利用单像素探测器的三维同步压缩感知成像理论和实验研究

Optical active three-dimensional (3D) imaging is a crucial technique to locate targets both in spatial space and depth space, and has a wide applications from defense to commercial domains. With the optical energy constraint, the measurement performances such as resolution and accuracy, are limited by sensor and optical energy efficiency because of quantum noise. In this proposal, we will investigate the contributions to optical energy efficiency and measurement performance by integrated application of single pixel sensor and simultaneous compressive sensing in both lateral dimensions and axial dimensions, which is helpful to find a new approach of 3D imaging with high performance. Research and experiment of this proposal includes: investigation of improvement in measurement compressive ratio, optical energy efficiency and resolution from single pixel 3D Compressive Imaging （3DCI）method,theoretical research and experimental implementation of high resolution of single pixel 3DCI by the multiplexed phase encoded method, the investigation of optical energy efficiency improvement from feature specific measurement matrix, the modification of reconstruction algorithm for 3DCI using optical measurement advantages, and so on. The work of the proposal will provide theoretical and experimental support to realize single pixel three-dimensional compressive imaging, and will provide basic research of 3D imaging system with photon-counting accuracy and high optical energy efficiency.

光学主动三维成像技术是对目标进行三维定位的关键技术，广泛使用于民用、军事等领域。因为量子噪声的存在，在主动光能量一定时，三维成像的分辨率、准确性等受到光强探测器和光能利用率的限制。本课题旨在研究三个维度的同步压缩感知测量和高性能单像素探测器的结合利用对三维成像系统的光能利用率、测量性能的提高程度及其影响因素，为发展高性能的三维成像系统提供一种新途径。项目主要研究和实验包括：研究在非理想条件下单像素压缩感知三维成像方法对测量压缩率、光能效率和测量分辨率的提高程度及相应影响因素；研究利用空间光调制等技术实现高分辨率的单像素三维压缩感知成像实验；研究利用目标特征具体化测量矩阵进一步提高系统的光能效率；研究利用光学测量的有利因素改进三维压缩感知恢复算法等。本项目研究将为实现单像素三维压缩感知成像方法提供理论和实验基础，为实现光子计数探测水平的高性能三维成像方法提供基础性研究。

光学主动三维成像技术广泛应用于民用和军事领域，其性能的提升受限于光电器件。项目研究的压缩感知三维成像是计算成像的一个重要发展方向，需要研究将成像问题转变为约束条件下的数学优化问题，从而将器件限制问题转化为运算力和优化算法问题，存在着长期研究的必要性和实际的社会应用价值。本项目基于单像素探测器和压缩感知理论探索了一种现实可行的新型三维成像方法和理论。. 主要研究内容包括：（1）基于三维度同步压缩感知和单像素探测器的新型三维成像方法模型极其重建算法研究；（2）研究利用有利因素消除不利因素搭建实验系统，通过实验论证该成像方法理论及其重建算法的正确性和可行性；（3）研究了测量矩阵对重建质量的影响问题，探索研究三维压缩成像实验系统的拓展应用和高分辨率提升途经，形成基于单像素探测器的三维同步压缩感知成像理论体系。. 取得的重要结果有：（1）成功建立了利用单像素传感器的三维度同步压缩感知系统模型，推导出抗混叠约束条件，建立了该方法的完整科学模型；（2）成功研发了含抗混叠约束条件的Bregman distance迭代压缩感知目标恢复算法；（3）成功搭建了基于单像素探测器的三维同步压缩感知成像系统；通过实验数据验证了基于单像素探测器的三维度同步压缩感知成像方法和理论的正确性；发现并验证了该方法对于彩色目标的探测能力。. 项目研究证明了进行多维度同步压缩感知探测的可行性，可以为其他多维测量中利用压缩感知测量方法提供参考；抗混叠约束条件在模型中的引入和重建算法中的利用带来的效果，证明了先验约束条件可以提高计算成像的性能，可以供三维光学面型测量系统中参考。基于单像素光强探测器的线性效果使得可以将该系统拓展到含光谱目标测量场景，增加了该压缩感知系统方法的科学研究和市场应用推广价值。.