一种超高速单像素成像装置及方法

本发明涉及一种超高速单像素成像装置及方法，属于计算成像领域。

背景技术：

1、成像技术是人类获取信息的最重要手段之一，其本质在于利用探测器采样连续的携带信号的电磁场的空间分布。最传统的成像手段是基于小孔成像原理的相机，由于使用了在可见光波段具有极高的工作效率和较低的经济成本的二维阵列传感器，因此得到了最广泛的应用。然而，如果需要在非可见光频段进行成像，通常需要在二维阵列传感器成本、所需的最终图像分辨率和必要的读出速度之间进行权衡。

2、与传统成像技术对应的是计算成像技术，其特点是大量使用了数学算法来克服传统成像技术中长期存在的成像限制。单像素成像技术是计算成像技术的一种，其基于关联测量原理，在照明端使用空间光调制器进行结构光照明，在测量端使用单个没有空间分辨率的光电传感器收集光强信息，在计算端通过算法进行图像重构。由于单像素相机在探测端只需要光强探测，它对探测器的要求远远低于普通成像中的二维阵列传感器。因此，对于二维阵列传感器技术不成熟的波段，单像素成像技术具有巨大的应用优势，也因此获得了极大的关注。

3、然而，由于现有的空间光调制器有限的调制速率和单像素成像所需求的海量的结构光强调制次数，单像素成像技术在成像的时间分辨率和空间分辨率两个方面都远逊于传统成像技术，这限制了其在生产实践中的运用。因此，有必要设计一种超高速的单像素成像装置解决其成像效率低下的问题。

4、目前单像素技术领域常用的提高成像效率技术主要有以下三种类型，第一，降低所必须的结构光光强测量次数：使用压缩感知算法实现低于奈奎斯特采样极限的成像；对于相同的关联算法，使用更优化的采样路径，结合机器学习算法，实现更低采样率下的高质量成像。然而在空间光调制器速率有限的前提下，这些技术只能治标，不能治本；第二，使用更高调制速率的空间光调制器，如使用数字微镜阵列(10khz级别)、led阵列(100khz级别)，然而对于测量需求随成像尺寸指数级增长的单像素成像技术，如此有限的调制速率仍然有所不足。此外，这些空间光调制器还通常限制了单像素成像的空间分辨率；第三种则利用了时间拉伸技术和一维空间光离散技术，通过建立光频谱-时间序列-空域位置的关联性；借助高频激光脉冲和马赫曾德调制器实现空间光的超高速一维调制以及后续的一维计算成像；借助一维精密位移台，在一维成像的基础上可实现二维成像。这种方法能取得兆赫兹级别的成像效率，然而由于其本质是一维成像，其x轴和y轴的空间分辨率不同，因此只适用于流式细胞观察这样的特定的场景，无法更广泛的运用到更多实际场景中。

技术实现思路

1、本发明技术解决问题：针对现有技术的不足，提供一种超高速单像素成像装置及方法，基于时间拉伸和二维空间光离散原理，实现mhz乃至ghz级别的空间光调制效率，从根本上提高了单像素成像技术的时空分辨率。

2、本发明技术解决方案：

3、第一方面，本发明提供一种超高速单像素成像装置，包括：二维空间离散器、色散补偿光纤、马赫曾德调制器、单模光纤和光电传感器；

4、二维空间离散器：对激光脉冲信号和待测特体成像目标反射率二维分布进行频谱-空域映射，得到频谱-空域映射后的激光脉冲信号；

5、色散补偿光纤：对频谱-空域映射后的激光脉冲信号进行时间拉伸，完成频谱和光信号到达时间的频谱-时域映射，得到频谱-时域映射的拉伸激光脉冲信号；

6、马赫曾德调制器：作为超高速可控光开关，基于哈达玛矩阵对频谱-时域映射的拉伸激光脉冲信号的时间序列进行二值调制，间接实现空间光的二维哈达玛调制；得到二值调制后的时间序列；

7、单模光纤：将二值调制后的时间序列进行压缩，得到调制后的激光脉冲信号；

8、光电传感器：测量调制后的激光脉冲信号的总光强，通过哈达玛单像素成像算法根据所述总光强值的关联性恢复出成像对象，所述成像对象为两轴即x轴和y轴分辨率一致的二维成像对象。

9、第二方面，本发明提供一种超高速单像素成像方法，实现如下：

10、s1：采用二维空间离散器，对激光脉冲信号和待测特体成像目标反射率二维分布进行频谱-空域映射，得到频谱-空域映射后的激光脉冲信号；

11、s2：色散补偿光纤，对频谱-空域映射后的脉冲信号进行时间拉伸，完成频谱和光信号到达时间的频谱-时域映射，得到频谱-时域映射的拉伸激光脉冲信号；

12、s3：使用马赫曾德调制器作为超高速可控光开关，基于哈达玛矩阵对频谱-时域映射的拉伸激光脉冲信号的时间序列进行二值调制，间接实现空间光的二维哈达玛调制；得到二值调制后的时间序列；

13、s4：使用单模光纤将二值调制后的时间序列进行压缩，得到调制后的激光脉冲信号；

14、s5：使用光电传感器测量调制后的激光脉冲信号的总光强，通过哈达玛单像素成像算法根据所述总光强值的关联性恢复出成像对象。所述成像对象为两轴即x轴和y轴分辨率一致的二维成像对象。

15、第三方面，本发明提供另一种超高速单像素成像装置，包括：

16、锁模激光器(mll)，

17、马赫曾德调制器(mzm)，

18、光电传感器(pd)，

19、多个预放掺铒光纤放大器(edfa)，

20、至少一段色散补偿光纤(dcf)，

21、光纤环行器(cir)，

22、二维空间离散器(2d-sd)；

23、锁模激光器输出激光脉冲信号通过多模光纤耦合至第一预放掺铒光纤放大器，再由多模光纤耦合至光纤环形器；光纤环形器输出的激光脉冲入射至二维空间离散器，二维空间离散器对将对激光脉冲信号和待测特体成像目标反射率二维分布进行频谱-空域映射；二维空间离散器的出射激光脉冲信号入射至待测物体表面并发生反射，反射得到的离散激光脉冲信号返回至二维空间离散器表面，并由二维空间离散器整合为频谱-空域映射后脉冲信号，并由送至光纤环形器。光纤环形器通过多模光纤耦合至第二预放掺铒光纤放大器，第二预放掺铒光纤放大器的输出通过色散补偿光纤连接到马赫曾德调制器；色散补偿光纤对频谱-空域映射后的脉冲信号进行时间拉伸，完成频谱和光信号到达时间的频谱-时域映射，得到频谱-时域映射的拉伸脉冲信号；马赫曾德调制器作为超高速可控光开关，基于哈达玛矩阵对频谱-时域映射的拉伸脉冲信号的时间序列进行二值调制，间接实现的空间光的二维哈达玛调制，并得到二值调制后的时间序列；二值调制后的时间序列通过多模光纤耦合至第三预放掺铒光纤放大器，再通过单模光纤耦合至第四预放掺铒光纤放大器；单模光纤将二值调制后的时间序列进行压缩，得到调制后的脉冲信号；第四预放掺铒光纤放大器将调制后的脉冲信号通过多模光纤最终耦合到光电传感器的靶面，光电传感器测量调制后的脉冲信号的总光强，通过哈达玛单像素成像算法，根据所述总光强值的关联性，恢复出x轴和y轴分辨率一致的二维成像对象。

24、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

25、(1)传统单像素成像技术使用的空间光调制器调制速率过低，因此最高只能做到khz级别的二维单像素成像。而本发明利用马赫曾德调制器超高的时间序列调制能力，实现了至少mhz级别的二维单像素成像，其效率远高于传统二维单像素成像技术，因此可以从根本上提高单像素成像技术的时空分辨率；

26、(2)传统的超高速单像素成像技术使用时间拉伸技术和一维空间离散器实现超高速一维成像，进一步配合精密位移台实现二维成像；然而其x轴和y轴空间分辨率不一致，因此仅适用于流式观察，应用场景有限，不适用于追踪高速运动的物体。而本发明由于使用了二维空间光离散器，实现了x轴和y轴分辨率一致的二维成像，并且适用于高速运动的物体追踪，因此具有可适用的应用场景类型更多的优点。