过对应波长的光电探测器220进行探测。具体的，所述收光单元230用于收集检测目标40反射的多波长的光束，并传递给分束单元，收光单元230可以设置一个或多个且与光电探测器220一一对应，本实施例中，设置一个收光单元230，该收光单元230沿光路设于分束单元之前，以3个光电探测器220为例，分别为红光探测器220a、绿光探测器220b和蓝光探测器220c，三个光电探测器220可以根据反射光错位设置，分别接收反射光并探测对应的光线，也可以采用其他电路元件以简化布置方法，如图5所示，所述分束单元包括沿光路依次设置的两个透反镜，分别为第一透反镜50a和第二透反镜50b，选择第一透反镜50a为反射蓝光，透射红光和绿光的透反镜，选择第二透反镜50b为反射绿光，透射红光的透反镜，本实施例中，第一透反镜50a和第二透反镜50b均与水平方向呈45°倾斜设置，以更好地实现透射和反射的目的。将蓝光探测器220c设于第一透反镜50a蓝光的反射光路上，将绿光探测器220b设于第二透反镜50b绿光的反射光路上，将红光探测器220a设于第二透反镜50b红光的反射光路上，分别实现对蓝光、绿光和红光的探测。当然也可以选择第一透反镜50a为反射红光，透射绿光和蓝光的透反镜，选择第二透反镜50b为反射绿光，透射蓝光的透反镜，同理第一透反镜50a和第二透反镜50b均与水平方向呈45°倾斜设置，将红光探测器220a设于第一透反镜50a红光的反射光路上，将绿光探测器220b设于第二透反镜50b绿光的反射光路上，将蓝光探测器220c设于第二透反镜50b蓝光的透射光路上，分别实现对红光、绿光和蓝光的探测。上述方法依据光学镀膜的原理，透射谱从长波长向短波长扩展或从短波向长波扩展。当然也可以设置三个收光单元230，与单像素探测器220一一对应，在每个单像素探测器220沿光路的前方(也即在单像素探测器220与对应的透反镜之间)设置对应的收光单元230，当然相对于采用一个收光单元230的方案，硬件成本较高，透反镜的尺寸也较大。此外，也可以在中央处理系统30中设置一个同步控制单元，控制红色光源111a、绿色光源111b和蓝色光源111c分时发光，同时控制红光探测器220a、绿光探测器220b和蓝光探测器220c分时打开，且与对应的光源同步。采用本实施例中的方案的压缩感知成像装置具体适应性强以及重构信息精确的优点。
综上所述，本发明提供的压缩感知成像装置及方法，该成像装置包括发射系统10、多通道探测系统20和中央处理系统30，通过在发射系统10中设置非单色光源210发出多波长的光束投射至检测目标40上进行反射，通过多通道探测系统20分别对不同波长的反射光进行探测，并通过中央处理系统30对不同波长光的探测结果进行并行处理，分别针对不同波长的探测结果进行关联计算得到对应的重构图像，最后通过信号处理单元310针对不同波长的重构图像采用多通道图像融合技术进行处理，得到最终的成像结果，本发明采用非单色光源210对检测目标进行探测，以获得相近的频谱信息以及不同波长带来的互补频谱信息，利用这些互补频谱信息以得到更加全面的重构目标的频谱信息，从而降低空气污染物或水体引起的图像损失，获得更逼真的图像质量，提高了图像重构精度。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。