[发明专利]基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统及成像方法

说明书

本发明公开了一种基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统及成像方法，前置红外镜头将红外场景成像于掩膜板组上，二维电动位移平台控制掩膜板组的相对运动，从而实现调制模式的切换，后置红外镜头将掩膜板组分块精确对应于焦平面探测器，最后由计算机的数据采集卡进行数据采集。针对不同的掩膜板组结构，本发明还公开了两种红外并行压缩成像方法。本发明能以小规模红外焦平面探测器获得高分辨率图像，同时显著提高感兴趣区域的分辨率，有效减少压缩成像系统采样时间、系统占用空间以及掩模板制作成本。

技术领域

本发明属于红外成像领域，具体涉及一种采用掩膜板组进行调制的红外并行压缩成像系统。

背景技术

红外成像技术在预警、视频监控、灾情监测等领域都具有重要的作用。由于红外探测器价格远高于可见光探测器，因而若采用大面阵红外探测器提高成像系统分辨率，不仅价格昂贵，而且会带来光电串扰、散粒噪声等影响。

压缩感知(compressive sensing,CS)理论指出：只要信号X∈R^N×1在某个正交变换基Ψ上是稀疏的，就可以采用一个与变换基Ψ不相关的M×N维的观测矩阵Φ将高维信号X投影到一个低维信号Y，即Y＝ΦΘ，其中Φ∈R^M×N,Θ是原始信号X在正交变换基Ψ上的稀疏表示形式。最后可以通过求解一个优化问题，用远少于奈奎斯特采样率要求的样本实现信号的精确恢复或近似逼近。

而获得测量值的过程实际上就是使用观测矩阵Φ_M×N的M个行向量对稀疏系数向量进行投影，即计算Θ与各个观测向量之间的内积，得到M个观测值组成测量值向量Y＝(y₁,y₂,…,y_M),即

Y＝ΦΘ＝ΦΨ^TX.

由于M＜＜N,即方程的个数远远小于未知数的个数，因而信号重构是一个欠定问题，无法给出确定的解。通常将该问题转化为一个L1优化问题(要求Φ和Ψ不相关)：

min‖Ψ^TX‖₁s.t.ΦΨ^TX＝Y

常用算法有匹配追踪算法、正交匹配追踪算法、树形匹配追踪算法、分段正交匹配追踪算法、最小全变差法、梯度投影方法、迭代阈值法以及链式追踪算法等。

莱斯大学基于上述理论提出了单像素相机结构。其通过数字微镜器件(DigitalMicro-mirror Device，DMD)上的微镜翻转实现空间相位调制，并由一个单像素探测器采集足够多的测量值，最后通过求解一个优化问题获得原始图像。此时重建图像的分辨率取决于DMD分辨率，且测量率(测量次数与像素总数的比值)为25％就能获得较好的图像重建效果。但是单像素相机仍面临采样时间长的问题：当测量率一定时，DMD分辨率越高所需的测量次数就越多。而且需要将相机始终对准感兴趣目标直到获取重构所需的足够多的样本。在采样过程中还需要目标尽量保持不变。此外目前商用DMD只限于紫外(363～420nm)、可见光(400～700nm)以及短波红外(700～2500nm)波段。因而在其他波段通常采用其他空间光调制器，例如掩膜板。为了获得足够多的测量值，需要进行多次测量模式切换，这可能导致基于掩膜板的压缩感知成像系统面临占用空间大、掩膜板制作成本高等问题。

发明内容

为了缩短压缩成像系统采样时间，减少系统占用空间及掩模板制作成本，本发明提出一种采用掩膜板组进行调制的红外并行压缩成像系统，能够以小规模红外焦平面探测器获得高分辨率图像，同时显著提高感兴趣区域的分辨率。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：