专利名称：基于压缩感知理论的航天相机成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学遥感技术领域，特别是涉及基于压缩感知理论的航天相机成
像装置。
背景技术：
现有航天相机采样严格满足香农采样定理，采样信息量受到采样定理的限制，像质难以提高。探测器面积过大，不易于制冷。传统遥感相机在长时间对地观测时会收集大量的数据，在星上很难进行大容量存储。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供基于压缩感知理论的航天相机成像装置，该装置采用单位像素大小的探测器代替传统大规模面阵探测器，适用于环境恶劣的深空探测，使相机更轻小，体积和功耗代价小。本实用新型的上述目的是通过如下技术方案予以实现的基于压缩感知理论的航天相机成像装置，包括第一透镜、第二透镜、DMD阵列、单像素探测器、A/D和图像重建模块，其中第一透镜将场景入射光汇聚到DMD阵列上；第二透镜将DMD阵列上的反射光线汇聚到单像素探测器上；DMD阵列包括寻址集成芯片和测量矩阵的微镜片，将从第一透镜汇聚的光通过测量矩阵的微镜片把光线反射到第二透镜上；单像素探测器接收DMD阵列反射的光线，将光信号转换为电信号，输出给A/D ；A/D:接收单像素探测器输出的电信号，进行模/数转换，将数字信号输出给图像重建模块；图像重建模块接收A/D输出的数字信号，对接收的数字信号进行图像重建，具体方法为选择DMD的测量矩阵，对接收的数字信号进行稀疏表示，并求出稀疏表示中的过渡矩阵，对I范数求约束最小，从而得到重建的图像。在上述基于压缩感知理论的航天相机成像装置中，图像重建模块包括测量矩阵选择模块、稀疏表示模块、过渡矩阵模块和范数最小约束模块，其中测量矩阵选择模块用于选择DMD的测量矩阵，稀疏表示模块用于对接收的数字信号进行稀疏表示，过渡矩阵模块用于求出稀疏表示中的过渡矩阵，范数最小约束模块用于对I范数求约束最小。本实用新型与现有技术相比具有如下优点(I)本实用新型在图像重建模块中采用了信号稀疏表示的压缩感知原理，在采样前进行信号压缩，突破了传统采样定理得约束条件，得到的信息量更大，适用于图像信息量比较大的多光谱、超光谱成像；(2)本实用新型采用单位像素大小的探测器代替传统大规模面阵探测器，解决了探测器(尤其是红外)规模受限的关键技术难题，同时可使器件制冷易于实现；[0016](3)本实用新型成像装置体积和功耗代价小，使相机更轻小，适用于环境恶劣的深空探测或其他环境极其恶劣的星际空间探测；适合微型传感器(空间资源极其匮乏)；(4)本实用新型成像装置尤其适用于弱光和在可见光谱之外的谱段进行工作，比如用在传感器规模受限的红外、微波、弱光(雪崩管)等，具有较强的实用性。
图I为本实用新型航天相机成像装置结构示意图；图2为本实用新型成像装置中图像重建模块的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述如图I所示为本实用新型航天相机成像装置结构示意图，由图可知该成像装置包括第一透镜、第二透镜、DMD阵列、单像素探测器、A/D和图像重建模块，其中DMD阵列采用美国TI公司的HD3+DMD芯片，分辨率为1280X 720，微镜片是正方形，其边长为13_16um，分别处于+12°和-12°两个工作状态。系统依靠静态随机存取贮存器(SRAM)单元对每一个微镜进行寻址，并使用CMOS电路提供的静电力驱动微镜固定轴转动。DMD(数字微镜设备)器件是一种被集成在寻址集成芯片上的快速数字光开关反射阵列，使用它可以用来产生随机测量矩阵。单像素探测器一般可以用单个动态范围比较大的光敏二极管制成。镜头前的单个探测器为单像素相机是与传统CCD/CM0S相机之间在结构上最大的不同。当然，也可以把探测器做成由少量像素组成的小规模阵列(其像素单元小于传统CCD/CM0S探测器)。根据多次所得的测量值，重构原始图像信息。由于探测器规模较小，易于红外探测器制冷。单像素相机与传统(XD/CM0S相机不同的是单像素相机把大数据量的处理工作放到了地面高性能并行分布式计算处理，从而完成星地一体化系统。这样，星上所需功耗大大降低，减小相机尺寸。因为相机探测器采样值是经过原始信号经二种正交基的转换后的矩阵，测量值维度相当低，数量较少，方便星上的数据存贮与传输。压缩感知可以把传统星上成像的代价转化为离线的地面复原工作。该成像装置的具体工作过程如下第一透镜将场景入射光汇聚到DMD阵列上；第二透镜将DMD阵列上的反射光线汇聚到单像素探测器上；DMD阵列将从第一透镜汇聚的光通过测量矩阵的微镜片把光线反射到第二透镜上；单像素探测器接收DMD阵列反射的光线，将光信号转换为电信号，输出给A/D ；A/D接收单像素探测器输出的电信号，进行模/数转换，将数字信号输出给图像重建模块；图像重建模块接收A/D输出的数字信号，对接收的数字信号进行图像重建，具体方法为选择DMD的测量矩阵，对接收的数字信号进行稀疏表示，并求出稀疏表示中的过渡矩阵，对I范数求约束最小，从而得到重建的图像。图像重建模块包括测量矩阵选择模块、稀疏表示模块、过渡矩阵模块和范数最小约束模块，其中测量矩阵选择模块用于选择DMD的测量矩阵，稀疏表示模块用于对接收的数字信号进行稀疏表示，过渡矩阵模块用于求出稀疏表示中的过渡矩阵，范数最小约束模块用于对I范数求约束最小，图像重建模块的详细工作原理如下(I)首先选择合适的测量矩阵。在编码测量中，选择稳定的投影矩阵，为了确保信号的线性投影能够保持信号的原始结构，(也就是测量结果与原始图像之间逼近程度的表征)，投影矩阵必须满足约束等距性条件。线性投影测量值由原始信号与测量矩阵的乘积形式组成。测量矩阵O必须满足约束等距性条件。对于任意K稀疏信号c和常数，OkG (0,I)如果(I-aK}\c\\22 -II0HI22 S (I + K vceW( 1 )成立’其中了^仄…,"}，T彡K，0\为O中由索引T所指示的相关列构成的大小为Kx |t|的子矩阵，则称矩阵o满足约束等距性。通常，对于一个K系数信号x(其K个非零值的位置是未知的)，公式(5)可以从y精确重构出X的充分条件是矩阵O对于3K稀疏信号c和常数8 3K G (0，I)有3K阶约束等距性，即CT,KJcf2 <||Orc||J <(l + ^|c||； Vce# 丨(2)成立，其中Tcl，…，W，T彡3K。可以通过选择一个大小为MXN的高斯测量矩阵得到，其中每一个值都满足N(0，1/N)的独立正态分布。(2)压缩感知的前提是假设信号具有稀疏性和可压缩性，即信号在合适的基下可以有简洁的表达式。稀疏表示超越了传统的香农采样定理，使采样信号可以在亚耐奎斯特采样方式的基础上对原始信号进行精准重建。信号的稀疏表示表现在该信号中只有少数元素是非零的。在大多数情况下时域内的自然信号都是非稀疏的，但是其在变换域上可能是稀疏的。变换为稀疏的信号，可以有效的用少数的系数表示整个信号。根据调和分析理论，一个长度为N的一维离散时间信号f，可表示为一组标准正交基的线性组合/ = [ X# ,( 3 )
I = I可简化为f = x￥, ￥ = [￥j ￥2|*** ￥n] (4)式(3)中，Vi为列向量。若X只有K个元素非零，则称X为信号f 的K稀疏表示。简单的说，稀疏表示就是将信号投影到正交变换基时，绝大部分变换系数的绝对值很小，所得到的变换向量是稀疏或近似稀疏的，可将其看作原始信号的一种简洁表达。稀疏表示是压缩感知的理论基础，自然信号必然在某种变换下是可近似于稀疏表示的。(3) y代表信号M的测量结果矩阵；s代表重建信号N的矩阵，那么有Yj =〈X, Oj>,J=Ly = Ox = Oiys = s (5)其中，O为测量矩阵，V为投影到的小波基。(4)重建图像，如下所示
S = arg min I^H1(6)即用I范数求最小值的思想来重建图像S。本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求11.基于压缩感知理论的航天相机成像装置，其特征在于包括第一透镜、第二透镜、DMD阵列、单像素探测器、A/D和图像重建模块，其中 第一透镜将场景入射光汇聚到DMD阵列上； 第二透镜^fDMD阵列上的反射光线汇聚到单像素探测器上； DMD阵列包括寻址集成芯片和测量矩阵的微镜片，将从第一透镜汇聚的光通过测量矩阵的微镜片把光线反射到第二透镜上； 单像素探测器接收DMD阵列反射的光线，将光信号转换为电信号，输出给A/D ； A/D :接收单像素探测器输出的电信号，进行模/数转换，将数字信号输出给图像重建模块； 图像重建模块接收A/D输出的数字信号，对接收的数字信号进行图像重建，具体方法为选择DMD的测量矩阵，对接收的数字信号进行稀疏表示，并求出稀疏表示中的过渡矩阵，对I范数求约束最小，从而得到重建的图像。
专利摘要本实用新型涉及基于压缩感知理论的航天相机成像装置，该成像装置包括第一透镜、第二透镜、DMD阵列、单像素探测器、A/D和图像重建模块，其中第一透镜将场景入射光汇聚到DMD阵列上；第二透镜将DMD阵列上的反射光线汇聚到单像素探测器上；DMD阵列将从第一透镜汇聚的光通过测量矩阵的微镜片把光线反射到第二透镜上；单像素探测器接收DMD阵列反射的光线，将光信号转换为电信号；图像重建模块对从A/D接收的数字信号进行图像重建，具体为选择DMD的测量矩阵，对数字信号进行稀疏表示，并求出稀疏表示中的过渡矩阵，对1范数求约束最小，从而得到重建的图像，适用于环境恶劣的深空探测，使相机更轻小，体积和功耗代价小。
文档编号G01C11/02GK202485671SQ20102062683
公开日2012年10月10日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者刘兆军, 周峰, 张智 申请人:北京空间机电研究所