[发明专利]基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统及方法

说明书

本发明公开了基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统及方法，该系统包括成像镜头、空间光调制器、探测器、控制模块和存储计算模块；控制模块用于将产生的n个1像素分辨率矩阵A₁与n个2像素分辨率矩阵A₂发送到存储计算模块，并将对应的n对具有空间频域多尺度特征的互补矩阵B₁和B₂发送至空间光调制器；空间光调制器用于根据n对互补矩阵B₁和B₂，分别对待成像目标进行调制；探测器用于收集两路调制后的光信号，分别获得两路调制后图像的总光强测量结果，发送到存储计算模块；存储计算模块用于根据1像素分辨率矩阵A₁、2像素分辨率矩阵A₂以及探测器的测量结果，利用多尺度压缩感知重建算法进行图像重建，获得待成像目标的重建图像。

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统及方法。

背景技术

近年来，基于压缩感知的成像技术引起极大的关注。压缩感知理论是由Tao,Donoho和Candès等提出的一种基于下采样的采样定理，其出现打破了奈奎斯特采样定理。其优势在于对图像进行空间调制后，仅需使用一个探测器进行测量，为单像素成像提供了可行性。在多次调制与测量之后，将调制矩阵以及探测器的测量结果利用压缩感知算法，即可获得重建图像。由于压缩感知成像技术能够有效降低对探测器的要求，其被广泛应用于成像光谱、3D雷达、生物成像等方面。

然而，压缩感知成像面临的一个最重要的挑战就是成像质量上仍存在不足。由于图像是通过压缩感知算法的后处理获得，而不是直接通过测量得到，不可避免其会产生重建误差。在众多解决方案中，优化测量矩阵的设计就是其中一项重要举措。由于测量矩阵必须满足RIP准则，最初使用的测量矩阵有高斯随机矩阵和随机二值矩阵，然而普通的随机矩阵始终存在一定局限性；随后，优化的哈德曼矩阵、傅里叶矩阵以及其它改进过的矩阵被提出，以取代高斯随机矩阵，其在一定程度上提高了成像质量。

而压缩感知成像的质量同样与测量矩阵的分辨率有关，由于成像过程仅使用一个探测器进行测量，其成像分辨率实际上是由空间调制提供。因此，一般情况下，采用高空间分辨率调制是提高成像分辨率的首选。然而，对于某一固定场景，更精细的空间调制通常需要更多的像素进行重建。在使用通过模数转换的光强测量的压缩感知成像中，高的成像像素数通常会放大量化噪声从而降低成像质量，而在光子计数区，像素尺寸的增加也有类似的影响。因此，测量矩阵的设计必须考虑空间分辨率。

综上所述，目前如何通过利用不同分辨率的测量矩阵以提高成像质量成为一个亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种基于空间频域多尺度调制与重建的压缩感知成像系统及其方法，可在采样率低的情况下提高图像重建质量。

本发明的实施例1提出了一种基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统，所述系统包括光学元件和电学元件；其中，所述光学元件包括成像镜头和空间光调制器；所述电学元件包括探测器、控制模块和存储计算模块；

所述控制模块，用于将产生的n个1像素分辨率矩阵A₁与n个2像素分辨率矩阵A₂发送到存储计算模块，并将对应的n对具有空间频域多尺度特征的互补矩阵B₁和B₂发送至空间光调制器；

所述成像镜头，用于将成像目标的光信号汇聚到空间光调制器；

所述空间光调制器，用于根据n对互补矩阵B₁和B₂，分别对待成像目标进行调制；

所述探测器，用于收集两路调制后的光信号，分别获得两路调制后图像的总光强测量结果，发送到存储计算模块；