[发明专利]一种单像素毫米波成像装置和方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种单像素毫米波成像装置技术，属于毫米波成像技术领域。

背景技术

毫米波成像技术在许多领域有着广阔的应用前景，例如安检安防、化学品鉴别、气象探测、地球遥感技术、飞行盲降系统、射电天文学等。毫米波成像系统可以采用单像素（单探测器）模式，通过机械扫描使接收天线依次对准目标上的每一个成像区域；也可采用多探测器或天线阵列模式，可直接对较大区域实现成像。

目前的毫米波成像系统存在的不足主要有：

（1）单像素系统多采用机械扫描成像方式，图像信噪比低，成像速度较慢，尤其是对于被动式成像，在有些应用场合，对于具有数千像素的图像总成像时间可达小时的量级，只能满足对静止目标和极缓慢运动目标成像的要求。

（2）阵列式系统中的单个探测阵元多为辐射热计，其探测性能如信噪比等无法与单探测器相比，因而阵列式成像系统的图像分辨率往往不及单探测器，同时阵列系统的成本也远远高于单像素系统。

近年来，压缩感知（Compressive Sensing）理论为单像素成像提供了新的解决思路。其核心思想是利用信号的稀疏特性，采用小于Nyquist采样极限的采样数据量，通过一定的重构算法，求解欠定线性方程组，恢复出原始信号。压缩感知技术可以有效地降低图像的采样率，缩短采样时间，而且由于压缩感知成像中探测器收到的信号是由图像上多点的信号累加而成，其信噪比也得到大幅提高。一些应用压缩感知的单像素成像技术方案已经被提出，如已有专利：一种光场采样及重构方法与装置，公开（公告）号：CN102306291A。

现有的压缩感知成像方案多采用对图像进行空间编码的方式来实现，每一编码单元的大小不小于波长的一半，成像过程一般需要大量的编码序列，而实现快速且可自动变换的空间编码往往需要响应速度较快的空间光调制器。在可见光到近红外等波段，空间光调制技术已经比较成熟，如数字微镜阵列、液晶空间光阀等，这使得压缩感知技术在这些波段比较易于实现，现在提出的压缩感知成像系统也基本都工作在可见光到红外波段。然而在毫米波等波长更长的区域，现在还缺少速度快、调制深度高、技术成熟的空间光调制器。若不采用空间光调制器，另一种空间编码的实现方式是制作表面具有编码结构的机械模板。这种机械模板可以通过二维平移台来进行更换，但这种方法变换模板速度很慢，不能充分体现压缩感知提升成像速度的优势，对于大图像来说，所需模板尺寸也十分巨大，因而机械模板无法应用到具有大量像素值的大图像成像上。这些因素都导致压缩感知原理还无法与毫米波技术很好地结合。

发明内容

为有效提高毫米波成像的速度和信噪比，提升系统的大图像处理能力，本发明提出一种单像素毫米波成像装置技术，实现了压缩感知原理与毫米波成像技术的融合。

本发明的思想在于：将大图像上的每一列作为一幅独立的图像处理，采用压缩感知算法对每一列进行一维信号重构，使得整个系统仅需使用一列成像所需的编码矩阵模板数目，大大减小了所需模板的尺寸，同时使用并行计算技术，在对新一列进行采样时即可对前一列进行图像重构计算，并可同时计算多列信号。

本发明的一种单像素毫米波成像装置技术是通过如下技术方案来实现的：

一种单像素毫米波成像装置技术，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）。

优化的，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。

优化的，编码矩阵模板（2）和列狭缝模板（3）通过控制模块（9）连接中心控制CPU（6）的控制信号输出端口。