1.一种曝光时间不受限的压缩超快成像系统,其特征在于:该系统包括分束器、编码器、第一光路切换器、第二光路切换器、第一积分相机、第二积分相机、第三积分相机、第一条纹相机和第二条纹相机;
光源经过分束器分为三束光,分光比设为第一光路:第二光路:第三光路=1:1:n,n≥
1;
第一光路由第三积分相机接收;
第二光路由第二光路切换器接收;第二光路经第二光路切换器切换后,在时间上交替由第一积分相机和第二积分相机进行接收;两个积分相机与切换后的光路相互匹配,交替工作;
第三光路经过编码器之后,由第一光路切换器进行切换;经第一光路切换器切换后的光路,在时间上交替由第一条纹相机和第二条纹相机进行接收;两个条纹相机与切换后的光路相互匹配,交替工作;
第一光路切换器和第二光路切换器的切换在转移第一条纹相机与第二条纹相机相距位移d的时间,不大于第一条纹相机和第二条纹相机扫描一个像素的时间;
在光路转换到第二条纹相机的同时,第一条纹相机关闭曝光,同时进行数据读出;此时第二条纹相机进行积分工作,待光路切换到第一条纹相机时,第二条纹相机停止曝光,输出采集的信号;第一条纹相机开始工作,两个条纹相机工作状态与光路切换,按照此规律交替工作;
第一积分相机、第二积分相机是与第一条纹相机、第二条纹相机同步工作的,即第一条纹相机开始曝光时,第一积分相机同步工作,条纹相机这一侧光路切换时,积分相机同步光路切换;待光路切换到第二条纹相机时,第一条纹相机停止曝光,第一积分相机亦停止工作,两者同时进行数据读出,第二条纹相机与第二积分相机开始工作;至光路切换到第一条纹相机时,第二条纹相机与第二积分相机停止曝光,并输出采集的数据,这时第一条纹相机与第一积分相机开始曝光,两个条纹相机和积分相机工作状态与光路切换,根据此规律交替工作;
第一条纹相机、第二条纹相机与第一积分相机、第二积分相机上每次输出的采样帧数,由激光脉冲进行控制;采样率不高于10帧,满足低采样率复原质量高的要求;
一个工作周期为第一条纹相机和第二条纹相机都只工作一次;
探测的目标是2D图像信息,第一条纹相机和第二条纹相机是打开前端的约束孔径,从而接收到2D图像信息是经过编码器编码后的2D信息;第一条纹相机和第二条纹相机通过扫描,将不同时间经过编码的2D图像通过光路切换器进行分批次叠加,从而输出2D的混叠信号;最后通过最优化算法复原为一系列按时间序列整合的2D图像帧。
2.根据权利要求1所述的一种曝光时间不受限的压缩超快成像系统,其特征在于:在所述一个工作周期内,第一条纹相机工作采集K帧图像成后,光路切换到第二光路,第二条纹相机工作采集K帧完成,即一次工作周期采集2K帧;经过3个这样的工作周期,采集6K帧图像信息,每次重构时压缩比为K:1;分批次的重构,进行cK帧的高压缩比,进行长时间观测,其中c代表两个条纹相机采集数据的总次数。
3.根据权利要求1所述的一种曝光时间不受限的压缩超快成像系统,其特征在于:激光脉冲处于低电平时,光路切换在第一条纹相机所在的光路上,在第一条纹相机上积分,积分时间使得其采样帧率不大于10帧,或者根据实际需要调节脉冲低电平时间;若完成设定时间的采集,此时激光脉冲切换到高电平,光路被切换到第二条纹相机所在的光路上,测试光源被第二条纹相机所采样;采样时间由激光脉冲的高电平决定,让第二条纹相机所采样的帧数不大于10帧。
4.基于权利要求1~3中任一项所述系统的曝光时间不受限的压缩超快成像方法,该方法包括以下步骤:S1:在所述一个周期内,光源通过分束器,再经过编码器进行编码,按照激光脉冲的高低电平,由第一条纹相机和第二条纹相机轮流进行采集,根据时间顺序进行分组,得到压缩数据Y=Ax;其中Y是经过偏移压缩后记录于条纹相机上的二维图像,A是编码器的编码矩阵,x是待测的二维图像帧;压缩数据Y=Ax由第一条纹相机采集的数据Y1=A1x1、第二条纹相机采集的数据Y2=A2x2构成;
S2:第一积分相机与第二积分相机轮流采集的辅助信息与条纹相机处理类似,按时间顺序进行分组,得到辅助信息Y'=Ix;其中Y’是直接记录于积分相机上的二维图像,I是积分相机相对于条纹相机动态扫描形成的偏移操作,x是待测的二维图像帧;而辅助信息Y'=Ix由第一积分相机采集的数据Y1’=I1x1、第二积分相机采集的数据 构成;
S3:为反解出上述Y=Ax与Y'=Ix这两个等式中的x,转化为下述拉格朗日函数的最小值求解:
其中,λ1、λ2是拉格朗日因子,θ是中间因子;
S4:按照时间顺序分组,依次通过迭代计算求解上述S3中的方程,得到待测的二维图像帧,然后进行整合;
S5:切换过程中,采用前向网络和后向网络相结合的方式,再通过第三积分相机采集的整个辅助信息,对丢失的信息进行补全。
5.根据权利要求4所述的曝光时间不受限的压缩超快成像方法,其特征在于:所述S4中,首先第一条纹相机采集的数据Y1=A1x1与第一积分相机读取的数据Y1’=I1x1分为第一组,通过迭代计算求解S3中的方程,获得第一组待测的二维图像帧解 然后第二条纹相机采集的数据Y2=A2x2与第二积分相机读取的数据 分为第二组,通过迭代计算求解S3中的方程,获得第二组待测的二维图像帧解 将两组的解 与 整合求得整个的二维图*像帧x;
若有多个工作周期,则循环分组求解步骤,其核心的算法是将第一条纹相机采集的数据Yi=Aixi与第一积分相机读取的数据Y′i=Iixi分为一组,通过迭代计算求解S3中的方程,获得一组待测的二维图像帧解 然后第二条纹相机采集的数据Yi+1=Ai+1xi+1与第二积分相机读取的数据Y′i+1=Ii+1xi+1分为另一组,通过迭代计算求解S3中的方程,获得另一组待测的二维图像帧解 将两组的解 与 整合,求得第i个周期的二维图像帧,再通过整*合i个周期的二维图像帧可求得整个的x;最后通过S5所用的前向网络和后向网络的方式,*
结合第三积分采集的整个辅助信息,求得最优解h。