(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211058365.0 (22)申请日 2022.08.30 (71)申请人 山西大学 地址 030006 山西省太原市坞城路9 2号 (72)发明人 吴舒啸　胡建勇　白慧丹　杨柳　 樊彦杉　乔志星　张国峰　秦成兵　 陈瑞云　肖连团　贾锁堂　 (74)专利代理 机构 太原申立德知识产权代理事 务所(特殊普通 合伙) 14115 专利代理师 孙乐 (51)Int.Cl. H04N 5/225(2006.01) H04N 5/217(2011.01) G06T 5/00(2006.01) G06K 9/00(2022.01) (54)发明名称 一种单光子 压缩感知成像系统及其方法 (57)摘要 本发明公开了一种单光子压缩感知成像系 统及其方法， 该系统中信号源产生频率一致的锯 齿波信号和方波信号， 其分别控制 扫描装置周期 扫描以及由时间间隔分析仪记录， 被成像场景通 过扫描装置对扫描形成动态光学信号经过窄带 光学滤波器滤除其中的背景噪声， 经光信号耦合 装置输入到单光子探测器上， 动态 光学信号在单 光子探测器上进行压缩采样， 利用时间间隔分析 仪将压缩采样的数据记录在计算机上， 并在计算 机上进行图像恢复。 本发明成像方法利用离散傅 里叶变换对图像具有时间信息的光子信号进行 频域分析， 背景噪声在时域内服从泊松分布在频 域上为白噪声， 而周期性的信号在频域上体现为 离散的频率特征峰， 由此从高背景噪声中提取图 像的高频动态信息 。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115442505 A 2022.12.06 CN 115442505 A 1.一种单光子压缩感知成像系统， 其特征在于： 其包括有信号源(101)、 光学收集端 (102)和数据采集端(10 3)； 所述信号源(101)用于产 生频率一致的两路控制电信号， 其中一路为锯齿波信号(1)输 送至扫描装置(1021)中用于控制扫描装置(1021)周期扫描， 另外一路为方波信号(2)输送 至时间间隔分析仪(10 32)中用于图像恢复时将每行的数据区分 分割； 所述光学收集端( 102)包括有依次设置于动态光学信号(3)传输线路上的扫描装置 (1021)、 窄带光学滤波器(1022)、 光信号耦合装置(1023)， 且扫描装置(1021)与信号源 (101)相连接， 所述扫描装置(1021)通过接受锯齿波信号(1)并控制其进行周期扫描成像区 域以及收集成像场景各个位置形成的动态光学信号(3)， 所述动态 光学信号(3)经过窄带光 学滤波器(1022)滤除其中存在的背 景噪声， 再经光信号耦合装置(1023)将其耦合 成光纤光 信号(4)并进入多模光纤中传输 至数据采集端(10 3)； 所述数据采集端(103)包括有依次设置于单光子信号(5)传输线路上的单光子探测器 (1031)、 时间间隔分析仪(1032)、 计算机(1033)， 且时间间隔分析仪(1032)与信号源(101) 相连接， 所述时间间隔分析仪(1032)用于接收方波信号(2)并记录， 所述方波信号(2)用于 图像恢复时将 每行的数据区分分割便于后续计算机(1033)进 行图像恢复， 所述单光子探测 器(1031)通过接受所述动态 光学信号(3)探测到一个光子便输出一个脉冲信号至时间间隔 分析仪(1302)， 时间间隔分析仪(1302)在接收到所述单光子探测器(1301)输出的一个脉冲 后， 会记录该脉冲的绝对到达时间， 所述计算机(1033)用于采集所述时间间隔分析仪 (1032)输出的时间信息的数据， 并对时间间隔分析仪(1032)记录的数据进 行离散傅里叶变 换， 提取图像中的高频动态频率信息， 从而恢复成像场景的频域图像。 2.根据权利要求1所述的一种单光子压缩感知成像系统， 其特征在于： 所述计算机 (1033)利用信 号源(101)输出给扫描装置(1021)的周期锯齿波信 号和信号源(101)输出给 时间间隔分析仪(1032)的方波信号的频率， 利用离散傅里叶变换计算得出整个图像的像素 规模以及图像的尺寸， 其中， 离散傅里叶变换对图像具有时间信息的光子信号进行频域分 析， 由于背 景噪声在时域内服从泊松分布， 在频域上为白噪声， 而周期性的信号在频域上体 现为离散的频率特 征峰， 由此从高背景噪声中提取图像的高频动态信息 。 3.根据权利要求2所述一种单光子压缩感知成像系统， 其特征在于： 所述扫描装置 (1021)为扫描振镜， 窄带光学滤波器(1022)为窄带滤光片， 光信号耦合装置(1023)为光纤 耦合器。 4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种单光子压缩感知成像系统， 其特征在于： 所 述的单光子探测器(1031)的时间精度为50ps， 所述的时间间隔分析仪(1032)的时间分辨率 为16ps。 5.一种采用权利要求4所述的一种单光子压缩感知成像系统进行压缩成像的方法， 其 包括有以下步骤： 步骤1， 信号源(101)产 生的锯齿波信号(1)并发送至扫描装置(1021)中， 控制扫描装置 (1021)周期扫描的对场景周期性的扫描； 步骤2， 扫描装置( 1021)成像区域以及收集成像场景各个位置形成的动态光学信号 (3)， 并将动态光学信号(3)经过窄带光学滤波器(1022)滤除其中存在的背景噪声， 再经光 信号耦合装置(1023)将滤除后的动态光学信号(3)耦合成光纤光信号(4)并进入多模光纤权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115442505 A 2中传输至单光子 探测器(10 31)中； 步骤3， 动态光学信号(3)在单光子探测器(1031)进行压缩采样， 利用时间间隔分析仪 (1032)将压缩 采样的数据记录在计算机(10 33)上， 然后在计算机(10 33)上进行图像恢复。 6.根据权利要求5所述的一种单光子压缩压缩成像的方法， 其特征在于： 在上述步骤3 中， 压缩采样成像的具体步骤为： 步骤3.1动态光学信号(3)被单光子探测器(1031)随机探测， 当单点的高动态频率超宽 带信号测量时， 该点的测量结果 为： 其中， ci为测量到该像素点的时间信息， s(f)为入射超宽带信号的频率， 其频率区间为 fmin到fmax， 表示对入射信号进行随机采样， 通过将s(f)和 离散成为s(k)和 得到测量过程的离 散化表示 为： k是整数； 步骤3.2， 在上述 步骤3.1中， 被采样的一维信号表示 为： x＝[s(1),s(2), …,s(n)]T， 其采样矩阵为： 其采样结果表示 为： y＝[c1,c2,…,cm]T， 在一定的积分时间t内， 采集到该点的信号x是长度为n的一维信号， 且在超宽带光场满 足压缩感知条件， 经 过稀疏矩阵Ψ(n ×n)的变换后， x表示 为： x＝Ψ·k， 其中k是m阶稀疏的一维信号， 得到非零值的个数m， 选取随机矩阵Φ(m ×n)为观测矩 阵， Ψ和Φ满足不相关条件， 测量过程表示 为： y＝Φx＝ΦΨ ·k＝A·k， 其中定义ΦΨ＝A为感知矩阵， 经 过观测矩阵Φ的测量后， 得到 长度为m的测量 值y； 步骤3.3， 根据步骤3.2采样得到的数据进行图像恢复， 由于稀疏矩阵和观测矩阵是已 知的， 而m< <n， 所以通过 下式来寻找最优解： x＝argmi n||Ψ‑1x||1＝argmin||k||1， 在二维图像 中， 恢复一副图像的大小为L＝l ×l， 可以把采集的这副超宽带图像的数据 看作L维的压缩感知， 原始信号表示为 矩阵Y的形状为n ×L， 而图像的 测量过程表示为： Y＝ΦX＝ΦΨ ·K＝A·K， 那么得到的测量值 矩阵Y的 形状为m×L， K＝[k1,k2,…,kL]T， 矩阵K的形状为 L×1， 同样通过以下公式寻找最优解： X＝argmi n||Ψ‑1X||1＝argmin||K||1， 最终利用离散傅里叶变换来计算每一个像素上的所有光子的频率信 息， 并得到频域上权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115442505 A 3