一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统及方法

摘要

本发明涉及光学综合孔径成像领域，特别涉及一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统及方法。包括光学综合孔径子系统、混沌压缩编码子系统和探测成像子系统，光学综合孔径子系统负责接收目标辐射光波，混沌压缩编码子系统对目标辐射光波进行混沌相位调制和随机采样，调制采样后的光波最终被探测成像子系统探测并输入到计算机中进行高分辨率图像重构和显示。本发明可用于机载和星载或其他载体平台，实现对地侦察、监视、遥感和监测等各种应用。

说明书

技术领域

本发明涉及光学综合孔径成像领域，特别涉及一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统及方法，属于被动辐射探测、遥感和侦察领域。

背景技术

随着航天遥感技术的不断发展，高分辨率光学遥感器已成为各国争先研制的目标，以满足军事侦查详查等需要。而根据角分辨率公式：                                                （为中心波长,为孔径直径），当波长一定时，分辨率越高，要求空间光学系统的口径越大，但在实际应用中口径的增大受到材料、制造工艺、机械结构、有效载荷舱体积以及成本等诸多因素的限制。光学综合孔径成像系统采用易制造的小口径光学元件或光学系统来合成大口径系统, 是实现超大口径、 甚高分辨率空间光学遥感器的有效途径和发展方向之一。

压缩感知（Compressed Sensing，CS）理论是一种利用信号稀疏性或可压缩性的全新的信号采样理论。该理论指出，对于稀疏或可压缩信号，可以以低于甚至远低于奈奎斯特采样速率对其采样而不损失信号的细节。从应用角度考虑来看，CS 理论将图像获取端的成本转移到了后端图像重构端，即以软件效率换取硬件成本。将 CS理论引入光学综合孔径遥感成像系统中，能够用比香农/奈奎斯特采样定理少得多的采样数据完全重构出信号，因此，可以减少采样时间，减少信号处理时间，降低计算成本，降低数据存储和传输代价，提高成像速度；同时，降低对后端光电探测器的分辨率要求，从而降低成本。

CS理论的光学实现方法有两种， 一种是顺序处理，如美国 Rice 大学 Baraniuk 等人研制出的单像素相机（参见《Single pixel imaging via compressive sampling. IEEE Signal Processing Magazine, 2008, 25(2): 83~91》），该系统采用数字微镜器件DMD对成像目标进行编码，但是需要连续采样投影M次才能获得重构图像所需的全部测量值，成像时间长，不适于遥感应用。另一种是并行处理，如基于编码孔径的压缩成像（参见《Compressive coded aperture superresolution image reconstruction. IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2008, 833~836》），基于随机卷积编码的压缩成像（参见《CMOS compressed sensing by random convolution. IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2009, 19~24》）,并行处理的方法采用编码的方式实现图像的压缩采样，只需一次即可得到全部测量值,更适于对动目标进行快速成像。现有专利（一种基于压缩感知的稀疏孔径成像系统及方法，201310329810.7）将压缩感知理论应用于稀疏孔径成像系统中，采用空间光调制器对光场做随机调制后会聚到点探测器，多次映射获得全部测量值，属于顺序处理。目前基于压缩感知并行处理的光学综合孔径成像系统尚未有文献报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何实现快速、低成本的光学综合孔径成像系统中的压缩成像

本发明所采用的技术方案是：一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统，包括光学综合孔径子系统、混沌压缩编码子系统和探测成像子系统，光学综合孔径子系统负责接收目标辐射光波，混沌压缩编码子系统对目标辐射光波进行混沌相位调制和随机采样，调制采样后的光波最终被探测成像子系统探测并输入到计算机中进行高分辨率图像重构和显示。

多个小口径望远镜组成的望远镜阵列接收目标辐射的光波，光束变换单元调整光路使光波会聚在光束合成透镜上，用于实现光学综合孔径的直接成像，光束合成透镜焦平面上放置空间光调制器，空间调制器根据混沌相位编码调制矩阵对光场做混沌相位调制，调制后的光线经过一个傅里叶变换透镜后，再通过混沌稀疏采样掩膜板进行光线的随机采样，最终在光电探测器上记录出射光场。将光电探测器采集到的光场强度信号与构造混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样矩阵的参数送入计算机进行高分辨率图像重构和显示。

本发明提供的基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统包括光学综合孔径子系统、混沌压缩编码子系统和探测成像子系统；各所述子系统工作如下：光学综合孔径子系统负责接收目标辐射光波，混沌压缩编码子系统对目标辐射光波进行混沌相位调制和随机采样，调制采样后的光波最终被探测成像子系统探测并输入到计算机中进行高分辨率图像重构和显示。

所述光学综合孔径子系统由望远镜阵列、光束变换单元、光束合成透镜组成；望远镜阵列接收携带目标信息的辐射光波，每个子望远镜的主镜和次镜共焦，使出射光波为平行光，各平行光波经过光束变换单元后分别与原光束平行，构成与原光束等比列缩小的平行光束，最后会聚到光束合成透镜上。

所述望远镜阵列包括至少三个望远镜；所述光束变换单元包括至少三个反射镜组，每个反射镜组包含四个全反镜；一子望远镜，一反射镜组构成一条光路，各条光路上入射的光信号分别入射到所述光束合成透镜上。

所述混沌压缩编码子系统由空间光调制器、傅里叶变换透镜和混沌稀疏采样掩膜板组成；空间光调制器根据混沌相位编码调制矩阵对光束合成透镜焦平面的入射光场做混沌相位调制，调制后的光线经过傅里叶变换透镜后，照射到混沌稀疏采样掩膜板，获得经过随机采样的透射光场。

所述探测成像子系统由光电探测器和计算机组成；光电探测器记录混沌压缩编码子系统的出射光场，将光电探测器采集到的光场强度信号与构造混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样矩阵的参数送入计算机进行高分辨率图像重构和显示。

所述光学综合孔径子系统中所述望远镜阵列结构包括：Golay结构、三臂结构、环形结构、环面结构；

所述子望远镜结构包括：折射式望远镜、反射式望远镜；

所述空间光调制器采用透射型数字微透镜阵列或透射型液晶光阀中的任意一种；其分辨率由期望的高分辨率图像的分辨率决定，若高分辨率图像的分辨率为n×n，则所述空间光调制器的分辨率为n×n。

所述空间光调制器加载的混沌相位编码调制矩阵按如下方式产生：

1）设所述空间光调制器（4）的分辨率为n×n，构造1×N维（N=n×n）混沌序列，为混沌序列h的元素。混沌序列h可以采用如下任意一种：Logistic混沌序列、Tent混沌序列；

2）利用混沌序列h按如下方式构造n×n维矩阵T：

其中，矩阵中的各元素取自混沌序列h中的元素；

3）构造n×n维混沌相位编码调制矩阵G，该矩阵的元素为，其中j为虚数单位，表示矩阵T第k行第l列的元素，，方括号[ ]表示取整。矩阵G的元素为1或0，分别对应于空间光调制器独立单元的开和闭。

所述混沌稀疏采样掩膜板对应的矩阵如下设计：

由期望的高分辨率图像的分辨率确定掩膜板的大小，若高分辨率图像的分辨率为n×n，则混沌稀疏采样掩膜板对应的矩阵H为n×n维；

构造1×N维（N=n×n）混沌序列，为混沌序列h的元素。混沌序列h可以采用如下任意一种：Logistic混沌序列、Tent混沌序列；

将1×N维混沌序列h变换成n×n维混沌矩阵H₀，则按如下方式构造混沌稀疏采样掩膜板对应的n×n维混沌稀疏采样矩阵H，该矩阵的元素为1或0，对应于掩膜板相应位置的透光和不透光。

其中，sgn（）表述符号函数，表述混沌矩阵H₀第k行第l列的元素。

所述光电探测器采用CCD或CMOS，且分辨率小于期望的高分辨率图像的分辨率。

本发明提供的一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像方法，包括以下步骤：

预先构造混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样掩膜板对应的矩阵

设所述空间光调制器的分辨率为n×n，则混沌相位编码调制矩阵为n×n维；构造1×N维（N=n×n）混沌序列，为混沌序列h的元素。混沌序列h可以采用如下任意一种：Logistic混沌序列、Tent混沌序列；

利用混沌序列h按如下方式构造n×n维矩阵T：

其中，矩阵中的各元素取自混沌序列h中的元素；

构造n×n维混沌相位编码调制矩阵G，该矩阵的元素为，其中j为虚数单位，表示矩阵T第k行第l列的元素，，方括号[ ]表示取整。矩阵G的元素为1或0，分别对应于空间光调制器独立单元的开和闭；

将1×N维混沌序列h变换成n×n维混沌矩阵H₀，则按如下方式构造混沌稀疏采样掩膜板对应的n×n维混沌稀疏采样矩阵H，该矩阵的元素为1或0，对应于掩膜板相应位置的透光和不透光。

其中，sgn(·)表示符号函数，表示混沌矩阵H₀第k行第l列的元素。

2）混沌相位调制步骤

光学综合孔径入射的成像光信号X传输到空间光调制器上，所述空间光调制器根据加载在其上的混沌相位编码调制矩阵G对入射光波进行混沌相位调制。

3）混沌稀疏采样步骤

调制后的光波经过一个傅里叶变换透镜后，得到光信号z=F^-1(GF(X))，其中X为光学综合孔径入射的成像光信号，F(·) 表示傅里叶变换运算，F^-1(·)表示逆傅里叶变换运算，表示任意两个相同维数矩阵相应元素的乘积运算，即光信号z为入射的成像光信号X作傅里叶变换后与混沌相位编码调制矩阵G的各元素相乘，然后作逆傅里叶变换后得到的结果。该信号经过混沌稀疏采样掩膜板，随机选择部分光线通过，得到稀疏采样光信号，其中，H表示混沌稀疏采样矩阵。最后，利用光电探测器记录稀疏采样光信号，由于所述光电探测器的分辨率比所述空间光调制器分辨率低，因此光电探测器会对稀疏采样光信号分块求和，实现降采样，从而获得最终的低维测量值Y=D，其中D为降采样因子，用来表示光电探测器对稀疏采样光信号的降采样过程。

成像重构步骤

将光电探测器的输出Y以及构造所述混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样矩阵的参数输入计算机，选取合适的稀疏基来稀疏表示光学综合孔径入射的成像光信号X，通过压缩感知重构算法进行重构，最终实现光学综合孔径的压缩成像。

本发明中n、N、i、k、l为自然数。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统和方法，实现了压缩感知理论在光学综合孔径领域的应用，同时由于本发明光信号的采样和压缩以低速率进行，从而降低数据量，降低计算成本，降低数据存储和传输代价，提高成像速度；降低对后端光电探测器的分辨率要求，或者在光电探测器分辨率相同条件下，可以获得比传统光学综合孔径成像系统更高的成像性能。此外，本发明采用混沌序列构造混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样掩膜板，相比传统的随机信号构造方法，无需存储整个矩阵，而只需存储混沌序列的参数，从而节省存储空间。本发明可用于机载和星载或其他载体平台，实现对地侦察、监视、遥感和监测等各种应用。

附图说明

图1为本发明基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统图；

其中：1、望远镜阵列，2、光束变换单元，3、光束合成透镜，4、空间光调制器，5、傅里叶变换透镜；6、混沌稀疏采样掩膜板，7、光电探测器，8、计算机，201-204、全反镜。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为本发明的基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像系统在一个实施例中的结构示意图，该系统包括望远镜阵列1、由4个全反镜201-204构成的光束变换单元2、光束合成透镜3、空间光调制器4、傅里叶变换透镜5、混沌稀疏采样掩膜板6、光电探测器7和计算机8。空间光调制器4位于光束合成透镜3的后焦面，傅里叶变换透镜5的前焦面；混沌稀疏采样掩膜板6位于傅里叶变换透镜5的后焦面。

所述望远镜阵列接收携带目标信息的辐射光波，每个子望远镜的主镜和次镜共焦，使出射光波为平行光，各平行光波经过光束变换单元（2）后分别与原光束平行，构成与原光束等比列缩小的平行光束，最后会聚到光束合成透镜（3）上。

所述望远镜阵列（1）包括至少三个子望远镜；每个子望远镜的主镜和次镜共焦，使出射光波为平行光；所述光束变换单元（2）包括至少三个反射镜组，每个反射镜组包含四个全反镜；一子望远镜，一反射镜组构成一条光路，各条光路的光波为平行光波，与子望远镜出射的原光束平行，且构成与原光束等比列缩小的平行光束，最后会聚到光束合成透镜（3）上。

所述望远镜阵列（1）结构包括：Golay结构、三臂结构、环形结构、环面结构；所述子望远镜结构包括：折射式望远镜、反射式望远镜。

本实施例中，望远镜阵列（1）采用三个卡塞格林望远镜构成Golay3结构（望远镜中心构成等边三角形）。

所述空间光调制器（4）采用透射型数字微透镜阵列或透射型液晶光阀中的任意一种；其分辨率由期望的高分辨率图像的分辨率决定，即系统最终的分辨率由空间光调制器（4）决定。

本实施例中，设期望的高分辨率图像的分辨率为n×n，则空间光调制器（4）的分辨率为n×n。空间光调制器（4）采用透射型电寻址液晶光阀，该液晶光阀的每个单元在随时间变化的电驱动信号的控制下独立地开和闭，从而控制光线的透过与遮挡，该液晶光阀根据加载在其上的混沌相位编码调制矩阵来控制光线的透过与遮挡。

所述空间光调制器（4）加载的混沌相位编码调制矩阵利用混沌序列产生，混沌序列可以采用如下任意一种：Logistic混沌序列、Tent混沌序列。

所述混沌稀疏采样掩膜板（6）对应的矩阵利用混沌序列产生，混沌序列可以采用如下任意一种：Logistic混沌序列、Tent混沌序列。

所述空间光调制器（4）加载的混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样掩膜板（6）可以采用不同的混沌序列产生。

本实施例中，利用Logistic混沌序列构造混沌相位编码调制矩阵，并加载到空间光调制器（4）上。混沌稀疏采样掩膜板对应的矩阵也由Logistic混沌序列产生。

所述光电探测器（7）采用CCD或CMOS，且分辨率小于期望的高分辨率图像的分辨率。

本实施例中，光电探测器（7）采用电荷耦合器件CCD，且分辨率是空间光调制器4的四分之一，即空间光调制器4的分辨率为n×n，则光电探测器（7）的分辨率为n/2×n/2。

本实施例中，系统按如下方式工作：望远镜阵列（1）接收目标辐射的光波，光束变换单元（2）调整光路使光波会聚在光束合成透镜（3）上，用于实现光学综合孔径的直接成像，空间调制器（4）根据加载在其上的混沌相位编码调制矩阵对光场做混沌相位调制，调制后的光线经过一个傅里叶变换透镜（5）后，再通过混沌稀疏采样掩膜板（6）进行光线的随机采样，最终在光电探测器（7）上记录出射光场。将光电探测器（7）采集到的光场强度信号与构造混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样矩阵的参数送入计算机（8），然后根据压缩感知重构算法进行高分辨率图像重构和显示。

本发明提供的基于混沌压缩编码的光学综合孔径成像方法包括以下步骤：

预先构造混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样掩膜板

设所述空间光调制器（4）的分辨率为n×n，则混沌相位编码调制矩阵为n×n维；按如下方式构造1×N维（N=n×n）Logistic混沌序列，为混沌序列h的元素：

          

其中，为实值控制参数。本实施例中，取，初始值。

利用混沌序列h按如下方式构造n×n维矩阵T：

其中，矩阵中的各元素取自混沌序列h中的元素；

构造n×n维混沌相位编码调制矩阵G，该矩阵的元素为，其中j为虚数单位，表示矩阵T第k行第l列的元素，，方括号[ ]表示取整。矩阵G的元素为1或0，分别对应于空间光调制器4独立单元的开和闭；

将1×N维混沌序列h变换成n×n维混沌矩阵H₀，则按如下方式构造混沌稀疏采样掩膜板（6）对应的n×n维混沌稀疏采样矩阵H，该矩阵的元素为1或0，对应于掩膜板相应位置的透光和不透光。

其中，sgn(·)表示符号函数，表示混沌矩阵H₀第k行第l列的元素。

混沌相位调制步骤

光学综合孔径入射的成像光信号X传输到空间光调制器（4）上，所述空间光调制器（4）根据加载在其上的混沌相位编码调制矩阵G对入射光波进行混沌相位调制。

混沌稀疏采样步骤

调制后的光波经过一个傅里叶变换透镜（5）后，得到光信号z=F^-1(GF(X))，其中X为光学综合孔径入射的成像光信号，F(·) 表示傅里叶变换运算，F^-1(·)表示逆傅里叶变换运算，表示任意两个相同维数矩阵相应元素的乘积运算，即光信号z为入射的成像光信号X作傅里叶变换后与混沌相位编码调制矩阵G的各元素相乘，然后作逆傅里叶变换后得到的结果。该信号经过混沌稀疏采样掩膜板（6），随机选择部分光线通过，得到稀疏采样光信号，其中，H表示混沌稀疏采样矩阵。最后，利用光电探测器（7）记录稀疏采样光信号，由于所述光电探测器（7）的分辨率比所述空间光调制器4分辨率低，因此光电探测器7会对稀疏采样光信号分块求和，实现降采样，从而获得最终的低维测量值Y=D，其中D为降采样因子，用来表示光电探测器7对稀疏采样光信号的降采样过程。

4）成像重构步骤

将光电探测器（7）的输出Y以及构造所述混沌相位编码调制矩阵和混沌稀疏采样矩阵的参数输入计算机，选取合适的稀疏基来稀疏表示光学综合孔径入射的成像光信号X，通过压缩感知重构算法进行重构，最终实现光学综合孔径的压缩成像。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。