一种互补测量的单光子计数成像系统及方法

摘要

本发明提供一种互补测量的单光子计数成像系统及方法，该系统由光学成像部件、空间光调制器、两组会聚收光部件、可见光单光子点探测器、近红外光单光子点探测器和多通道计数器组成。该方法包括以下步骤：将携带物体信息的光成像在空间光调制器上，将图像中可见光和近红外光成分分别看成一维列向量，空间光调制器通过测量矩阵对其调制，反射至两臂方向，经会聚后，分别由可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器进行双臂探测，光子计数作为测量值，根据两臂矩阵互补特性，用关联的压缩传感算法同时重建出可见光和近红外光的灰度图像。这种互补探测、以点采样获取平面信息的方法能极大提高光通量、信噪比，减少测量规模，达到理想的成像效果。

主权项

一种互补测量的单光子计数成像方法，所述方法包含：步骤1，用于压缩采样的步骤：由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的第一会聚收光部件和可见光单光子探测器与第二会聚收光部件和近红外光单光子点探测器，所述空间光调制器上的随机阵列每变换一次，同时测量并记录下两个会聚点上的总光子数，测量M次，其中M远小于信号维度N，完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样；其中，所述空间光调制器是指在随时间变化的信号的控制下，对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，采用二值表征反射方向的状态；步骤2，用于稀疏重建的步骤：将可见光单光子探测器和近红外光单光子点探测器在空间光调制器随机阵列两次变换间隔内探测到的总光子数作为两组测量值y_i和y′_i，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a′_i，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I‑a，其中I是单位阵，将a_i和a′_i分别拉伸至一行，分别作为可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，y和y′都共计M个值，利用关联的压缩传感重建算法便可重建出观测对象在可见光波段和近红外光波段的灰度图像；压缩传感数学模型如下：来自观测物体的光投影到空间光调制器上，在任意一臂光路上将反射光收集到一个点，若将待测可见光信号和近红外光信号拉伸至一列：则该过程可看作两组测量矩阵和相应待测信号作内积的过程，分别得到两组观测向量其中是系统噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则其中Ψ＝[ψ₁,ψ₂,...,ψ_N]是稀疏变换矩阵即稀疏框架，即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：$[y,y^{\prime }]=[\mathrm{A\Psi }\bar{x}+e,A^{\prime }\Psi {\bar{x}}^{\prime }+e^{\prime }]$其中，将A设置为二值随机测量矩阵；所述的稀疏重建是在已知观测向量y,y′和测量矩阵A,A′的条件下求解具体用压缩传感的思想进行求解，求解方法描述为下式：$\underset{\bar{x}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y-\mathrm{A\Psi }\bar{x}\left|\right|}_2^2+\tau {\left|\right|\bar{x}\left|\right|}_1,\underset{{\bar{x}}^{\prime }}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y^{\prime }-A^{\prime }\Psi {\bar{x}}^{\prime }\left|\right|}_2^2+\tau {\left|\right|{\bar{x}}^{\prime }\left|\right|}_1$其中||…||_p代表范数算符，仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测可见光信号和近红外光信号x和x′。