一种基于拉东谱的双光臂动态单像素成像系统及方法

本发明涉及一种单像素成像，尤其是一种基于拉东谱的双光臂动态单像素成像系统及方法。

背景技术：

1、单像素成像是一种新型成像技术，它通过光场调制和多次采样重构得到目标物体的多维信息，在采样期间，物体和成像系统的相对运动会导致重构图像质量退化。针对这一问题学者们提出了多种解决办法，包括研制高刷新频率的光源、改进成像策略、开发实时的先进算法及利用各类先验信息等，其中先验信息包括速度先验、位置先验和稀疏先验等。利用先验信息的成像方式在运动单像素成像领域较为常用。时东峰课题组提出一种基于几何矩的定位方法，仅通过3张散斑就可以定位出运动目标位置，但该方法易受噪声影响，且会增加采样数，不利于单像素成像的实际应用。利用先验信息的动态单像素成像已展示出广阔的应用前景，但低采样率且抗干扰的动态单像素成像机制仍然有待探索。

技术实现思路

1、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

2、一种基于拉东谱的双光臂动态单像素成像系统，用于对运动目标进行快速定位和成像。所述成像系统包括分束镜、道威棱镜、平凸柱面镜、线阵探测器、空间光调制器dmd，单像素探测器及成像透镜。所述系统的光路包括定位光路和单像素成像光路，定位光路由道威棱镜、平凸柱面镜和线阵探测器组成；单像素成像光路由空间光调制器dmd、成像透镜和单像素探测器组成。运动目标的图像经过分束镜后被分为两路，一路经过定位光路完成定位，另一路经过单像素成像光路完成运动目标图像重构。

3、同时，本发明提出一种基于拉东谱的双光臂动态单像素成像方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1，运动目标的图像经过分束镜后被分为两路，一路经过定位光路完成定位，另一路经过单像素成像光路完成运动目标图像重构；

5、步骤2，定位光路中，图像经过道威棱镜获得一定旋转角度；

6、步骤3，旋转后的图像经过平凸柱面镜被压缩成一维信号；

7、步骤4，压缩后的一维信号由线阵探测器探测收集；

8、步骤5，将道威棱镜旋转一定角度，重复步骤2，3，4获得运动目标的图像在该角度上的拉东谱信息，多次旋转道威棱镜，获得不同角度上的拉东谱信息，利用多角度拉东谱信息确定运动目标在空间光调制器dmd像面处的位置；

9、步骤6，单像素成像光路需要对运动目标进行光场调制，光场调制利用空间光调制器dmd完成，调制散斑为hadamard基，假设dmd调制频率为f，目标移动速度为v，运动目标处像素大小为s，则dmd在完成一次定位的时间内对运动目标的调制次数k满足如下关系：

10、

11、重复步骤5和6，假设运动目标的图像大小为n×n像素，像素总数为n，其中n＝n×n，则计算机需要生成n张n×n的hadamard调制散斑。单像素成像光路将依据hadamard散斑的顺序按照1k、(k+1)2k，…，(n-k+1)n的顺序对目标图像进行循环调制，直到目标移动停止或超出视场范围；

12、步骤7，最后根据定位光路得到的运动目标在空间光调制器dmd像面处的位置信息，对散斑进行补偿，并利用单像素探测器值和补偿的散斑重构出运动目标图像。

13、本发明中基于拉东谱的双光臂定位动态单像素成像方法，可以在不增加采样的情况下实现快速精准定位，避免了定位散斑带来的采样数增加和易受噪声影响的问题，为动态单像素成像提供了一种有效途径。

技术特征：

1.一种基于拉东谱的双光臂动态单像素成像系统，用于对运动目标进行定位和成像，其特征在于，所述成像系统包括分束镜、道威棱镜、平凸柱面镜、线阵探测器、空间光调制器dmd，单像素探测器及成像透镜，所述系统的光路包括定位光路和单像素成像光路，定位光路由道威棱镜、平凸柱面镜和线阵探测器组成，单像素成像光路由空间光调制器dmd、成像透镜和单像素探测器组成，运动目标的图像经过分束镜后被分为两路，一路经过定位光路完成定位，另一路经过单像素成像光路完成运动目标图像重构。

2.一种基于拉东谱的双光臂动态单像素成像方法，其采用权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于拉东谱双光臂动态单像素成像方法，其特征在于，运动目标包括单目标、双目标和三个及以上的目标的情况，当运动目标为单目标或双目标时，道威棱镜需要旋转2次确定运动目标在空间光调制器dmd像面处的位置，当运动目标为三个及以上的目标时，道威棱镜需要旋转至少3次确定运动目标在空间光调制器dmd像面处的位置。

4.根据权利要求2所述的一种基于拉东谱双光臂动态单像素成像方法，其特征在于，当运动目标数量为单目标或双目标时，需要获取0°和90°方向的拉东谱；当运动目标数量为三个及以上时，则获取一次运动目标位置需要3个角度以上的拉东谱信息，这里角度为0°～90°的等分。

5.根据权利要求2所述的一种基于拉东谱双光臂动态单像素成像方法，其特征在于，步骤7中，补偿的散斑重构算法如下：

技术总结
本发明涉及一种基于拉东谱的双光臂动态单像素成像系统及方法，该成像系统包括分束镜、道威棱镜、平凸柱面镜、空间光调制器、单像素探测器及成像透镜。双光臂单像素成像系统中一条光路用于定位，另一条光路用于单像素成像。定位光路通过光学元件道威棱镜、平凸柱面镜及线阵探测器完成快速定位，成像光路根据定位结果对光场调制散斑进行补偿以完成运动目标重构。采用该成像系统以及方法可以避免传统定位方法带来的采样率增加问题，同时还可以避免定位散斑易受噪声影响的问题，为运动单像素成像提供了一种有效途径。

技术研发人员：杨照华,陈香,于跃
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15