[发明专利]一种单像素毫米波成像装置和方法

权利要求书

1.一种单像素毫米波成像装置，其特征在于：包括平面镜（1）、编码矩阵模板（2）、列狭缝模板（3）、会聚反射镜（4）、接收天线（5）、数据采集卡（6）、中心控制CPU（7）、并行计算CPU（8）、显示屏（9）和控制模块（10）；带有被成像物体信息的毫米波辐射经过前端光学系统进入成像装置后，经过平面镜（1）反射后依次穿过编码矩阵模板（2）、列狭缝模板（3），经会聚反射镜（4）汇聚后进入接收天线（5）；接收天线（5）的输出端数据通过数据采集卡（6）连接中心控制CPU（7）；中心控制CPU（7）连接各并行计算CPU（8）。

2.根据权利要求1所述的单像素毫米波成像装置，其特征在于：编码矩阵模板（2）和列狭缝模板（3）紧密靠近放置于前端毫米波光学系统的像平面上；编码矩阵模板（2）与列狭缝模板（3）到会聚反射镜（4）中心的距离和接收天线（5）到会聚反射镜（4）中心的距离符合会聚反射镜（4）的物像关系。

3.根据权利要求2所述的单像素毫米波成像装置，其特征在于：编码矩阵模板（2）和列狭缝模板（3）通过控制模块（10）连接中心控制CPU（7）的控制信号输出端口。

4.根据权利要求3所述的单像素毫米波成像装置，其特征在于：所述的控制模块（10）包括控制信号处理模块（11）、编码矩阵模板驱动电机（12）、编码矩阵模板传动机构（13）、编码矩阵模板主动轴（14）、编码矩阵模板从动轴（15）、狭缝模板驱动电机（16）、狭缝模板传动机构（17）、狭缝模板主动轴（18）和狭缝模板从动轴（19）；控制信号处理模块（11）的输入端连接中心控制CPU（7）输出端，输出端连接编码矩阵模板驱动电机（12）和狭缝模板驱动电机（16），编码矩阵模板驱动电机（12）通过编码矩阵模板传动机构（13）驱动编码矩阵模板主动轴（14）和其上的编码矩阵模板（2），狭缝模板驱动电机（16）通过狭缝模板传动机构（17）驱动狭缝模板主动轴（18）和其上的列狭缝模板（3）；编码矩阵模板（2）首尾相连环绕成矩形，缠绕在编码矩阵模板主动轴（14）和编码矩阵模板从动轴（15）上；列狭缝模板（3）首尾相连环绕成矩形，缠绕在狭缝模板主动轴（18）和狭缝模板从动轴（19）上。

5.根据权利要求4所述的单像素毫米波成像装置，其特征在于，平面镜（1）放置于编码矩阵模板（2）和列狭缝模板（3）所围成的矩形中央。

6.根据权利要求1所述的单像素毫米波成像装置，其特征在于：编码矩阵模板（2）的每一列均由第一列通过循环平移产生，每一方格大小对应一个像素大小；列狭缝模板（3）的狭缝宽度对应一个像素大小。

7.根据权利要求1所述的单像素毫米波成像装置，其特征在于：中心控制CPU（7）根据所采集到数据的时间区段，判断每一段数据对应的编码矩阵模板（2）花纹和对应的列编号，将数据分配到各并行计算CPU（8）进行并行图像重构。

8.一种利用权利要求1～7所述的任一种单像素毫米波成像装置进行成像的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：初始化系统使得列狭缝模板对准图像上的第一列；

步骤2：由中心控制CPU发出信号，控制编码矩阵模板转动；所述编码矩阵模板对应于一个编码矩阵，其产生方法为：使用某种数学算法产生长度为N、元素仅为0、1且0、1等概率出现的伪随机数序列，其中N为图像在狭缝长度方向上的大小（以像素值为单位），此序列作为矩阵的第一列，而后每一列均由前一列向上循环平移一个单位获得，得到N×N的矩阵，根据压缩比M，M通常为N的1/3到1/2，从N列中均匀地选出M列按顺序构成编码矩阵矩阵ΦN×M；编码矩阵模板上将0元素的相应位置设置为不透光，1元素的相应位置设为透光；编码矩阵模板对应于若干个编码矩阵矩阵依次排列；同样地，列狭缝模板也由若干条等距的狭缝构成，其总长度与编码矩阵模板相等；

步骤3：对于图像上的每一列，重复下述步骤3～6；

步骤4：当中心控制CPU判定对应于图像此列的信号采集完毕后，中心控制CPU将此列的信号送至下一个空闲的并行计算CPU进行处理，并记录下此段信号所对应图像的列编号，而后中心控制CPU发出信号控制列狭缝模板转过一个狭缝宽度，对准图像上的下一列；

步骤5：并行计算CPU根据中心控制CPU的指令，对所得到的信号进行压缩感知的图像重构，其重构方法是：根据时间取出分别对应于编码矩阵模板每一列的信号，形成一个长度为M的列向量y，通过求解最优化问题min‖x‖1，y=ΦTx，得到一个长度为N的列向量x，其中‖‖1表示向量的l-1范数，上标T表示矩阵的转置；并行计算CPU将所得到的列向量x返回中心控制CPU；

步骤6：中心控制CPU将从并行计算CPU返回的列向量x填充到图像所对应的列上，并在显示屏上刷新所对应列的图像。