一种并行压缩感知成像装置的制作方法

本发明涉及一种并行压缩感知成像装置，属于成像技术领域。

背景技术：

单像素相机是近年来发展较快的一种新型成像装置，它能够利用单像素探测器实现对目标的面成像，其图像重构算法主要是基于压缩感知理论。压缩感知理论指出：对于可压缩的信号，可以通过低于或远低于奈奎斯特标准的方式对其进行数据采样并精确重构该信号。与香农定理不同的是，压缩感知并不是直接测量信号本身，它使用非自适应线性投影(感知矩阵)来获得信号的整体构造从而直接得到重要的信息，忽略那些在有损压缩中会被丢弃的信息。该理论一经提出，就在图像处理、图像压缩、模式识别、天文学、大气观测、光学/微波成像等领域受到广泛关注。

然而，单像素压缩成像是以串行工作方式输出压缩采样的图像信号，过程较为耗时，如果需要高分辨率的图像，那么计算量和存储量都非常之大，而且对于运动场景或视频图像的压缩成像具有一定的局限性。为此有人提出并行压缩感知成像的系统，该方法可以在大量减少采样次数和采样时间的基础上获得高分辨率的图像，提高成像的实时性。例如：申请公布号为cn107727238a的中国发明专利申请文件，公开了一种基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统及成像方法，该专利申请文件通过移动的掩膜板实现了并行压缩成像，虽然在一定程度上解决了基于掩膜板的成像系统占用空间大、制作成本高的问题，但是其成像的分辨率受到掩膜板本身的限制还有待提高。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种并行压缩感知成像装置，用以解决现有装置成像分辨率低的问题。

为实现上述目的，本申请提出了一种并行压缩感知成像装置的技术方案，包括沿光路方向依次设置的光源、光耦合器、光纤阵列、发射透镜、接收透镜以及单像素探测器；

光源，用于发射光束；

光耦合器，用于将接收的一路光束分为多路光束；

光纤阵列，用于输出光束；所述光纤阵列和光耦合器通过多条传输光纤连接，每条传输光纤上设置有光开关，用于对多路传输光纤通道进行选通控制；

发射透镜，用于将光纤阵列输出的光束投射至待成像的目标物上；

接收透镜，用于聚焦待成像的目标物所反射的光束；

单像素探测器，用于将聚焦后的光束进行光电转换；

还包括驱动机构，驱动机构与发射透镜连接，用于驱动发射透镜在在垂直于光轴的平面上移动；或者驱动机构与光纤阵列连接，用于驱动光纤阵列在发射透镜的焦平面上移动，使得光束投射至待成像目标物上的投射方向发生改变。

本发明的并行压缩感知成像装置的技术方案的有益效果是：本发明的的成像装置在光源发出光束后，光束依次经过光耦合器、传输光纤、光纤阵列、发射透镜照射到待成像目标物上，再由待成像目标物反射后，经过接收透镜被单像素探测器接收，成像过程中只需控制光开关的状态和驱动机构的动作即可完成高分辨率的成像。其中光开关和光纤阵列形成调制模板对光束实现了调制，而且由于光纤阵列中相邻光纤有一定间隙，为了避免间隙导致的间隔采样问题，通过驱动机构完成全方位的扫描，保证采集到目标物的全部细节。本发明的成像装置中光纤阵列具有极强的扩展性，因此可以获得极高的图像分辨率，而且整体结构简单，适用范围广。

进一步的，还包括控制器，所述控制器控制连接所述光开关和驱动机构，用于控制光开关的状态以及驱动机构的动作；且控制器与单像素探测器连接，用于接收单像素探测器的电信号实现并行压缩感知成像。

进一步的，所述光开关为机械式光开关或者液晶式光开关。

进一步的，所述光纤阵列中光输出口的排列方式为方形、圆形、或者六边形。

进一步的，为了实现全方位的成像，所述驱动机构为微扫描器。

进一步的，为了保证全方位的成像，微扫描器的移动位移和移动次数根据光纤阵列中相邻光纤间距以及传输光纤的纤芯直径确定。

进一步的，为了保证完全覆盖发射视场的范围，所述接收透镜的焦距小于发射透镜的焦距。

附图说明

图1是本发明并行压缩感知成像装置示意图；

图2是本发明光纤阵列示意图；

图3是本发明扫描路径示意图；

图4-1是本发明沿光传播方向、第一个测量矩阵对应的光纤阵列的光束输出示意图；

图4-2是本发明沿光传播方向、第二个测量矩阵对应的光纤阵列的光束输出示意图；

图4-3是本发明沿光传播方向、第三个测量矩阵对应的光纤阵列的光束输出示意图；

图4-4是本发明沿光传播方向、第四个测量矩阵对应的光纤阵列的光束输出示意图；

图5是本发明通过并行计算得到的子图像示意图；

图6是本发明子图像拼接原理示意图；

图中：1为激光器、2为光耦合器、3为光开关、4为光纤阵列、5为微扫描器、6为发射透镜、7为待成像的目标物、8为接收透镜、9为单像素探测器、10为总控电路。

具体实施方式

并行压缩感知成像装置实施例：

并行压缩感知成像装置如图1所示，包括沿光路方向依次设置的激光器1、光耦合器2、光纤阵列4、发射透镜6、接收透镜8以及单像素探测器9，还包括总控电路10和微扫描器5。

以下以采集1°×1°视场内的目标图像为目标对各器件的参数和作用进行详细描述。

激光器1作为光源，用于发射光束，激光器1的频率为10khz，脉冲输出，单脉冲能量160μj，脉宽2ns，激光器1所发射的光束波长本发明并不限制。

光耦合器2用于实现光束的分路，也即将激光器1发射的一束光分为多路光束，本实施例中，光耦合器2为1路输入，16路输出，也即将1路激光能量平均至16路光纤输出。

光纤阵列4，与光耦合器2通过16条传输光纤连接，传输光纤的纤芯直径为50μm，光纤阵列4如图2所示，为4×4光纤阵列4，相邻光纤间距为300μm，光输出口的排列方式为正方形排列。

光开关3设置在传输光纤上，光开关3为机械式4×4光开关3，与光纤阵列4一一对应，用于对每条传输光纤的光束进行选通控制；光开关3和光纤阵列4构成采样模板，对光耦合器2输出的16路光束进行调制。

发射透镜6，用于将光纤阵列4输出的光束投射至待成像的目标物7上；由于光纤阵列4为4×4光纤阵列4，相邻光纤间距为300μm，需求为采集1°×1°视场内的目标图像，那么光纤阵列4作为光束发射端的扫描范围为300μm×4＝1.2mm，因此发射透镜6的焦距为(1.2mm/2)/tan(1°/2)＝68.75mm，且光纤阵列4的端面位于发射透镜6的焦面处。

接收透镜8，用于聚焦待成像的目标物7所反射的光束；接收透镜8的焦距应小于等于发射透镜6的焦距，使其能够完全覆盖发射视场范围。接收透镜8的光轴与发射透镜6的光轴平行设置。

单像素探测器9，用于将聚焦后的光束进行光电转换，单像素探测器9每次获得的光信号是反射光信号的总和。单像素探测器9选择光敏面尺寸大于等于1.2mm×1.2mm的pmt器件；以保证接收视场范围完全覆盖发射视场范围。

微扫描器5作为驱动机构，与发射透镜6连接，用于驱动发射透镜6在垂直于光轴的平面发生微小位移运动，从而改变激光投射至待成像的目标物7的投射方向。

总控电路10作为控制器，为成像装置的核心电路，总控电路10控制连接激光器1、光开关3、以及微扫描器5，用于控制各器件的工作状态，同时总控电路10还与单像素探测器9连接，接收单像素探测器9的电信号，对电信号进行计算后实现并行压缩感知成像。

关于总控电路10的控制过程也即并行压缩感知成像装置的成像过程，以下进行详细说明。

在进行成像之前，需要对各器件的控制逻辑进行设定：

首先，设定微扫描器5的扫描路径，由于传输光纤的纤芯直径为50μm，光纤阵列4中相邻光纤间距为300μm，因此为了实现全部目标视场的扫描，设定微扫描器5驱动发射镜头6移动6×6次，每次移动50μm，并且按照如图3所示的路径进行扫描，箭头代表了发射透镜3相对于光纤阵列4的移动方向，最终得到图像分辨率为(4×6)×(4×6)＝24×24。

其次，设定光开关3和光纤阵列4构成采样模板的采样测量矩阵(也即编码模板)，采用压缩感知技术常用的高斯随机矩阵或阿达玛变换矩阵，并且选取采样率为0.25时的4组测量矩阵a1、a2、a3、a4，采样所需时间为传统扫描测量方法的四分之一，一般情况下，测量矩阵的数量要远少于传输光纤的总数量。

光开关3按照测量矩阵进行打开、关断对应传输光纤的光纤通道，直接对应光纤阵列4的输出，如图4-1、4-2、4-3、4-4所示，测量矩阵a1对应图4-1，测量矩阵a2对应图4-2，测量矩阵a3对应图4-3，测量矩阵a4对应图4-4，图中圆圈的地方表示光纤通道(沿光传播方向)，其中矩阵中0对应图中的黑色圆圈，表示关闭对应的光纤通道，矩阵中1对应图中的白色圆圈，表示打开对应的光纤通道。

总控电路10对光开关3进行控制器依次按照测量矩阵a1、a2、a3、a4的顺序进行控制。

最后，设定激光器1的脉冲输出，以及激光器1的脉冲输出与光开关3、微扫描器5的时序关系。

综上，并行压缩感知成像装置的成像过程为：

1)总控电路10设置光开关3的测量矩阵为a1，发射透镜6处于原点位置。

2)总控电路10向激光器1发送指令，激光器1发出一个激光脉冲，按照如图1所示的光路传播后，回波信号(即接收透镜8的出射光)被单像素探测器9接收，总控电路10记录信号强度。

3)在当前激光脉冲结束后、下一个激光脉冲发射之前，微扫描器5驱动发射透镜6按照如图3所述的扫描路径进行移动一次，下一个激光脉冲发射，激光脉冲投射至待成像的目标物7上的投射方向发生改变，回波信号被单像素探测器9接收，总控电路10记录下一个激光脉冲的信号强度。

4)重复步骤3)，使得发射镜头6移动36次，总控电路10记录6×6＝36次，直至发射镜头6回到原点，第一轮扫描结束，得到36次记录结果。

5)总控电路10设置光开关3的测量矩阵为a2，重复步骤2)～步骤4)，第二轮扫描结束，同样得到36次记录结果。

6)总控电路10设置光开关3的测量矩阵为a3，重复步骤2)～步骤4)，第三轮扫描结束，同样得到36次记录结果。

7)总控电路10设置光开关3的测量矩阵为a4，重复步骤2)～步骤4)，第四轮扫描结束，同样得到36次记录结果。

8)对四轮扫描结果进行分组，将每轮测量的第1次记录结果分为第1组，每轮测量的第2次记录结果分为第2组，每轮测量的第3次记录结果分为第3组，……，每轮测量的第36次记录结果分为第36组，可见每组包含4个记录结果。

9)将测量矩阵a1、a2、a3、a4和第1组的记录结果代入压缩感知算法，可以重构出一张分辨率为4×4像素的子图像，对36组的记录结果进行并行计算，重构出如图5所示的分辨率为4×4像素的36张子图像。

10)将36张子图像依照图6所示方式按对应像素拼接，即可得到一张24×24像素分辨率的图像，图6中像素内数字1.23表示第1张子图像第2行第3列像素，以此类推。

上述实施例中，是为了便于理解，光纤阵列4的选取指标较低，但是光纤阵列4具有极强的扩展性，可扩展为100×100、2000×1000、4000×6000等等，从而获得极高的图像分辨率，同时作为其他实施方式，光输出口的排列方式还可以为圆形、六边形等，只是对于不同的排列方式，微扫描器5需要不同的扫描路径而已。而且不同波长或不同模式的光纤阵列4均可以实现本发明的技术方案，对此不做限制。

上述实施例中，光开关3为机械式的光3开关作为其他实施方式，光开关3还可以为基于液晶、电光、声光等等不同原理的光开关3。

上述实施例中，为了实现全部目标视场的扫描，驱动机构为微扫描器5，作为其他实施方式，驱动机构还可以利用二维位移平台替换。

上述实施例中，微扫描器5通过驱动发射透镜6而实现投射方向的改变，同理，微扫描器5还可以与光纤阵列4连接，通过驱动光纤阵列4在发射透镜6的焦平面上移动而实现投射方向的改变，本发明优选微扫描器5连接驱动发射透镜6。

上述实施例中，设定光开关3和光纤阵列4构成采样模板的采样测量矩阵为4个，那是由于采样率为0.25，作为其他实施方式，也可以设置采样率为1，测量矩阵为4×4＝16个，采样所需时间与传统扫描测量方法相当；还可以设置采样率为0.5，测量矩阵为8个，采样所需时间为传统扫描测量方法的一半。

上述实施例中，并行压缩感知成像装置的成像过程为在每个测量矩阵下，发射透镜6移动36次完成每轮的记录，作为其他实施方式，也可以在上述步骤3)中，在当前激光脉冲结束后、下一个激光脉冲发射之前，微扫描器5不发生动作，改变光开关3的测量矩阵，然后在下一个激光脉冲发射后记录结果，重复改变测量矩阵，直至记录4个测量矩阵的结果。之后微扫描器5驱动发射透镜6移动1次，改变测量矩阵，得到4个测量矩阵的结果，以此类推，也即在每个发射透镜6的移动位移下，改变测量矩阵，得到4个记录结果，完成36次移动，直至微扫描器5完成所有位置的扫描，回到初始位置。

本发明采用光开关3、光纤阵列4以及微扫描器5实现了高分辨率的成像，按照传统点扫描式成像方法，24×24像素需测量24×24＝576次，而按照本发明的成像装置，只需测量36×4＝144次，提高了成像效率。本发明可应用于工业检测、区域监控、生物医疗、分析仪器等领域。