[发明专利]一种基于压缩感知的稀疏孔径成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及稀疏孔径成像领域，特别涉及一种基于压缩感知的稀疏孔径成像系统及方法。

背景技术

自哈勃望远镜在空间开始观测后，就开启了空间天文观测时代。随着天文学观测需求进一步发展，对较高分辨率观测的需求逐渐增长，需要空间望远镜的口径越来越大，较高角分辨能力的需求需要研发大口径观测望远镜。但是，空间望远镜的主镜直径受到火箭发射的体积和质量的限制，也受到工程技术和制造成本的限制，因此需要研发稀疏孔径技术，以突破孔径限制。许多研究机构开展透镜拼接技术和稀疏孔径光学技术。其中，稀疏孔径技术是采用Fizeau干涉仪方法，将通过稀疏孔径阵列的成像光场在束斑合成透镜的U-V覆盖区域实现直接成像（像平面束斑合成器）。另外，Fizeau干涉仪也适宜于对扩展目标和快速变化目标的光学成像。与长基线迈克尔逊干涉仪相比较，Fizeau干涉仪系统倾向于紧凑型望远镜阵列。Golay首次提出稀疏孔径阵列成像方法，发展出Golay-3、Golay-6、Golay-9等稀疏孔径阵列结构形式，随后发展出环形、环面、三壁形式稀疏孔径结构。研究表明采用有源相位控制方式下，稀疏阵列可以突破衍射极限实现高分辨率成像。目前，美国空军实验室研制出的多用途望远镜测试系统（MMTT）。这个系统由四个20cm口径相敏望远镜实现15角分的光学视场。MMTT采用复杂的激光干涉仪获取波前误差，这种方法通过在洛克希德马丁公司（Lockheed Martin）建造的多孔径成像阵列验证了相位差法获取波前误差方式，波前误差感应和控制相关研究进一步应用到新一代空间望远镜（James Webb空间望远镜）。

而压缩感知理论是将采样和压缩同时进行，很好地利用了自然信号可以在某个稀疏基下表示的先验知识，可以实现远低于奈奎斯特/香农采样极限的亚采样，并能近乎完美地重建信号信息。其最广泛的应用是单像素照相机技术，它能使用一个点探测器而不是面阵探测器便可完成所有的探测任务，倘若这项技术应用在稀疏孔径上，必将减少探测维度，避免由面阵探测器带来的基底噪声和电路噪声，而且采用数字微镜器件DMD，这是一个被动光学元件，不会给信号带来任何噪声，探测器方面也不再需要前置放大器，此外系统还能做到23kHz的高速采样，这是传统面阵探测器所无法企及的。外加之鲁棒的重建算法，必将引发更多潜在应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种成本低、效果优良的稀疏孔径成像系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于压缩感知的稀疏孔径成像系统，包括稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束变换单元、束斑合成透镜13、空间光调制器映射透镜14、空间光调制器15、会聚收光单元16、点探测器17以及压缩感知计算模块18；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束变换单元包括至少三个反射镜组；

一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路，各条光路上入射的光信号分别投射到所述束斑合成透镜13上，该透镜用于实现稀疏孔径直接成像，然后通过所述空间光调制器映射透镜14将所述稀疏孔径直接成像映射到所述空间光调制器15，所述空间光调制器15根据随机光学调制矩阵对稀疏孔径成像光场做随机调制，然后通过所述会聚收光单元16将稀疏孔径成像光场调制后的光场强度信号汇聚到所述点探测器17的感光面，所述点探测器17采集光场强度信号，形成测量信号，最后将所述随机光学调制矩阵与测量信号送到所述压缩感知计算模块18，该模块通过压缩感知算法重构图像。

上述技术方案中，所述稀疏孔径单元包括第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3；所述自由空间准直单元包括第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜6；所述光束变换单元包括由第一反射镜7、第二反射镜8组成的第一反射镜组，由第三反射镜9、第四反射镜10组成的第二反射镜组，由第五反射镜11、第六反射镜12组成的第三反射镜组；

所述第一子望远镜透镜1、第一准直透镜4、第一反射镜组形成第一光路，所述第二子望远镜透镜2、第二准直透镜5、第二反射镜组形成第二光路，所述第三子望远镜透镜3、第三准直透镜6、第三反射镜组形成第三光路。

上述技术方案中，所述稀疏孔径单元中的各个子望远镜透镜的空间组合方式包括：小孔径望远镜阵列或Golay-6或Golay-9或环形或环面或三壁。

上述技术方案中，所述空间准直单元中的各个准直透镜的空间组合方式包括：准直透镜阵列组或反射式准直镜。

上述技术方案中，所述空间光调制器15和点探测器17之间同步。