一种单像素成像系统及方法

本发明涉及单像素成像领域，特别是涉及一种单像素成像系统及方法。

背景技术：

1、单像素成像是基于光场的高阶关联来获取物体的信息，物、像可分离在不同光域中，通过获取物体的强度涨落信息以及对应的参考信息，经过二者的关联运算最后重构物体图像。

2、单像素成像具有抗干扰性强的优势，一定程度上可以抵抗大气湍流和散射介质的干扰，工程环境通常会存在雾霾，沙尘等各种恶劣环境的干扰。在这种复杂环境中，存在一些散射介质，大气湍流会影响大气光场分布，信号探测器无法准确记录对光强，相位等信息。单像素成像中参考光路不受上述干扰的影响，而且单像素成像的分辨率取决于参考光路，所以通过单像素成像在原理上可以实现超分辨，使得成像效果更佳。

3、单像素成像配合单光子探测器具有高灵敏性的优势，可以在弱光条件下依旧完成图像恢复，工程应用中不可避免的会遇到弱光场成像的问题。在弱光强条件下，一般的光电探测设备无法对微弱信号进行有效探测，单光子探测技术作为新式的信号探测技术，可以实现对极其微弱的信号探测，可达单光子量级，尤其是与单像素成像的结合，促进了单像素成像在微弱光场成像技术的发展。

4、基于以上优势特点，单像素成像已经可以在许多复杂环境中完成对于二维目标物体的成像，但是单像素成像采用传统二阶关联算法需要经过多达1024次的采样才能恢复出一个32*32分辨率的目标物体大致形貌，此过程耗时严重，无法做到实时成像以及高分辨率成像，同时基于计算机重构图像需要耗费巨大的内存空间，针对上述问题，基于fpga的单像素成像逐渐成为研究热点。

5、2019年4月日本千叶大学ikuo hoshi团队为了加速图像重建计算，采用fpga实现了关联运算电路，通过计算二阶相关性完成了300hz的图像重建工作，该目标图像大小为32*32，同时基于差分鬼成像算法实现了256*256的仿真重建，所需耗时为671毫秒。2020年3月清华大学wei-xing zhang团队采用序列单像素成像算法，在无需任何外部存储器的情况下，完成了每秒500次的计算测量重构工作，实现了25hz的图像重建，该图像分辨率为400*280。2022年5月日本千叶大学(chiba-university)ikuo hoshi等人使用fpga实现了以40hz速度实时单像素成像，图像的大小为128*128，他们的实验表明使用fpga重建速度是cpu的10倍。

6、上述研究在单像素成像系统集成化的过程中资源消耗较多，图像重建速度还可提升，同时基于verilog设计算法模块，验证方式不全面，开发周期长，算法模块接口无法灵活配置，因此需要一种资源节约，重建快速，接口灵活的单像素成像系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种单像素成像系统及方法，可降低资源消耗，加速图像重建，提高接口配置灵活性，系统集成度高。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种单像素成像系统，包括：光学成像系统和电子学系统；

4、所述光学成像系统用于输出带有目标物体的光强信息和同步信息；

5、所述电子学系统包括依次连接的同步中断处理模块、arm处理器、数据采集模块和图像重建模块；所述arm处理器还与所述图像重建模块连接；所述同步中断处理模块、所述数据采集模块和所述图像重建模块均设置在fpga上；所述同步中断处理模块和所述数据采集模块还均与所述光学成像系统连接；所述同步中断处理模块用于接收所述同步信息并以中断的方式发送至所述arm处理器；所述arm处理器控制所述数据采集模块采集所述光强信息并传输至所述图像重建模块；所述图像重建模块用于根据所述光强信息利用蝶形运算形式的快速沃什哈达玛变换算法进行图像重建。

6、可选地，所述电子学系统还包括dma模块；所述dma模块分别与所述数据采集模块、所述arm处理器和所述图像重建模块连接；所述dma模块设置在fpga上。

7、可选地，所述电子学系统还包括双倍速率同步动态随机存储器模块；所述双倍速率同步动态随机存储器模块设置在所述dma模块与所述图像重建模块之间；所述双倍速率同步动态随机存储器模块还分别与所述dma模块、所述图像重建模块和所述arm处理器连接；所述双倍速率同步动态随机存储器模块设置在fpga上。

8、可选地，所述同步中断处理模块为axi_gpio模块。

9、可选地，所述数据采集模块为adc9238模块。

10、可选地，所述图像重建模块采用xazu3eg芯片。

11、可选地，所述光学成像系统包括依次设置的激光器、扩束透镜组、数字微镜器件、汇聚透镜组和单像素探测器；目标物体设置在所述数字微镜器件和所述汇聚透镜组之间；所述数字微镜器件用于输出同步信息；所述单像素探测器用于输出带有目标物体的光强信息。

12、本发明还提供一种单像素成像方法，所述单像素成像方法应用于所述的单像素成像系统，所述单像素成像方法包括：

13、获取同步信号；

14、根据所述同步信号控制数据采集模块进行光强信息采集并记录采集次数；

15、判断所述采集次数是否达到设定阈值；

16、若是，则控制图像重建模块根据所述光强信息利用蝶形运算形式的快速沃什哈达玛变换算法进行图像重建；

17、若否，则返回步骤“获取同步信号”。

18、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：

19、本发明提供的单像素成像系统，包括：光学成像系统和电子学系统；所述光学成像系统用于输出带有目标物体的光强信息和同步信息；所述电子学系统包括依次连接的同步中断处理模块、arm处理器、数据采集模块和图像重建模块；所述arm处理器还与所述图像重建模块连接；所述同步中断处理模块、所述数据采集模块和所述图像重建模块均设置在fpga上；所述同步中断处理模块和所述数据采集模块还均与所述光学成像系统连接；所述同步中断处理模块用于接收所述同步信息并以中断的方式发送至所述arm处理器；所述arm处理器控制所述数据采集模块采集所述光强信息并传输至所述图像重建模块；所述图像重建模块用于根据所述光强信息利用蝶形运算形式的快速沃什哈达玛变换算法进行图像重建。通过设置在fpga的同步中断处理模块、所述数据采集模块和所述图像重建模块降低资源消耗，加速图像重建，提高接口配置灵活性，系统集成度高。

技术特征：

1.一种单像素成像系统，其特征在于，包括：光学成像系统和电子学系统；

2.根据权利要求1所述的单像素成像系统，其特征在于，所述电子学系统还包括dma模块；所述dma模块分别与所述数据采集模块、所述arm处理器和所述图像重建模块连接；所述dma模块设置在fpga上。

3.根据权利要求2所述的单像素成像系统，其特征在于，所述电子学系统还包括双倍速率同步动态随机存储器模块；所述双倍速率同步动态随机存储器模块设置在所述dma模块与所述图像重建模块之间；所述双倍速率同步动态随机存储器模块还分别与所述dma模块、所述图像重建模块和所述arm处理器连接；所述双倍速率同步动态随机存储器模块设置在fpga上。

4.根据权利要求1所述的单像素成像系统，其特征在于，所述同步中断处理模块为axi_gpio模块。

5.根据权利要求1所述的单像素成像系统，其特征在于，所述数据采集模块为adc9238模块。

6.根据权利要求1所述的单像素成像系统，其特征在于，所述图像重建模块采用xazu3eg芯片。

7.根据权利要求1所述的单像素成像系统，其特征在于，所述光学成像系统包括依次设置的激光器、扩束透镜组、数字微镜器件、汇聚透镜组和单像素探测器；目标物体设置在所述数字微镜器件和所述汇聚透镜组之间；所述数字微镜器件用于输出同步信息；所述单像素探测器用于输出带有目标物体的光强信息。

8.一种单像素成像方法，其特征在于，所述单像素成像方法应用于权利要求1-7任意一项所述的单像素成像系统，所述单像素成像方法包括：

技术总结
本发明公开一种单像素成像系统及方法，涉及单像素成像领域，系统包括光学成像系统和电子学系统；光学成像系统用于输出带有目标物体的光强信息和同步信息；电子学系统包括依次连接的同步中断处理模块、ARM处理器、数据采集模块和图像重建模块；ARM处理器还与图像重建模块连接；同步中断处理模块、数据采集模块和图像重建模块均设置在FPGA上；同步中断处理模块和数据采集模块还均与光学成像系统连接；ARM处理器控制数据采集模块采集光强信息并传输至图像重建模块；图像重建模块用于根据光强信息利用蝶形运算形式的快速沃什哈达玛变换算法进行图像重建。本发明能降低资源消耗，加速图像重建，提高接口配置灵活性，系统集成度高。

技术研发人员：刘航,杨照华,余远金,史阳阳,曹盛福
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：2024/1/16