一種單像素毫米波成像裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種單像素毫米波成像裝置和方法，入射毫米波輻射由平面鏡反射后依次通過一塊編碼矩陣模板和一塊列狹縫模板，經(jīng)會聚反射鏡匯聚后進入接收天線；兩塊模板經(jīng)由控制模塊與計算機相連，通過各部分之間的時間同步實現(xiàn)對目標的逐列編碼成像；探測器接收到的信號送入計算機進行并行圖像重構(gòu)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有毫米波成像技術(shù)采集較大圖像的難題：采用機械掃描方式成像時間緩慢，采用天線陣列則無法利用單探測器的較高性能，采用壓縮感知成像則缺少實用的空間光調(diào)制器。本發(fā)明通過逐列編碼成像和并行計算，大大縮短了毫米波圖像的獲取時間并提高了信噪比，本發(fā)明可應用于包括主動和被動等多種方式的毫米波成像場合。
【專利說明】一種單像素毫米波成像裝置和方法
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種單像素毫米波成像裝置技術(shù)，屬于毫米波成像【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]毫米波成像技術(shù)在許多領(lǐng)域有著廣闊的應用前景，例如安檢安防、化學品鑒別、氣象探測、地球遙感技術(shù)、飛行盲降系統(tǒng)、射電天文學等。毫米波成像系統(tǒng)可以采用單像素(單探測器)模式，通過機械掃描使接收天線依次對準目標上的每一個成像區(qū)域；也可采用多探測器或天線陣列模式，可直接對較大區(qū)域?qū)崿F(xiàn)成像。
[0003]目前的毫米波成像系統(tǒng)存在的不足主要有:
[0004](I)單像素系統(tǒng)多采用機械掃描成像方式，圖像信噪比低，成像速度較慢，尤其是對于被動式成像，在有些應用場合，對于具有數(shù)千像素的圖像總成像時間可達小時的量級，只能滿足對靜止目標和極緩慢運動目標成像的要求。
[0005](2)陣列式系統(tǒng)中的單個探測陣元多為輻射熱計，其探測性能如信噪比等無法與單探測器相比，因而陣列式成像系統(tǒng)的圖像分辨率往往不及單探測器，同時陣列系統(tǒng)的成本也遠遠高于單像素系統(tǒng)。
[0006]近年來,壓縮感知(Compressive Sensing)理論為單像素成像提供了新的解決思路。其核心思想是利用信號的稀疏特性，采用小于Nyquist采樣極限的采樣數(shù)據(jù)量，通過一定的重構(gòu)算法，求解欠定線性方程組，恢復出原始信號。壓縮感知技術(shù)可以有效地降低圖像的采樣率，縮短采樣時間，而且由于壓縮感知成像中探測器收到的信號是由圖像上多點的信號累加而成，其信噪比也得到大幅提高。一些應用壓縮感知的單像素成像技術(shù)方案已經(jīng)被提出，如已有專利:一種光場采樣及重構(gòu)方法與裝置，公開(公告)號:CN102306291A。
[0007]現(xiàn)有的壓縮感知成像方案多采用對圖像進行空間編碼的方式來實現(xiàn)，每一編碼單元的大小不小于波長的一半，成像過程一般需要大量的編碼序列，而實現(xiàn)快速且可自動變換的空間編碼往往需要響應速度較快的空間光調(diào)制器。在可見光到近紅外等波段，空間光調(diào)制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如數(shù)字微鏡陣列、液晶空間光閥等，這使得壓縮感知技術(shù)在這些波段比較易于實現(xiàn)，現(xiàn)在提出的壓縮感知成像系統(tǒng)也基本都工作在可見光到紅外波段。然而在毫米波等波長更長的區(qū)域，現(xiàn)在還缺少速度快、調(diào)制深度高、技術(shù)成熟的空間光調(diào)制器。若不采用空間光調(diào)制器，另一種空間編碼的實現(xiàn)方式是制作表面具有編碼結(jié)構(gòu)的機械模板。這種機械模板可以通過二維平移臺來進行更換，但這種方法變換模板速度很慢，不能充分體現(xiàn)壓縮感知提升成像速度的優(yōu)勢，對于大圖像來說，所需模板尺寸也十分巨大，因而機械模板無法應用到具有大量像素值的大圖像成像上。這些因素都導致壓縮感知原理還無法與暈米波技術(shù)很好地結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為有效提高毫米波成像的速度和信噪比，提升系統(tǒng)的大圖像處理能力，本發(fā)明提出一種單像素毫米波成像裝置技術(shù)，實現(xiàn)了壓縮感知原理與毫米波成像技術(shù)的融合。[0009]本發(fā)明的思想在于:將大圖像上的每一列作為一幅獨立的圖像處理，采用壓縮感知算法對每一列進行一維信號重構(gòu)，使得整個系統(tǒng)僅需使用一列成像所需的編碼矩陣模板數(shù)目，大大減小了所需模板的尺寸，同時使用并行計算技術(shù)，在對新一列進行采樣時即可對前一列進行圖像重構(gòu)計算，并可同時計算多列信號。
[0010]本發(fā)明的一種單像素毫米波成像裝置技術(shù)是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0011]一種單像素毫米波成像裝置技術(shù)，包括平面鏡(I)、編碼矩陣模板(2)、列狹縫模板(3)、會聚反射鏡(4)、接收天線(5)、數(shù)據(jù)采集卡(6)、中心控制CPU (7)、并行計算CPU
(8)、顯示屏(9)和控制模塊(10);帶有被成像物體信息的毫米波輻射經(jīng)過前端光學系統(tǒng)進入成像裝置后，經(jīng)過平面鏡(I)反射后依次穿過編碼矩陣模板(2)、列狹縫模板(3)，經(jīng)會聚反射鏡(4 )匯聚后進入接收天線(5 );接收天線(5 )的輸出端數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡(6 )連接中心控制CPU (7);中心控制CPU (7)連接各并行計算CPU (8)。
[0012]優(yōu)化的，編碼矩陣模板(2)和列狹縫模板(3)緊密靠近放置于前端毫米波光學系統(tǒng)的像平面上；編碼矩陣模板(2)與列狹縫模板(3)到會聚反射鏡(4)中心的距離和接收天線(5)到會聚反射鏡(4)中心的距離符合會聚反射鏡(4)的物像關(guān)系。
[0013]優(yōu)化的，編碼矩陣模板(2)和列狹縫模板(3)通過控制模塊(9)連接中心控制CPU
(6)的控制信號輸出端口。
[0014]所述的控制模塊(10)包括控制信號處理模塊(11)、編碼矩陣模板驅(qū)動電機(12)、編碼矩陣模板傳動機構(gòu)(13)、編碼矩陣模板主動軸(14)、編碼矩陣模板從動軸(15)、狹縫模板驅(qū)動電機(16)、狹縫模板傳動機構(gòu)(17)、狹縫模板主動軸(18)和狹縫模板從動軸(19);控制信號處理模塊(11)的輸入端連接中心控制CPU (7)輸出端，輸出端連接編碼矩陣模板驅(qū)動電機(12)和狹縫模板驅(qū)動電機(16)，編碼矩陣模板驅(qū)動電機(12)通過編碼矩陣模板傳動機構(gòu)(13)驅(qū)動編碼矩陣模板主動軸(14)和其上的編碼矩陣模板(2)，狹縫模板驅(qū)動電機(16 )通過狹縫模板傳動機構(gòu)(17 )驅(qū)動狹縫模板主動軸(18 )和其上的列狹縫模板
(3);編碼矩陣模板(2)首尾相連環(huán)繞成矩形，纏繞在編碼矩陣模板主動軸14和編碼矩陣模板從動軸(15)上；列狹縫模板(3)首尾相連環(huán)繞成矩形，纏繞在狹縫模板主動軸(18)和狹縫模板從動軸(19)上。
[0015]平面鏡I放置于編碼矩陣模板(2)和列狹縫模板(3)所圍成的矩形中央。
[0016]編碼矩陣模板(2)的每一列均由第一列通過循環(huán)平移產(chǎn)生,每一方格大小對應一個像素大??；列狹縫模板(3)的狹縫寬度對應一個像素大小。
[0017]中心控制CPU (7)根據(jù)所采集到數(shù)據(jù)的時間區(qū)段，識別每一段數(shù)據(jù)對應的編碼矩陣模板(2)花紋和對應的列編號，將數(shù)據(jù)分配到各并行計算CPU (8)進行并行圖像重構(gòu)。
[0018]一種利用上述的單像素毫米波成像裝置進行成像步驟如下:
[0019]步驟1:初始化系統(tǒng)，使得列狹縫模板對準圖像上的第一列；
[0020]步驟2:由中心控制CPU發(fā)出信號，控制編碼矩陣模板轉(zhuǎn)動；所述編碼矩陣模板對應于一個編碼矩陣矩陣，其產(chǎn)生方法為:使用某種數(shù)學算法產(chǎn)生長度為N、元素僅為O、I且
O、I等概率出現(xiàn)的偽隨機數(shù)序列，其中N為圖像在垂直方向上的大小(以像素值為單位)，此序列作為矩陣的第一列，而后每一列均由前一列向上循環(huán)平移一個單位獲得，得到NXN的矩陣，根據(jù)壓縮比M (M通常為N的1/3到1/2)，從N列中均勻地選出M列按順序構(gòu)成編碼矩陣矩陣ΦΝΧΜ ;編碼矩陣模板上將O元素的相應位置設(shè)置為不透光，I元素的相應位置設(shè)為透光；為方便纏繞于傳動軸上，編碼矩陣模板對應于若干個編碼矩陣矩陣依次排列；同樣地，列狹縫模板也由若干條等距的狹縫構(gòu)成，其總長度與編碼矩陣模板大致相等；
[0021]步驟3:對于圖像上的每一列，重復下述步驟3?6 ;
[0022]步驟4:當中心控制CPU判定對應于圖像此列的信號采集完畢后，中心控制CPU將此列的信號送至下一個空閑的并行計算CPU進行處理，并記錄下此段信號所對應圖像的列編號，而后中心控制CPU發(fā)出信號控制列狹縫模板轉(zhuǎn)過一個狹縫寬度，對準圖像上的下一列；
[0023]步驟5:并行計算CPU根據(jù)中心控制CPU的指令，對所得到的信號進行壓縮感知的圖像重構(gòu)，其重構(gòu)方法是:根據(jù)時間取出分別對應于編碼矩陣模板每一列的信號，形成一個長度為M的列向量y,通過求解最優(yōu)化問題min Il x Il I, y=C>Tx,得到一個長度為N的列向量X，其中Il Il I表示向量的1-1范數(shù)，上標T表示矩陣的轉(zhuǎn)置；并行計算CPU將所得到的列向量X返回中心控制CPU ；
[0024]步驟6:中心控制CPU將從并行計算CPU返回的列向量x填充到圖像所對應的列上，并在顯示屏上刷新所對應列的圖像。
[0025]本發(fā)明提出的一種單像素毫米波成像裝置技術(shù)，將壓縮感知原理與毫米波成像技術(shù)結(jié)合，可以解決現(xiàn)有毫米波成像技術(shù)在大圖像處理能力上的問題。具體來說:一是實現(xiàn)了壓縮感知原理與毫米波成像的結(jié)合，降低了接收天線所需采集的數(shù)據(jù)量并提高了信噪比，使得成像時間大幅度縮短，在部分場合，可以提高10倍以上的成像速度，同時單探測器系統(tǒng)的成本相比于陣列天線系統(tǒng)也大幅度降低；二是針對毫米波波段的特性設(shè)計了獨特的編碼模板，運用了雙模板逐列編碼加上機械旋轉(zhuǎn)的模式，同時將模板的尺寸和模板更換的速度控制在了可實用的范圍；三是將壓縮感知與并行計算結(jié)合，通過逐列編碼的模式，改變了系統(tǒng)必須等待所有數(shù)據(jù)采集完畢后才可進行圖像重構(gòu)的工作方式，使得圖像重構(gòu)和信號采集可以同步進行，提升了成像的效率和對計算機資源利用的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明單像素毫米波成像裝置原理圖。
[0027]圖2是控制模塊的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0028]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:
[0029]本發(fā)明實施例由尺寸為3IOmmX 220mm的平面鏡1、尺寸為300mmX 220mm的編碼矩陣模板2、尺寸為300mmX 220mm狹縫寬度為2mm的列狹縫模板3、直徑為600mmX 600mm的
會聚反射鏡4、單點接收天線5、數(shù)據(jù)采集卡6、中心控制CPU7、并行計算CPU8、顯示屏9、控制模塊10等組成。帶有待測目標信息的毫米波輻射經(jīng)由前端光學系統(tǒng)入射到本發(fā)明成像裝置中，經(jīng)平面鏡I反射后穿過編碼矩陣模板2和列狹縫模板3，經(jīng)由會聚反射鏡4匯聚入單點接收天線5，其中平面鏡I放置于編碼矩陣模板2和列狹縫模板3所圍成的矩形中央，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集卡6采集接收天線5的輸出信號，并將其送入中心控制CPU7，中心控制CPU7將信號分配至各并行計算CPU8進行并行圖像重構(gòu)。圖像重構(gòu)的結(jié)果顯示在顯示屏9上。中心控制CPU7通過控制模塊10控制編碼矩陣模板2和列狹縫模板3的轉(zhuǎn)動，并實現(xiàn)系統(tǒng)各部分之間的時間同步。
[0030]本實施例中的控制模塊10的結(jié)構(gòu)描述如下。中心控制CPU7的控制信號輸出通過控制信號處理模塊11分別轉(zhuǎn)換為編碼矩陣模板驅(qū)動電機12和狹縫模板驅(qū)動電機13的驅(qū)動電平，兩驅(qū)動電機經(jīng)由各自傳動機構(gòu)13、17分別帶動編碼矩陣模板主動軸14和狹縫模板主動軸18旋轉(zhuǎn)?？傞L度和寬度分別為1520mm和220mm的編碼矩陣模板2成條帶狀首尾相接纏繞于編碼矩陣模板主動軸14和三個編碼矩陣模板從動軸15上，圍成一矩形?？傞L度和寬度分別為1200mm和220mm的列狹縫模板3成條帶狀首尾相接纏繞于狹縫模板主動軸18和三個狹縫模板從動軸19上，圍成一矩形，置于編碼矩陣模板2所圍成矩形的內(nèi)部。平面鏡I置于列狹縫模板3所圍成矩形的內(nèi)部。
[0031]根據(jù)本實施例的單像素毫米波成像裝置技術(shù)的成像方法是:
[0032]中心控制CPU7發(fā)出控制信號控制編碼矩陣模板2連續(xù)轉(zhuǎn)動，列狹縫模板3對準圖像上的某一列，數(shù)據(jù)采集卡6持續(xù)采集單點接收天線5的輸出信號，并送入中心控制CPU7。當中心控制CPU7判定此列(設(shè)為第i列)所需的壓縮感知信號已采集完畢后，將此列信號送入下一個空閑的并行計算CPU8中進行圖像重構(gòu)，同時發(fā)出控制指令操縱列狹縫模板3轉(zhuǎn)動一個狹縫寬度，即對準圖像上的下一列。并行計算CPU8根據(jù)時間序列將由中心控制CPU7送來的太赫茲信號數(shù)據(jù)分為若干段，每一段對應于編碼矩陣模板2上的某一特定列對準狹縫時的信號，這些段信號即為重構(gòu)此列圖像時所需的壓縮感知信號I。重構(gòu)的方法是求解最優(yōu)化問題min Il Xi Il 1,Υ?=Φτχ?0并行計算CPU8計算完畢后，將重構(gòu)出的此列圖像數(shù)據(jù)Xi送還至中心控制CPU7，中心控制CPU7在顯示屏9上刷新此列。隨著編碼矩陣模板2的持續(xù)轉(zhuǎn)動，顯示屏9上的圖像將持續(xù)逐列刷新。
[0033]以上所述的實施例僅是本發(fā)明的一種具體實現(xiàn)方法，并不能理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。本領(lǐng)域內(nèi)的技 術(shù)人員在本發(fā)明的思想框架下，作出一些改進和變動，應當理解為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種單像素毫米波成像裝置，其特征在于:包括平面鏡(I)、編碼矩陣模板(2)、列狹縫模板(3)、會聚反射鏡(4)、接收天線(5)、數(shù)據(jù)采集卡(6)、中心控制CPU (7)、并行計算CPU (8)、顯示屏(9)和控制模塊(10);帶有被成像物體信息的毫米波輻射經(jīng)過前端光學系統(tǒng)進入成像裝置后，經(jīng)過平面鏡(I)反射后依次穿過編碼矩陣模板(2)、列狹縫模板(3)，經(jīng)會聚反射鏡(4)匯聚后進入接收天線(5);接收天線(5)的輸出端數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡(6)連接中心控制CPU (7);中心控制CPU (7)連接各并行計算CPU (8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單像素毫米波成像裝置，其特征在于:編碼矩陣模板(2)和列狹縫模板(3)緊密靠近放置于前端毫米波光學系統(tǒng)的像平面上；編碼矩陣模板(2)與列狹縫模板(3)到會聚反射鏡(4)中心的距離和接收天線(5)到會聚反射鏡(4)中心的距離符合會聚反射鏡(4)的物像關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單像素毫米波成像裝置，其特征在于:編碼矩陣模板(2)和列狹縫模板(3)通過控制模塊(10)連接中心控制CPU (7)的控制信號輸出端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單像素毫米波成像裝置，其特征在于:所述的控制模塊(10)包括控制信號處理模塊(11)、編碼矩陣模板驅(qū)動電機(12)、編碼矩陣模板傳動機構(gòu)(13)、編碼矩陣模板主動軸(14)、編碼矩陣模板從動軸(15)、狹縫模板驅(qū)動電機(16)、狹縫模板傳動機構(gòu)(17)、狹縫模板主動軸(18)和狹縫模板從動軸(19);控制信號處理模塊(11)的輸入端連接中心控制CPU (7 )輸出端，輸出端連接編碼矩陣模板驅(qū)動電機(12 )和狹縫模板驅(qū)動電機(16)，編碼矩陣模板驅(qū)動電機(12)通過編碼矩陣模板傳動機構(gòu)(13)驅(qū)動編碼矩陣模板主動軸(14)和其上的編碼矩陣模板(2)，狹縫模板驅(qū)動電機(16)通過狹縫模板傳動機構(gòu)(17)驅(qū)動狹縫模板主動軸(18)和其上的列狹縫模板(3);編碼矩陣模板(2)首尾相連環(huán)繞成矩形，纏繞在編碼矩陣模板主動軸(14)和編碼矩陣模板從動軸(15)上；列狹縫模板(3)首尾相連環(huán)繞成矩形，纏繞在狹縫模板主動軸(18)和狹縫模板從動軸(19)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單像素毫米波成像裝置，其特征在于，平面鏡(I)放置于編碼矩陣模板(2 )和列狹縫模板(3 )所圍成的矩形中央。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單像素毫米波成像裝置，其特征在于:編碼矩陣模板(2)的每一列均由第一列通過循環(huán)平移產(chǎn)生，每一方格大小對應一個像素大?。涣歇M縫模板(3)的狹縫寬度對應一個像素大小。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單像素毫米波成像裝置，其特征在于:中心控制CPU(7)根據(jù)所采集到數(shù)據(jù)的時間區(qū)段，判斷每一段數(shù)據(jù)對應的編碼矩陣模板(2)花紋和對應的列編號，將數(shù)據(jù)分配到各并行計算CPU (8)進行并行圖像重構(gòu)。
8.一種利用權(quán)利要求1~7所述的任一種單像素毫米波成像裝置進行成像的方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:初始化系統(tǒng)使得列狹縫模板對準圖像上的第一列； 步驟2:由中心控制CPU發(fā)出信號，控制編碼矩陣模板轉(zhuǎn)動；所述編碼矩陣模板對應于一個編碼矩陣，其產(chǎn)生方法為:使用某種數(shù)學算法產(chǎn)生長度為N、元素僅為O、I且O、I等概率出現(xiàn)的偽隨機數(shù)序列，其中N為圖像在狹縫長度方向上的大小(以像素值為單位)，此序列作為矩陣的第一列，而后每一列均由前一列向上循環(huán)平移一個單位獲得，得到NXN的矩陣，根據(jù)壓縮比M，M通常為N的1/3到1/2，從N列中均勻地選出M列按順序構(gòu)成編碼矩陣矩陣ΦΝΧΜ ;編碼矩陣模板上將O元素的相應位置設(shè)置為不透光，I元素的相應位置設(shè)為透光；編碼矩陣模板對應于若干個編碼矩陣矩陣依次排列；同樣地，列狹縫模板也由若干條等距的狹縫構(gòu)成，其總長度與編碼矩陣模板相等； 步驟3:對于圖像上的每一列，重復下述步驟3~6 ; 步驟4:當中心控制CPU判定對應于圖像此列的信號采集完畢后，中心控制CPU將此列的信號送至下一個空閑的并行計算CPU進行處理，并記錄下此段信號所對應圖像的列編號，而后中心控制CPU發(fā)出信號控制列狹縫模板轉(zhuǎn)過一個狹縫寬度，對準圖像上的下一列；步驟5:并行計算CPU根據(jù)中心控制CPU的指令，對所得到的信號進行壓縮感知的圖像重構(gòu)，其重構(gòu)方法是:根據(jù)時間取出分別對應于編碼矩陣模板每一列的信號，形成一個長度為M的列向量y,通過求解最優(yōu)化問題min Il X Il I, y=i>Tx,得到一個長度為N的列向量x,其中Il Il I表示向量的1-1范數(shù)，上標T表示矩陣的轉(zhuǎn)置；并行計算CPU將所得到的列向量X返回中心控制CPU ； 步驟6:中心控制CPU將從并行計算CPU返回的列向量X填充到圖像所對應的列上，并在顯示屏上刷新所對應列的圖像。
【文檔編號】G01S13/89GK103809176SQ201410092842
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】武帥, 涂昊, 馮輝 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所