[发明专利]一种基于低通滤波器的压缩超快成像系统及方法

说明书

本发明属于高速成像技术领域，公开了一种基于低通滤波器的压缩超快成像系统及方法。本发明将低通滤波器作为信号采集的压缩组件，通过低通滤波器滤除采样信号中的高频部分，降低采样信号的带宽，实现信号降采样。本发明能够有效降低系统复杂度和成本，提升恢复图片的信噪比。

技术领域

本发明属于高速成像技术领域，更具体地，涉及一种基于低通滤波器的压缩超快成像系统及方法。

背景技术

目前，压缩感知算法已经成为高速成像领域的一个研究热点。经典成像技术遵循奈奎斯特-香农采样定理，即采样率必须满足原信号最高频率的两倍以上，一般远高于奈奎斯特采样定理的要求，才能将原信号恢复出来。所以常规采样一定会采集大量的冗余数据，对数据存储和处理设备施加巨大压力。而高速成像过程既要满足采集速度快，同时也需要保证信号的保真度，在满足传统奈奎斯特采样率的情况下，成像过程会在短时间内产生大量数据，后端的硬件存储和处理设备则很难实现连续采集和实时成像。

2007年，陶哲轩等人提出压缩感知理论，该理论基于信号在观测域的稀疏性，实现了以远低于奈奎斯特采样定理要求的数据量重建数据信号。之后，2008年，美国莱斯大学首次提出将压缩感知原理与单像素成像系统结合，研制单像素压缩数码照相机。通过利用数字微镜阵列(DMD)实现图像信号的随机亚采样，对原信号压缩，并利用算法将图片恢复。这种成像方法可有效降低数据量，缓解硬件压力，提升成像速度，是目前众多压缩感知单像素成像系统的基础。

基于DMD的压缩成像系统，其编码率和成像帧速率受到DMD的图形刷新速率限制，目前只能达到百KHz量级。2015年，美国约翰霍普金斯大学的Bryan T.Bosworth等人提出利用码型发生器对超快激光脉冲的时域拉伸波形编码，并通过色散光纤将编码后的脉冲压缩，经过高速光电探测器(PD)和模数转换器(ADC)采集，由计算机恢复成像。这种方法的成像帧速率由激光器的重复频率决定，达到百MHz量级，可以实现对微观高速运动事物的连续超快成像。但是采用色散光纤实现脉冲压缩的方法通常需要十公里以上长度的色散光纤，会严重损耗信号功率，降低信噪比，增加系统的成本和复杂度。

发明内容

本发明通过提供一种基于低通滤波器的压缩超快成像系统及方法，解决现有技术中压缩超快成像存在信噪比较高、系统的复杂度及成本较高的问题。

本发明提供一种基于低通滤波器的压缩超快成像系统，包括：时域拉伸单元、可编程结构光单元、高速信号采集单元和信号处理单元；所述高速信号采集单元包括低通滤波器，所述低通滤波器作为信号采集的压缩组件，用于滤除采样信号中的高频部分，降低采样信号的带宽，实现信号降采样。

优选的，所述高速信号采集单元还包括：第一4f透镜系统、第一物镜、第二物镜、第二4f透镜系统、第二衍射光栅、第二准直器、高速光电探测器和高速示波器；

所述第一4f透镜系统和所述第一物镜用于将编码结构光信号聚焦于待测样品表面；携带待测样品信息的光信号依次经过所述第二物镜和所述第二4f透镜系统后入射至所述第二衍射光栅上，所述第二衍射光栅用于对光信号进行空间域压缩；压缩后的光信号经所述第二准直器准直后输入至所述高速光电探测器，所述高速光电探测器用于捕获采样信号，将光信号转换为模拟电信号；所述高速光电探测器的射频信号输出端连接所述低通滤波器的输入端，所述低通滤波器的输出端连接所述高速示波器的信号输入端；所述低通滤波器用于滤除采样信号中的高频信号，所述高速示波器将采集信号的通道带宽降至与所述低通滤波器的截止频率一致，所述高速示波器用于进行低采样率采集，将模拟电信号转换为数字信号，并传输至所述信号处理单元。

优选的，所述高速信号采集单元采用多个串联的低通滤波器作为信号采集的压缩组件。

优选的，所述时域拉伸单元包括：锁模飞秒激光器和色散光纤；所述锁模飞秒激光器的光信号输出端连接所述色散光纤，所述锁模飞秒激光器用于产生飞秒脉冲，所述色散光纤用于将所述飞秒脉冲在时域展开。