《一種單像素毫米波成像裝置和方法》是中國電子科技集團公司第三十八研究所於2014年3月13日申請的發明專利，該專利申請號為2014100928424，公布號為CN103809176A，專利公布日為2014年05月21日，發明人是武帥、塗昊、馮輝。
《一種單像素毫米波成像裝置和方法》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後依次通過一塊編碼矩陣模板和一塊列狹縫模板，經會聚反射鏡匯聚後進入接收天線；兩塊模板經由控制模組與計算機相連，通過各部分之間的時間同步實現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並行圖像重構。該發明解決了2014年3月之前的毫米波成像技術採集較大圖像的難題：採用機械掃描方式成像時間緩慢，採用天線陣列則無法利用單探測器的較高性能，採用壓縮感知成像則缺少實用的空間光調製器。該發明通過逐列編碼成像和並行計算，大大縮短了毫米波圖像的獲取時間並提高了信噪比，該發明可套用於包括主動和被動等多種方式的毫米波成像場合。
2020年7月17日，《一種單像素毫米波成像裝置和方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種單像素毫米波成像裝置和方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種單像素毫米波成像裝置和方法
- 公布號：CN103809176A
- 公布日：2014年5月21日
- 申請號：2014100928424
- 申請日：2014年3月13日
- 申請人：中國電子科技集團公司第三十八研究所
- 地址：安徽省合肥市淠河路88號
- 發明人：武帥、塗昊、馮輝
- 代理機構：安徽匯朴律師事務所
- 代理人：丁瑞瑞
- Int.Cl.：G01S13/89(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
毫米波成像技術在許多領域有著廣闊的套用前景，例如安檢安防、化學品鑑別、氣象探測、地球遙感技術、飛行盲降系統、射電天文學等。毫米波成像系統可以採用單像素（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域；也可採用多探測器或天線陣列模式，可直接對較大區域實現成像。
截至2014年3月，市場上的毫米波成像系統存在的不足主要有：
（1）單像素系統多採用機械掃描成像方式，圖像信噪比低，成像速度較慢，尤其是對於被動式成像，在有些套用場合，對於具有數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。
（2）陣列式系統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的圖像解析度往往不及單探測器，同時陣列系統的成本也遠遠高於單像素系統。
2014年3月之前，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，採用小於Nyquist採樣極限的採樣數據量，通過一定的重構算法，求解欠定線性方程組，恢復出原始信號。壓縮感知技術可以有效地降低圖像的採樣率，縮短採樣時間，而且由於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。一些套用壓縮感知的單像素成像技術方案已經被提出，如已有專利：一種光場採樣及重構方法與裝置，公開（公告）號：CN102306291A。 2014年3月之前的壓縮感知成像方案多採用對圖像進行空間編碼的方式來實現，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，而實現快速且可自動變換的空間編碼往往需要回響速度較快的空間光調製器。在可見光到近紅外等波段，空間光調製技術已經比較成熟，如數字微鏡陣列、液晶空間光閥等，這使得壓縮感知技術在這些波段比較易於實現，提出的壓縮感知成像系統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域，還缺少速度快、調製深度高、技術成熟的空間光調製器。若不採用空間光調製器，另一種空間編碼的實現方式是製作表面具有編碼結構的機械模板。這種機械模板可以通過二維平移台來進行更換，但這種方法變換模板速度很慢，不能充分體現壓縮感知提升成像速度的優勢，對於大圖像來說，所需模板尺寸也十分巨大，因而機械模板無法套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毫米波技術很好地結合。
發明內容
專利目的
為有效提高毫米波成像的速度和信噪比，提升系統的大圖像處理能力，《一種單像素毫米波成像裝置和方法》提出一種單像素毫米波成像裝置技術，實現了壓縮感知原理與毫米波成像技術的融合。
技術方案
《一種單像素毫米波成像裝置和方法》的思想在於：將大圖像上的每一列作為一幅獨立的圖像處理，採用壓縮感知算法對每一列進行一維信號重構，使得整個系統僅需使用一列成像所需的編碼矩陣模板數目，大大減小了所需模板的尺寸，同時使用並行計算技術，在對新一列進行採樣時即可對前一列進行圖像重構計算，並可同時計算多列信號。
該發明的一種單像素毫米波成像裝置技術是通過如下技術方案來實現的：
一種單像素毫米波成像裝置技術，包括平面鏡（1）、編碼矩陣模板（2）、列狹縫模板（3）、會聚反射鏡（4）、接收天線（5）、數據採集卡（6）、中心控制CPU（7）、並行計算CPU（8）、顯示屏（9）和控制模組（10）；帶有被成像物體信息的毫米波輻射經過前端光學系統進入成像裝置後，經過平面鏡（1）反射後依次穿過編碼矩陣模板（2）、列狹縫模板（3），經會聚反射鏡（4）匯聚後進入接收天線（5）；接收天線（5）的輸出端數據通過數據採集卡（6）連線中心控制CPU（7）；中心控制CPU（7）連線各並行計算CPU（8）。
最佳化的，編碼矩陣模板（2）和列狹縫模板（3）緊密靠近放置於前端毫米波光學系統的像平面上；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）的物像關係。
最佳化的，編碼矩陣模板（2）和列狹縫模板（3）通過控制模組（9）連線中心控制CPU（6）的控制信號輸出連線埠。
所述的控制模組（10）包括控制信號處理模組（11）、編碼矩陣模板驅動電機（12）、編碼矩陣模板傳動機構（13）、編碼矩陣模板主動軸（14）、編碼矩陣模板從動軸（15）、狹縫模板驅動電機（16）、狹縫模板傳動機構（17）、狹縫模板主動軸（18）和狹縫模板從動軸（19）；控制信號處理模組（11）的輸入端連線中心控制CPU（7）輸出端，輸出端連線編碼矩陣模板驅動電機（12）和狹縫模板驅動電機（16），編碼矩陣模板驅動電機（12）通過編碼矩陣模板傳動機構（13）驅動編碼矩陣模板主動軸（14）和其上的編碼矩陣模板（2），狹縫模板驅動電機（16）通過狹縫模板傳動機構（17）驅動狹縫模板主動軸（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。
平面鏡1放置於編碼矩陣模板（2）和列狹縫模板（3）所圍成的矩形中央。
編碼矩陣模板（2）的每一列均由第一列通過循環平移產生，每一方格大小對應一個像素大小；列狹縫模板（3）的狹縫寬度對應一個像素大小。
中心控制CPU（7）根據所採集到數據的時間區段，識別每一段數據對應的編碼矩陣模板（2）花紋和對應的列編號，將數據分配到各並行計算CPU（8）進行並行圖像重構。 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：
步驟1：初始化系統，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發出信號，控制編碼矩陣模板轉動；所述編碼矩陣模板對應於一個編碼矩陣矩陣，其產生方法為：使用某種數學算法產生長度為N、元素僅為0、1且0、1等機率出現的偽隨機數序列，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，而後每一列均由前一列向上循環平移一個單位獲得，得到N×N的矩陣，根據壓縮比M（M通常為N的1/3到1/2），從N列中均勻地選出M列按順序構成編碼矩陣矩陣ΦN×M；編碼矩陣模板上將0元素的相應位置設定為不透光，1元素的相應位置設為透光；為方便纏繞於傳動軸上，編碼矩陣模板對應於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成，其總長度與編碼矩陣模板大致相等；
步驟3：對於圖像上的每一列，重複下述步驟3～6；
步驟4：當中心控制CPU判定對應於圖像此列的信號採集完畢後，中心控制CPU將此列的信號送至下一個空閒的並行計算CPU進行處理，並記錄下此段信號所對應圖像的列編號，而後中心控制CPU發出信號控制列狹縫模板轉過一個狹縫寬度，對準圖像上的下一列；步驟5：並行計算CPU根據中心控制CPU的指令，對所得到的信號進行壓縮感知的圖像重構，其重構方法是：根據時間取出分別對應於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，通過求解最最佳化問題min‖x‖1，y=ΦTx，得到一個長度為N的列向量x，其中‖‖1表示向量的l-1範數，上標T表示矩陣的轉置；並行計算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將從並行計算CPU返回的列向量x填充到圖像所對應的列上，並在顯示屏上刷新所對應列的圖像。
改善效果
《一種單像素毫米波成像裝置和方法》將壓縮感知原理與毫米波成像技術結合，可以解決2014年3月之前的毫米波成像技術在大圖像處理能力上的問題。具體來說：一是實現了壓縮感知原理與毫米波成像的結合，降低了接收天線所需採集的數據量並提高了信噪比，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，同時單探測器系統的成本相比於陣列天線系統也大幅度降低；二是針對毫米波波段的特性設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範圍；三是將壓縮感知與並行計算結合，通過逐列編碼的模式，改變了系統必須等待所有數據採集完畢後才可進行圖像重構的工作方式，使得圖像重構和信號採集可以同步進行，提升了成像的效率和對計算機資源利用的效率。
附圖說明
圖1是《一種單像素毫米波成像裝置和方法》單像素毫米波成像裝置原理圖。
圖2是控制模組的工作原理圖。
技術領域
《一種單像素毫米波成像裝置和方法》涉及一種單像素毫米波成像裝置技術，屬於毫米波成像技術領域。
權利要求
1.一種單像素毫米波成像裝置，其特徵在於：包括平面鏡（1）、編碼矩陣模板（2）、列狹縫模板（3）、會聚反射鏡（4）、接收天線（5）、數據採集卡（6）、中心控制CPU（7）、並行計算CPU（8）、顯示屏（9）和控制模組（10）；帶有被成像物體信息的毫米波輻射經過前端光學系統進入成像裝置後，經過平面鏡（1）反射後依次穿過編碼矩陣模板（2）、列狹縫模板（3），經會聚反射鏡（4）會聚後進入接收天線（5）；接收天線（5）的輸出端數據通過數據採集卡（6）連線中心控制CPU（7）；中心控制CPU（7）連線各並行計算CPU（8）。
2.根據權利要求1所述的單像素毫米波成像裝置，其特徵在於：編碼矩陣模板（2）和列狹縫模板（3）緊密靠近放置於前端毫米波光學系統的像平面上；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）的物像關係。
3.根據權利要求2所述的單像素毫米波成像裝置，其特徵在於：編碼矩陣模板（2）和列狹縫模板（3）通過控制模組（10）連線中心控制CPU（7）的控制信號輸出連線埠。
4.根據權利要求3所述的單像素毫米波成像裝置，其特徵在於：所述的控制模組（10）包括控制信號處理模組（11）、編碼矩陣模板驅動電機（12）、編碼矩陣模板傳動機構（13）、編碼矩陣模板主動軸（14）、編碼矩陣模板從動軸（15）、狹縫模板驅動電機（16）、狹縫模板傳動機構（17）、狹縫模板主動軸（18）和狹縫模板從動軸（19）；控制信號處理模組（11）的輸入端連線中心控制CPU（7）輸出端，輸出端連線編碼矩陣模板驅動電機（12）和狹縫模板驅動電機（16），編碼矩陣模板驅動電機（12）通過編碼矩陣模板傳動機構（13）驅動編碼矩陣模板主動軸（14）和其上的編碼矩陣模板（2），狹縫模板驅動電機（16）通過狹縫模板傳動機構（17）驅動狹縫模板主動軸（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.根據權利要求4所述的單像素毫米波成像裝置，其特徵在於，平面鏡（1）放置於編碼矩陣模板（2）和列狹縫模板（3）所圍成的矩形中央。
6.根據權利要求1所述的單像素毫米波成像裝置，其特徵在於：編碼矩陣模板（2）的每一列均由第一列通過循環平移產生，每一方格大小對應一個像素大小；列狹縫模板（3）的狹縫寬度對應一個像素大小。
7.根據權利要求1所述的單像素毫米波成像裝置，其特徵在於：中心控制CPU（7）根據所採集到數據的時間區段，判斷每一段數據對應的編碼矩陣模板（2）花紋和對應的列編號，將數據分配到各並行計算CPU（8）進行並行圖像重構。
實施方式
《一種單像素毫米波成像裝置和方法》實施例由尺寸為310毫米×220毫米的平面鏡1、尺寸為300毫米×220毫米的編碼矩陣模板2、尺寸為300毫米×220毫米狹縫寬度為2毫米的列狹縫模板3、直徑為600毫米×600毫米的會聚反射鏡4、單點接收天線5、數據採集卡6、中心控制CPU7、並行計算CPU8、顯示屏9、控制模組10等組成。帶有待測目標信息的毫米波輻射經由前端光學系統入射到該發明成像裝置中，經平面鏡1反射後穿過編碼矩陣模板2和列狹縫模板3，經由會聚反射鏡4匯聚入單點接收天線5，其中平面鏡1放置於編碼矩陣模板2和列狹縫模板3所圍成的矩形中央，如圖2所示。數據採集卡6採集接收天線5的輸出信號，並將其送入中心控制CPU7，中心控制CPU7將信號分配至各並行計算CPU8進行並行圖像重構。圖像重構的結果顯示在顯示屏9上。中心控制CPU7通過控制模組10控制編碼矩陣模板2和列狹縫模板3的轉動，並實現系統各部分之間的時間同步。
本實施例中的控制模組10的結構描述如下。中心控制CPU7的控制信號輸出通過控制信號處理模組11分別轉換為編碼矩陣模板驅動電機12和狹縫模板驅動電機13的驅動電平，兩驅動電機經由各自傳動機構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。總長度和寬度分別為1520毫米和220毫米的編碼矩陣模板2成條帶狀首尾相接纏繞於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。總長度和寬度分別為1200毫米和220毫米的列狹縫模板3成條帶狀首尾相接纏繞於狹縫模板主動軸18和三個狹縫模板從動軸19上，圍成一矩形，置於編碼矩陣模板2所圍成矩形的內部。平面鏡1置於列狹縫模板3所圍成矩形的內部。
根據本實施例的單像素毫米波成像裝置技術的成像方法是：
中心控制CPU7發出控制信號控制編碼矩陣模板2連續轉動，列狹縫模板3對準圖像上的某一列，數據採集卡6持續採集單點接收天線5的輸出信號，並送入中心控制CPU7。當中心控制CPU7判定此列（設為第i列）所需的壓縮感知信號已採集完畢後，將此列信號送入下一個空閒的並行計算CPU8中進行圖像重構，同時發出控制指令操縱列狹縫模板3轉動一個狹縫寬度，即對準圖像上的下一列。並行計算CPU8根據時間序列將由中心控制CPU7送來的太赫茲信號數據分為若干段，每一段對應於編碼矩陣模板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此列圖像時所需的壓縮感知信號yi。重構的方法是求解最最佳化問題min‖xi‖1，yi=Φxi。並行計算CPU8計算完畢後，將重構出的此列圖像數據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的持續轉動，顯示屏9上的圖像將持續逐列刷新。
榮譽表彰
2020年7月17日，《一種單像素毫米波成像裝置和方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
