一種基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)，包括：DMD芯片、DMD控制電路、單點(diǎn)探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)重構(gòu)單元、光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)可以解決現(xiàn)有技術(shù)中的中波紅外熱像儀價(jià)格非常昂貴，無(wú)法滿足使用需求的技術(shù)難題。本發(fā)明提供了一種掃描效率高，占用存儲(chǔ)空間小，而且成本較低的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于壓縮感知理論的 單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，紅外成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于熱成像、爆炸研宄、目標(biāo)特性檢測(cè)、高速目標(biāo)檢 測(cè)跟蹤、偽裝和反偽裝以及機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等科研和國(guó)防領(lǐng)域。由于較高溫度的目標(biāo)在 中波區(qū)域具有很強(qiáng)的輻射，因此中波紅外探測(cè)器適用于對(duì)高溫目標(biāo)進(jìn)行成像；同時(shí)中波紅 外系統(tǒng)通常需要采用制冷設(shè)備將芯片工作溫度控制到100K以下，極大地抑制了噪聲，因此 中波紅外成像系統(tǒng)相比長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)具有更好的圖像質(zhì)量。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)使用的制冷型中波紅外探測(cè)器主要依賴(lài)于進(jìn)口，由于國(guó)外的限購(gòu)政策 以及產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的限制，因此中波紅外熱像儀價(jià)格非常昂貴，達(dá)到幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)，極 大的限制了國(guó)內(nèi)中波紅外技術(shù)的發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)中的面陣中波紅外成像系統(tǒng)價(jià)格昂貴的技術(shù)問(wèn)題，提供一 種利用成本較低的數(shù)字微鏡陣列（DMD)和制冷型單點(diǎn)中波紅外探測(cè)器搭建的，基于壓縮感 知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：
[0006] 一種基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)，包括：
[0007] DMD芯片、DMD控制電路、單點(diǎn)探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)重構(gòu)單元、光學(xué)系統(tǒng)；
[0008] DMD控制電路可根據(jù)基于壓縮感知理論預(yù)先給定的測(cè)量矩陣控制DMD芯片的翻轉(zhuǎn) 狀態(tài)；
[0009] 測(cè)量矩陣包含0、1的矩陣，其中0表示微鏡的OFF狀態(tài)，1表示微鏡的ON狀態(tài)；通 過(guò)控制微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)決定該點(diǎn)的光能量值是否被探測(cè)器所接收；
[0010] 數(shù)據(jù)采集單元接收到DMD控制單元發(fā)出的外同步信號(hào)時(shí)，可對(duì)單點(diǎn)探測(cè)器輸出模 擬信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，將形成的數(shù)字信號(hào)經(jīng)圖像采集卡輸送到上位機(jī)； 然后在數(shù)據(jù)重構(gòu)單元中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，獲得精確的外界場(chǎng)景圖像。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，當(dāng)微鏡處于ON狀態(tài)時(shí)，反射鏡發(fā)生正向翻轉(zhuǎn)，光線經(jīng)過(guò)第二 個(gè)透鏡，被位于像平面位置的紅外單點(diǎn)探測(cè)器接收；當(dāng)微鏡處于OFF狀態(tài)下，反射鏡發(fā)生負(fù) 向翻轉(zhuǎn)，光線偏出視場(chǎng)外。
[0012] 在上述技術(shù)方案中，所述微鏡處于ON狀態(tài)時(shí)，反射鏡發(fā)生正向的+12°的翻轉(zhuǎn)；當(dāng) 微鏡處于OFF狀態(tài)下，反射鏡發(fā)生負(fù)向的-12°翻轉(zhuǎn)。
[0013] 本發(fā)明具有以下的有益效果：
[0014] 本發(fā)明的基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)可以解決現(xiàn)有技術(shù)中的中 波紅外熱像儀價(jià)格非常昂貴，無(wú)法滿足使用需求的技術(shù)難題。本發(fā)明提供了一種掃描效率 高，占用存儲(chǔ)空間小，而且成本較低的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016] 圖1為本發(fā)明的基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)的原理框圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明的基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)中的光路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 本發(fā)明的發(fā)明思想為：一種基于壓縮感知的中波紅外面陣成像系統(tǒng)，主要由DMD 芯片及控制電路、制冷型單點(diǎn)中波紅外探測(cè)器、圖像數(shù)據(jù)采集與重構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)等構(gòu)成。
[0019] DMD芯片是一種新型、全數(shù)字化的平面顯示器件，應(yīng)用微電子機(jī)械學(xué)（MEMS)技術(shù) 將可旋轉(zhuǎn)的微米級(jí)的鋁制微反射鏡和COMSSRAM集成在同一塊芯片上。每個(gè)微反射鏡相當(dāng) 于一個(gè)光開(kāi)關(guān)，能夠旋轉(zhuǎn)±12°。微鏡的旋轉(zhuǎn)由COMSSRAM的狀態(tài)決定，當(dāng)存儲(chǔ)器單元狀態(tài) 為"ON"即" 1"狀態(tài)時(shí)，微鏡旋轉(zhuǎn)+12°，使入射光線被反射到單點(diǎn)探測(cè)器上；當(dāng)存儲(chǔ)器單元 狀態(tài)為"OFF"即"0"狀態(tài)時(shí)，微鏡旋轉(zhuǎn)-12°，入射光線偏出視場(chǎng)外。
[0020] 通過(guò)控制DMD驅(qū)動(dòng)電路，使每一時(shí)刻只有一個(gè)微反射鏡處于"ON"狀態(tài)，其余均處 于"OFF"狀態(tài)。按照從左到右、從上到下的順序，遍歷整個(gè)靶面，即可獲得完整的靶面亮度 信息。
[0021] 經(jīng)微鏡反射的光線被單點(diǎn)探測(cè)器接收后，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，圖像 采集部分對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集，并按照從左到右、從上到下的順序依次顯示，就可以獲得外 界場(chǎng)景的圖像。
[0022] 單點(diǎn)掃描是獲取整幅圖像的最簡(jiǎn)單的方式，能真實(shí)再現(xiàn)場(chǎng)景信息，但也存在較大 問(wèn)題，DMD芯片通常由幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)片微反射鏡組成，而DMD的翻轉(zhuǎn)速度通常只有幾 千到幾萬(wàn)次每秒，因此單點(diǎn)掃描費(fèi)時(shí)太長(zhǎng)，同時(shí)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理需占用大量的存儲(chǔ)空 間。
[0023] 為了解決上述兩大問(wèn)題，本發(fā)明以壓縮感知理論為基礎(chǔ)，提出一種新的掃描方式。 作為一個(gè)新的采樣理論，壓縮感知通過(guò)開(kāi)發(fā)信號(hào)的稀疏特性，在遠(yuǎn)小于Nyquist采樣率的 條件下，用隨機(jī)采樣獲取信號(hào)的離散樣本，然后通過(guò)非線性重建算法完美的重建信號(hào)。
[0024] 根據(jù)壓縮感知理論，對(duì)于一個(gè)一維列向量XeRm，存在測(cè)量矩陣ΦeRmw(M〈〈N)， 在該矩陣下的測(cè)量值yeRsm，它們之間滿足：
[0025] y = Φχ (1)
[0026] 因?yàn)閥的維數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X的維數(shù)，因此式⑴存在多個(gè)解，很難重構(gòu)原始信號(hào)X。 然而如果原始信號(hào)X具有K稀疏性，通過(guò)合理設(shè)計(jì)測(cè)量矩陣Φ，則通過(guò)對(duì)y求解Itl范數(shù)最 小化問(wèn)題來(lái)精確重構(gòu)原始信號(hào)X。
[0027]X=argmin| |x| | 〇s.ty=Φχ (2)
[0028] 其中Φ矩陣應(yīng)滿足約束等距性條件，即對(duì)于K稀疏信號(hào)和常數(shù)δKe(〇,I):
[0029] (1-δκ)||χ||22^ ||Φχ||22^ (1+δ κ)I IxM22(3)
[0030] 可以證明，對(duì)于一個(gè)Μ*Ν高斯隨機(jī)矩陣，當(dāng)M彡0(Klog(N/K))時(shí)，Φ矩陣以很高 的概率滿足約束等距性條件。因此本發(fā)明選用高斯隨機(jī)矩陣作為測(cè)量矩陣。
[0031] 通常拍攝到的外界場(chǎng)景都是比較復(fù)雜的，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行一些變換，使圖像 滿足稀疏特性，常用的稀疏變換有小波變換、離散傅里葉變換等。本發(fā)明采用離散傅里葉變 換對(duì)圖像進(jìn)行稀疏處理。根據(jù)離散傅里葉變換的定義，有限長(zhǎng)序列XeRm，其正、反變換 為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)，其特征在于，包括： DMD芯片、DMD控制電路、單點(diǎn)探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)重構(gòu)單元、光學(xué)系統(tǒng)； DMD控制電路可根據(jù)基于壓縮感知理論預(yù)先給定的測(cè)量矩陣控制DMD芯片的翻轉(zhuǎn)狀 態(tài)； 測(cè)量矩陣包含〇、1的矩陣，其中〇表示微鏡的OFF狀態(tài)，1表示微鏡的ON狀態(tài)；通過(guò)控 制微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)決定該點(diǎn)的光能量值是否被探測(cè)器所接收； 數(shù)據(jù)采集單元接收到DMD控制單元發(fā)出的外同步信號(hào)時(shí)，可對(duì)單點(diǎn)探測(cè)器輸出模擬信 號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，將形成的數(shù)字信號(hào)經(jīng)圖像采集卡輸送到上位機(jī)；然后 在數(shù)據(jù)重構(gòu)單元中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，獲得精確的外界場(chǎng)景圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)，其特征在于， 當(dāng)微鏡處于ON狀態(tài)時(shí)，反射鏡發(fā)生正向翻轉(zhuǎn)，光線經(jīng)過(guò)第二個(gè)透鏡，被位于像平面位置的 紅外單點(diǎn)探測(cè)器接收；當(dāng)微鏡處于OFF狀態(tài)下，反射鏡發(fā)生負(fù)向翻轉(zhuǎn)，光線偏出視場(chǎng)外。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于壓縮感知理論的單點(diǎn)中波紅外成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述微鏡處于ON狀態(tài)時(shí)，反射鏡發(fā)生正向的+12°的翻轉(zhuǎn)；當(dāng)微鏡處于OFF狀態(tài)下，反射鏡 發(fā)生負(fù)向的-12°翻轉(zhuǎn)。
【文檔編號(hào)】G01J5/20GK104483025SQ201410797030
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】唐艷秋, 孫強(qiáng), 趙建, 姚凱男 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所