一种单像素层析成像系统

本发明涉及成像
技术领域：
，特别是涉及一种单像素层析成像系统。
背景技术：
：探测目标(飞机、轮船、汽车、导弹等)总是处在背景(大气、云层、海水、地物等)中，背景中也有红外辐射，起到了噪声的作用。目前已有的获取探测目标的方法都是直接对准探测目标极性拍摄，当图像有背景噪声或者探测目标的光强度较低时，是无法成像的，也就无法获得探测目标图像。技术实现要素：本发明的目的是提供一种单像素层析成像系统，以实现探测目标的成像。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种单像素层析成像系统，所述系统包括：别汗棱镜、柱面镜、调制盘、光电探测器和计算机；别汗棱镜、柱面镜、调制盘和光电探测器沿着光线的传输方向依次设置，探测目标的中心、别汗棱镜的中心、柱面镜的中心、调制盘的中心和光电探测器的镜头中心位于一条直线上；所述别汗棱镜根据预设旋转角度进行多次旋转，多次旋转的角度之和为360°；在每次按照预设旋转角度旋转所述别汗棱镜后，所述探测目标经过所述别汗棱镜的全反射后获得旋转180°的物体图像，旋转180°的物体图像通过所述柱面镜压缩成一条光线，压缩的光线经过一直旋转的调制盘的空间滤波与调制获得调制后的光线，所述光电探测器接收调制后的光线，根据调制后的光线获得光强幅值电信号，并将所述光强幅值电信号传输至所述计算机；所述计算机根据所述光强幅值电信号获得光强幅值与时间的关系图，采用傅里叶变换获得光强幅值与频率的比例关系图，并根据多次旋转别汗棱镜后的所有光强幅值与频率的比例关系图，利用滤波反投影重建算法得到探测目标的图像。进一步地，所述调制盘的每圈由透明格子和不透明格子组成，每圈的透明格子的数量与不透明格子的数量相同，每圈中透明格子与不透明格子交替设置。进一步地，所述调制盘通过光线的频率为fi＝fim*ω/2π；其中，fi为调制盘第i圈通过光线的频率，fim为调制盘第i圈的调制系数，m为调制盘第i圈透明格子的数量，fim＝m，ω为调制盘旋转时的角速度。进一步地，所述系统还包括：第一凸透镜；所述第一凸透镜设置在所述别汗棱镜和所述柱面镜之间，所述第一凸透镜用于将旋转180°的物体图像汇聚到所述柱面镜上。进一步地，所述系统还包括：第二凸透镜；所述第二凸透镜设置在所述调制盘和所述光电探测器之间，所述第二凸透镜用于将调制后的光线汇聚到所述光电探测器上。进一步地，所述系统还包括：数字示波器；所述数字示波器连接在所述光电探测器和所述计算机之间，所述数字示波器用于采集所述光强幅值电信号，并将所述光强幅值电信号传输至所述计算机。进一步地，所述系统还包括：转台；所述别汗棱镜设置在所述转台的中心，通过旋转所述转台使得别汗棱镜进行旋转。进一步地，所述光电探测器为点式探测器。根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种单像素层析成像系统，探测目标经过别汗棱镜的全反射后获得旋转180°的物体图像，旋转180°的物体图像通过柱面镜压缩成一条光线，压缩的光线经过一直旋转的调制盘的空间滤波与调制获得调制后的光线，光电探测器接收调制后的光线，根据调制后的光线获得光强幅值电信号，计算机根据光强幅值电信号获得光强幅值与时间的关系图，采用傅里叶变换获得光强幅值与频率的比例关系图，并根据多次旋转别汗棱镜后的所有光强幅值与频率的比例关系图，利用滤波反投影重建算法得到探测目标的图像。本发明通过调制盘的空间滤波，将探测目标从背景中分离，并利用滤波反投影重建算法滤除信号干扰，可以测量极其微弱的信号，实现了探测目标的成像。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明提供的一种单像素层析成像系统的结构图；图2为本发明提供的柱面镜的原理图；图3为本发明实施例提供的探测目标图；图4为本发明实施例提供的光线经过调制盘时的简化图；图5为本发明实施例提供的调制盘的结构图；图6为本发明实施例提供的调制盘上透明格子的结构图；图7为本发明实施例提供的调制盘拉伸成矩形的结构图；图8为本发明实施例提供的信号特性曲线图；图8(a)为本发明实施例提供的时域曲线图，图8(b)为本发明实施例提供的频域曲线图；图9为本发明实施例提供的竖直方向的强度信息压缩成点的示意图；图10为本发明实施例提供的不同角度的直线图；图11为本发明实施例提供的探测目标的成像图；符号说明：1-别汗棱镜，2-柱面镜，3-调制盘，4-光电探测器，5-第一凸透镜，6-第二凸透镜，7-数字示波器，8-转台。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的目的是提供一种单像素层析成像系统，以实现探测目标的成像。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明提供了一种单像素层析成像系统，如图1所示，系统包括：别汗棱镜1、柱面镜2、调制盘3、光电探测器4和计算机(图1中未示出)。别汗棱镜1、柱面镜2、调制盘3和光电探测器4沿着光线的传输方向依次设置，探测目标的中心、别汗棱镜1的中心、柱面镜2的中心、调制盘3的中心和光电探测器4的镜头中心位于一条直线上。即，调制盘3位于柱面镜2的焦点(焦线)上。别汗棱镜1根据预设旋转角度进行多次旋转，多次旋转的角度之和为360°。在每次按照预设旋转角度旋转别汗棱镜1后，探测目标经过别汗棱镜1的全反射后获得旋转180°的物体图像，旋转180°的物体图像通过柱面镜2压缩成一条光线(二维图像变一维)，压缩的光线经过一直旋转的调制盘3的空间滤波与调制获得调制后的光线，光电探测器4接收调制后的光线，根据调制后的光线获得光强幅值电信号，并将光强幅值电信号传输至计算机。计算机根据光强幅值电信号获得光强幅值与时间的关系图，采用傅里叶变换获得光强幅值与频率的比例关系图，并根据多次旋转别汗棱镜1后的所有光强幅值与频率的比例关系图，利用滤波反投影重建算法得到探测目标的图像。本发明在获得原始图像时，只考虑图像的幅值，不考虑频率和角度(都属于中间量)。调制盘3的每圈由透明格子和不透明格子组成，每圈的透明格子的数量与不透明格子的数量相同，每圈中透明格子与不透明格子交替设置。调制盘3的作用：1.使恒稳的光能转变成交变的光能；2.产生目标所在空间位置的信号编码即数字表示的光强；3.空间滤波——抑制背景的干扰。调频调制盘3的目标能量利用率高、抗干扰能力强，因而探测距离较远。调制盘3通过光线的频率为fi＝fim*ω/2π。其中，fi为调制盘第i圈通过光线的频率，fim为调制盘第i圈的调制系数，m为调制盘第i圈透明格子的数量，fim＝m，ω为调制盘旋转时的角速度。图2为柱面镜2的原理图，光线的压缩由柱面镜2性质决定。柱面透镜是x轴和y轴上半径不同的一种透镜，因此透镜的形状为圆柱形或半圆柱形，而且只有单一光轴有图像放大倍率(类比普通的放大镜是将图像压缩成一个点，柱面镜2是压缩成一条线。或者类比三体降维打击，将3维变2维)。系统还包括：第一凸透镜5。第一凸透镜5设置在别汗棱镜1和柱面镜2之间，第一凸透镜5用于将旋转180°的物体图像汇聚到柱面镜2上。系统还包括：第二凸透镜6。第二凸透镜6设置在调制盘3和光电探测器4之间，第二凸透镜6用于将调制后的光线汇聚到光电探测器4上(一维图像变点)。光电探测器4位于第二凸透镜6的焦点上。系统还包括：数字示波器7。数字示波器7连接在光电探测器4和计算机之间，数字示波器7用于采集光强幅值电信号，并将光强幅值电信号传输至计算机。系统还包括：转台8。使用塑料螺栓将别汗棱镜1固定在转台8的中心，通过旋转转台8使得别汗棱镜1进行旋转。优选地，光电探测器4为点式探测器。本发明以一种具体图案设计的调制盘3为实施例来详细说明单像素层析成像系统的工作原理。图3为探测目标图，用矩阵表示探测目标，假设图像分辨率是10x10，如表1所示。表1探测目标的矩形表示111111111111111111111111111111经过别汗棱镜1后，图像翻转180度，如表2所示。表2探测目标翻转180度后的矩形表示11111111111111111111111111111111翻转后的图像，经过柱面镜2压缩后成一条直线，光强信号会进行叠加，光线与调制盘3的一侧半径重合，再用第二凸透镜6接收穿过调制盘3的光线，将其汇聚到光电探测器4上，光电探测器4的靶面大小为75.4mm2，有效区域为φ9.8mm，像素比较少，近似看做一个像素，可以视为点式探测器。如图4所示，圆形为调制盘3，横线为“一侧半径”，由于经过柱面镜2的压缩，光线通过调制盘3时是一条直线。1)假设经过柱面镜2是纵向压缩为了解释，使用1表示物体亮的的部分(或者暗的地方)，假设整个物体的光照强度幅值都为1，经过柱面镜2压缩后，不同位置的光强叠加在一起，使用2，3...表示叠加后的光照强度。此时图像已经从二维平面变成了一维直线，如表3所示。表3纵向压缩后的光照强度幅值11239932112)假设是横向压缩，如表4所示。表4横向压缩后的光照强度幅值062210422223)假设是45度压缩，如表5所示。表545度压缩后的光照强度幅值0001223432343310000调制盘3的每圈由透明和不透明的格子组成，格子的宽度(半径方向)是固定的(由分辨率决定，分辨率越高，宽度越小，圈数越多)。长度是看每圈的格数，透明和不透明各占一半，透明不透明格子交替。每圈透明格数可以任意排布(1，5，4，2，6，3等)，为了方便作图，每圈透明格数依次加一，如图5-7所示。调制盘3的形状经过设计，每圈的格数都不一样，对应于f＝fm*ω/2π，其中，f为频率；fm为调制系数，调制系数只与每圈的图案有关；ω表示调制盘3旋转时的角速度。调制盘3中心安装在电机上，电机由驱动器控制，调制盘3的转速可调。图5中调制盘3共有十圈，对应分辨率为10，增加圈数可以提高分辨率，每一圈的透明格数都比上一圈增加1，对应调制系数fm从1-10(每圈透明格数量等于每圈的调制系数，每圈的调制系数原则上是任意的，为了方便画成依次加一)。图7所示，将圆盘拉伸成矩形，可以容易看出透明格数依次加一。当信号经过调制盘3时会耦合频率信息，对探测器采集到的的信息做傅里叶变换可以得到幅值与频率的对应关系。光电探测器4采集光强信息，将其转化成电压信号输出给数字示波器7。数字示波器7每个采样周期采集电压信号，将采集到的信号转化成光强(电压)振幅与时间的关系，如图8(a)所示。再经过傅里叶变换得到图8(b)，幅值与频率的信息。图8(b)中fs表示采样频率，n表示每次采集数据的数量(视窗里可见的数据量)。经过调制盘3后，幅值与频率会一一对应，如表6所示。表6幅值与频率对应表幅值1123993211频率f1f2f3f4f5f6f7f8f9f10由于每条线的频率是可以算出来的(已知)，就可以得到每条线的光强幅值。图9为竖直方向的强度信息压缩成点。每次采集到的是一条直线，采集多个不同角度的信息，得到不同角度的直线，如图10所示。当采集90、180、360等多个角度的信息经过滤波反投影算法可以得到原图像(每次采集到的是一条直线，采集多个不同角度的信息，通过算法可以重构出原始图像)，如图11所示。转台8旋转设置：如果使用90组数据重建图像的话，每次图像旋转4度；如果使用180组数据重建图像的话，每次图像旋转2度；如果使用360组数据重建图像的话，每次图像旋转1度，以此类推。层析算法：滤波反投影重建算法常用在ct成像重建中，利用的数学原理是傅立叶变换：对投影的一维傅立叶变换等效于对原图像进行二维的傅立叶变换(傅立叶中心切片定理)。通过调制盘3的空间滤波，将物体从背景中分离。通过层析算法可以滤除信号干扰，可以测量极其微弱的信号(10-13坎德拉)。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。当前第1页12