一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法及系统

1.本发明属于计算成像技术领域，涉及一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法及系统。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，目标探测、识别与跟踪等领域对光学系统的要求越来越高，目前光学系统逐渐朝着大视场、长焦距的方向不断发展。长焦距是为了更高的分辨率，焦距越长，分辨率越高，目标在图像中占据的像素数越多，越利于目标的探测和识别；视场越大可获取的目标空间信息越多，监控范围越大，有利于对高机动目标的监测、观察和跟踪，防止丢失目标。但视场和焦距一直是一对矛盾的量，视场和焦距的提高都会迅速的增大光学系统的像面，而受限于半导体加工工艺，大靶面的ccd和cmos非常难以获得，因此常用解决此问题的方法有探测器拼接、复眼、扫描等方法。但探测器拼接会造成中间拼接部分漏视场等情况，而且对于红外探测器，造价十分昂贵。复眼会极大的增加系统的体积、重量和数据量。扫描则需要复杂的光学扫描机构和电机，这会降低设备的可靠性和时间分辨率。
3.2021年，北京理工大学的柯钧等人在《high-resolution fast mid-wave infrared compressive imaging》中提出用压缩感知的方法提高获取的低分辨率图像的分辨率，但该方法光学系统本身的视场和焦距依旧符合传统成像理论，且需要多张图像才能计算恢复出单张图像，降低了时间分辨率。


技术实现要素：

4.为了解决传统光学设计方法中视场和焦距的矛盾问题，本发明公开一种能同时提高视场和焦距的基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法及系统。要解决的技术问题是：通过基于晶体线偏器的透射式双通道共用像面压缩成像，实现单次曝光同时捕获双通道视场对应的物方场景的图像，降低图像处理数据量，解决光学成像视场和焦距的矛盾，实现大视场和长焦距并存成像，还可获取目标的偏振信息，且具有成像分辨率高、带宽窄、简易装调、加工可行性高、结构紧凑、稳定性高、经济性好的优点。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
6.本发明公开的一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法，通过双通道共用像面压缩成像，实现单次曝光同时捕获双通道图像，在相同探测器情况下，将时间分辨率提高一倍，且在相同成像时间分辨率精度要求下，数据量降低一倍。将双通道共用像面获取的混合图像采用频域压缩方式分离，在无需增加扫描装置情况下扩大成像视场，进而提高成像系统的结构紧凑性、稳定和经济性。综上所述，本发明通过基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像，解决光学成像视场和焦距的矛盾，实现大视场和长焦距并存成像，还可获取目标的偏振信息，且具有成像系统分辨率高、带宽窄、简易装调、加工可行性高、结构紧凑、稳定性高、经济性好优点。
7.本发明公开一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法，将基于晶体线偏
器的透射式双通道压缩成像拓展为基于晶体线偏器的透射式多通道压缩成像，进一步扩大成像视场，提高成像系统的结构紧凑性、经济性、分辨率，压缩成像系统带宽。
8.所述一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法，实现方法如下：
9.步骤一：对基于晶体起偏器的透射式双通道压缩成像光路获取的成像光束，按照下述四个约束条件进行频域编码，编码调制通过在次镜上添加特殊相位实现，得到频域编码后的成像光束。
10.条件一：相位编码不能使得基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像光学系统的mtf在特征频率前出现零点，否则会造成信息的丢失；
11.条件二：基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像光学系统的psf应使得各自的otf在图像频率域上的采样位置不同，进而保证图像的信息不会在频率域产生混叠，便于利用复原算法恢复；
12.条件三：基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像光学系统各通道不同视场相位编码后的psf应尽量相同，便于大幅简化图像复原算法；
13.条件四：基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像光学系统相位编码后的psf应使得otf采样的区域尽量大，进而增多频域采样的信息，从而有利于图像复原。
14.步骤二：对步骤一得到的频域编码后的成像光束，通过双通道共用像面曝光，获取的双通道共用像面混合图像。
15.所述双通道共用像面指双通道共用一个面阵光电探测器捕获混合图像。
16.所述面阵光电探测器捕获的混合图像的强度信息i(x,y)简化为：
[0017][0018]
其中，表示卷积，f1(x,y)、f2(x,y)表示基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像光学系统的两个通道捕获的物空间信息，psf1(x,y)、psf2(x,y)表示基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像光学系统的两个通道的点扩散函数。
[0019]
步骤三：对步骤二获取的基于晶体线偏器的透射式双通道共用像面混合图像，通过傅里叶变换到频域，得到所述共用像面混合图像的频谱图，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。
[0020]
对步骤二获取的双通道共用像面混合图像，进行傅里叶变换，得到如公式(2)所述的共用像面混合图像的频谱图。
[0021][0022]
所以将基于晶体线偏器的透射式双通道频域压缩成像的逆问题转换为频域上的压缩感知复原问题：
[0023][0024]
将公式(3)所示的频域压缩感知复原问题，作为图像复原的目标函数，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。
[0025]
通过所述采用频域压缩方式分离成像，能够得到两幅分离图像，作为优选，将所述两幅分离图像，根据双通道视场关系进行拼接，在扩大视场的基础上改善成像的视觉效果。
[0026]
本发明还公开一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像系统，用于实现所述一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法。所述一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像系统包括第一相位板、第二相位板、第一无焦缩束镜组、第二无焦缩束镜组、第一偏振片,、第二偏振片、晶体线偏器、成像物镜、面阵光电探测器和图像复原系统。在光线传播方向上，各组成部分按顺序排列。
[0027]
所述第一相位板位于第一无焦缩束镜组的光瞳处，其与第一无焦缩束镜组和第一偏振片共同组成第一通道，对通过第一前组缩束镜组的成像光束进行调制和编码。相位板为具有预设面型的玻璃板，其对成像光束进行编码以调制双通道压缩成像系统中光学第一通道的psf和otf。相位板面型应与所需相位调制的调制量和相位相匹配，其调制光学第一通道的采样特性以使其满足步骤一的四个条件。
[0028]
所述第二相位板位于第二无焦缩束镜组的光瞳处，其与第二无焦缩束镜组和第二偏振片共同组成第二通道，对通过第二前组缩束镜组的成像光束进行调制和编码。相位板为一个具有预设面型的玻璃板，其对成像光束进行编码以调制双通道压缩成像系统中光学第二通道的psf和otf。相位板面型应与所需相位调制的调制量和相位相匹配，其调制光学第二通道的采样特性以使其满足步骤一的四个条件。
[0029]
第一相位板和第二相位板通过面型参数对成像光束进行相位调制，其调制应满足压缩感知的相关规则，以使得后续的图像复原系统可以对获取的图像进行复原，具体规则满足步骤一中的四个条件。
[0030]
所述第一无焦缩束镜组位于第一相位板的后端，第一偏振片的前端，对通过第一相位板的成像光束进行缩束，扩大系统的成像口径，提高分辨率，可以采用伽利略式结构，也可采用开普勒式结构，也可省去。
[0031]
所述第二无焦缩束镜组位于第二相位板的后端，第二偏振片的前端，对通过第二相位板的成像光束进行缩束，扩大系统的成像口径，通过系统的能量增多，提高分辨率，可以采用伽利略式结构，也可采用开普勒式结构，也可省去。
[0032]
所述第一偏振片位于晶体线偏器的前方，第一无焦缩束镜组的后方，其允许通过的偏振方向应与后方晶体线偏器的e光(当后方晶体线偏器为乌拉斯顿棱镜和罗雄棱镜时，此处应为o光)偏振方向相同，滤除o光(当后方晶体线偏器为乌拉斯顿棱镜和罗雄棱镜时，此处应为o光)，减少光学系统中的杂光串扰，提高成像质量。并与后续晶体线偏器组合实现双通道成像光束的合束。
[0033]
所述第二偏振片位于晶体线偏器的前方，第二无焦缩束镜组的后方，其允许通过的偏振方向应与后方晶体线偏器的o光(当后方晶体线偏器为乌拉斯顿棱镜和罗雄棱镜时，此处应为e光)偏振方向相同，滤除e光(当后方晶体线偏器为乌拉斯顿棱镜和罗雄棱镜时，此处应为o光)，减少光学系统中的杂光串扰，提高成像质量。并与后续晶体线偏器组合实现双通道成像光束的合束。
[0034]
所述晶体线偏器位于第一偏振片和第二偏振片的后端，对通过第一偏振片和第二偏振片的光束进行合束，以使得后续的成像物镜能对两个通道的成像光束同时成像。传统晶体线偏器的用途为将一束光分成偏振方向正交的两束光，根据光路可逆原理，通过晶体线偏器将偏振方向正交的两束光合成一束光。
[0035]
所述成像物镜位于晶体线偏器的后方，将通过晶体线偏器的成像光束会聚成像到
像面上。
[0036]
所述面阵光电探测器位于成像物镜后方，为ccd或cmo，其光敏面与成像物镜的像面重合，将光信号转换成电信号，传输至图像复原模块。
[0037]
所述图像复原模块，用于从面阵光电探测器捕获图像中将两个光学通道的信息分别解算出来。所述图像复原模块具有计算存储终端和图像复原算法，所述图像复原算法采用传统压缩感知恢复算法对ccd或cmos捕获的混合图像进行复原，先根据编码原理和步骤三所述的公式推导将问题转换到频域，在频域中使用压缩感知复原算法对图像进行复原。
[0038]
有益效果：
[0039]
1、本发明公开的一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法及系统，采用两个通道像面共用，能够在探测器面阵有限的情况下，同时提高光学系统的焦距和视场，实现目标场景的广域高分辨监控，高分辨率可捕捉更多的目标细节，可大幅提高目标识别概率，广域可大幅提高监控范围，有利于目标跟踪，尤其是针对高机动性能的目标，因此具有显著提高监控跟踪系统的目标识别概率的效果。
[0040]
2、本发明公开的一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法及系统，通过频域压缩感知复原算法从单张共用像面混合图像中分离出两个通道各自的图像，可突破传统光学设计中焦距和视场的矛盾，实现视场和焦距的同时提升，同时不降低系统的时间分辨率，具有显著提高监控跟踪系统的目标跟踪效率的效果。
[0041]
3、本发明公开的一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法及系统，通过双通道共用一个像面，且同时工作，依靠后续图像解算从混合图像中分离两个通道各自的图像，实现了数据量降低一半的效果。该方法可有效解决现有高清镜头带宽要求高，监控视频存储时间短的缺点，为大视场高清监控的视频传输方案提供一个新的解决思路。
[0042]
4、本发明公开的一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法及系统，采用在光瞳处进行频域编码，而不是在中间像面上进行强度编码，所以不需要二次成像即可实现编码，显著降低光学系统的体积、重量和成本、降低装调难度。
[0043]
5、本发明公开的一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法及系统，采用起偏器和晶体线偏器对两个通道成像光束进行合束，可以获取一定的物方偏振信息，通过多个系统同时工作，可以获得物方充分的偏振信息，进行偏振成像，具有弱光探测、明显提高目标识别概率、反伪装、获取目标材质信息等诸多好处。
附图说明
[0044]
图1为本发明公开的一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法流程图；
[0045]
图2为本发明实施方法的图像复原算法流程图；
[0046]
图3为本发明实施方式的基于尼科耳棱镜的双通道压缩成像系统结构示意图；
[0047]
图4为基于格兰棱镜的双通道压缩成像系统结构示意图。
[0048]
图5为基于乌拉斯顿棱镜的双通道压缩成像系统结构示意图。
[0049]
图6为基于罗雄棱镜的双通道压缩成像系统结构示意图。
[0050]
图7为本发明实施方式中算法仿真用的图像，分别表征两个通道收集到的物方信息；通过编码板获得
[0051]
图8为本发明实施方式中两个通道各自通过编码板获得的psf；
[0052]
图9为本发明实施方式中两个通道同时工作获得的混合图像，其中两个通道收集的信息被混合在一起；
[0053]
图10为本发明实施方式中图像复原模块从获得的图9中复原出来的两个通道捕获的物方信息。
[0054]
其中：1-第一相位板、2-第二相位板、3-第一无焦缩束镜组、4-第二无焦缩束镜组、5-第一偏振片、6-第二偏振片、7-晶体线偏器、8-成像物镜、9-面阵光电探测器、10-图像复原模块。
具体实施方式
[0055]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0056]
实施例1：
[0057]
如图1所示，本实施例公开的一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法，具体实现步骤如下：
[0058]
步骤一：对基于晶体起偏器的透射式双通道成像光路获取的成像光束，按照下述四个约束条件进行频域编码，编码调制通过在次镜上添加特殊相位实现，得到频域编码后的成像光束。两个通道的成像光束携带的物方信息如图7所示。
[0059]
条件一：相位编码不能使得基于晶体线偏器的透射式双通道成像光学系统的mtf在特征频率前出现零点，否则会造成信息的丢失；
[0060]
条件二：基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像光学系统的psf应使得各自的otf在图像频率域上的采样位置不同，进而保证图像的信息不会在频率域产生混叠，便于利用复原算法恢复；
[0061]
条件三：基于晶体线偏器的透射式双通道成像光学系统各通道不同视场相位编码后的psf应尽量相同，便于大幅简化图像复原算法；
[0062]
条件四：基于晶体线偏器的透射式双通道成像光学系统相位编码后的psf应使得otf采样的区域尽量大，进而增多频域采样的信息，从而有利于图像复原。
[0063]
本实施例中编码后的宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道的psf如图8所示。
[0064]
步骤二：对步骤一得到的频域编码后的成像光束，通过双通道共用像面曝光，获取的双通道共用像面混合图像。
[0065]
所述双通道共用像面指双通道共用一个面阵光电探测器捕获混合图像，如图9所示。
[0066]
所述面阵光电探测器捕获的混合图像的强度信息i(x,y)简化为：
[0067][0068]
其中，表示卷积，f1(x,y)、f2(x,y)表示基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像光学系统的两个通道捕获的物空间信息，psf1(x,y)、psf2(x,y)表示基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像光学系统的两个通道的点扩散函数。
[0069]
步骤三：对步骤二获取的基于晶体线偏器的透射式双通道共用像面混合图像，通过傅里叶变换到频域，得到所述共用像面混合图像的频谱图，将所述频谱图通过压缩感知
复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。算法复原流程图如图2所示，本实施例中采用的复原算法为twist算法。
[0070]
对步骤二获取的双通道共用像面混合图像，进行傅里叶变换，得到如公式(5)所述的共用像面混合图像的频谱图。
[0071][0072]
所以将基于晶体线偏器的透射式双通道频域压缩成像的逆问题转换为频域上的压缩感知复原问题：
[0073][0074]
将公式(6)所示的频域压缩感知复原问题，作为图像复原的目标函数，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。本实施例中采用twist算法对该问题进行复原，也可采用其他凸优化算法。图像复原结果如图10所示。
[0075]
通过所述采用频域压缩方式分离成像，能够得到两幅分离图像，作为优选，将所述两幅分离图像，根据双通道视场关系进行拼接，在扩大视场的基础上改善成像的视觉效果。本实施例中系统视场不连续，所以没有进行图像拼接。
[0076]
本发明还公开一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像系统，用于实现所述一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像方法。所述一种基于晶体线偏器的透射式双通道压缩成像系统包括第一相位板、第二相位板、第一无焦缩束镜组、第二无焦缩束镜组、第一偏振片,、第二偏振片、晶体线偏器、成像物镜、面阵光电探测器和图像复原系统。在光线传播方向上，各组成部分按顺序排列。其系统结构图依据选用不同的晶体线偏器如图3、图4、图5、图6所示。
[0077]
所述第一相位板位于第一无焦缩束镜组的光瞳处，其与第一无焦缩束镜组和第一偏振片共同组成第一通道，对通过第一前组缩束镜组的成像光束进行调制和编码。相位板为具有预设面型的玻璃板，其对成像光束进行编码以调制双通道压缩成像系统中光学第一通道的psf和otf。相位板面型应与所需相位调制的调制量和相位相匹配，其调制光学第一通道的采样特性以使其满足步骤一的四个条件。
[0078]
所述第二相位板位于第二无焦缩束镜组的光瞳处，其与第二无焦缩束镜组和第二偏振片共同组成第二通道，对通过第二前组缩束镜组的成像光束进行调制和编码。相位板为一个具有预设面型的玻璃板，其对成像光束进行编码以调制双通道压缩成像系统中光学第二通道的psf和otf。相位板面型应与所需相位调制的调制量和相位相匹配，其调制光学第二通道的采样特性以使其满足步骤一的四个条件。
[0079]
第一相位板和第二相位板通过面型参数对成像光束进行相位调制，其调制应满足压缩感知的相关规则，以使得后续的图像复原系统可以对获取的图像进行复原，具体规则满足步骤一中的四个条件。
[0080]
所述第一无焦缩束镜组位于第一相位板的后端，第一偏振片的前端，对通过第一相位板的成像光束进行缩束，扩大系统的成像口径，提高分辨率，可以采用伽利略式结构，也可采用开普勒式结构，也可省去。
[0081]
所述第二无焦缩束镜组位于第二相位板的后端，第二偏振片的前端，对通过第二
相位板的成像光束进行缩束，扩大系统的成像口径，通过系统的能量增多，提高分辨率，可以采用伽利略式结构，也可采用开普勒式结构，也可省去。
[0082]
所述第一偏振片位于晶体线偏器的前方，第一无焦缩束镜组的后方，其允许通过的偏振方向应与后方晶体线偏器的e光(当后方晶体线偏器为乌拉斯顿棱镜和罗雄棱镜时，此处应为o光)偏振方向相同，滤除o光(当后方晶体线偏器为乌拉斯顿棱镜和罗雄棱镜时，此处应为o光)，减少光学系统中的杂光串扰，提高成像质量。并与后续晶体线偏器组合实现双通道成像光束的合束。
[0083]
所述第二偏振片位于晶体线偏器的前方，第二无焦缩束镜组的后方，其允许通过的偏振方向应与后方晶体线偏器的o光(当后方晶体线偏器为乌拉斯顿棱镜和罗雄棱镜时，此处应为e光)偏振方向相同，滤除e光(当后方晶体线偏器为乌拉斯顿棱镜和罗雄棱镜时，此处应为o光)，减少光学系统中的杂光串扰，提高成像质量。并与后续晶体线偏器组合实现双通道成像光束的合束。
[0084]
所述晶体线偏器位于第一偏振片和第二偏振片的后端，对通过第一偏振片和第二偏振片的光束进行合束，以使得后续的成像物镜能对两个通道的成像光束同时成像。传统晶体线偏器的用途为将一束光分成偏振方向正交的两束光，根据光路可逆原理，通过晶体线偏器将偏振方向正交的两束光合成一束光。
[0085]
所述成像物镜位于晶体线偏器的后方，将通过晶体线偏器的成像光束会聚成像到像面上。
[0086]
所述面阵光电探测器位于成像物镜后方，为ccd或cmo，其光敏面与成像物镜的像面重合，将光信号转换成电信号，传输至图像复原模块。
[0087]
所述图像复原模块，用于从面阵光电探测器捕获图像中将两个光学通道的信息分别解算出来。所述图像复原模块具有计算存储终端和图像复原算法，所述图像复原算法采用传统压缩感知恢复算法对ccd或cmos捕获的混合图像进行复原，先根据编码原理和步骤三所述的公式推导将问题转换到频域，在频域中使用压缩感知复原算法对图像进行复原。
[0088]
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。