專利名稱：X射線脈沖星成像儀及其編碼成像方法
技術領域：
本發明屬于導航技術領域，涉及一種X射線脈沖星成像儀及其編碼成像方法，尤其適用于X攝像脈沖星天區圖像的獲取，為航天器的導航提供更加豐富的視覺信息。
背景技術：
基于X射線脈沖星的導航方法一直是 航天器自主導航領域的研究熱點，其基本原理是探測脈沖星輻射的X射線光子，測量脈沖到達時間(TOA)和提取影像信息，經過相應的信號和數據處理，實現航天器自主高精度確定軌道、時間和姿態等導航參數的過程。由此可見，利用X射線脈沖星確定航天器導航參數過程中，通常采用兩種獨立模式一是以光子計數器提取的脈沖信號和相位為輸入信息，輸出為航天器位置、速度和時間信息；二是以X射線成像儀提取的脈沖星方向矢量為輸入信息，輸出為航天器姿態信息。脈沖星導航的設想最早由美國噴氣推進實驗室于1974年提出；1981年美國通信系統研究所的T. J. Chester和S. A. Butman等提出利用脈沖星福射的X射線信號為航天器導航的構想；隨后美國各研究機構不斷通過搭載X射線探測器實驗等來驗證X射線脈沖星導航的可行性。2004年，美國DARPA提出“X射線脈沖星導航與自主定位驗證(XNAV)”計劃，整個計劃分三階段實施，最終目的是建立一個能夠提供定軌精度10m、定時精度Ins、姿態測量精度3as的脈沖星導航網絡，以滿足未來航天任務從近地軌道、深空至星際空間飛行的全程高精度自主導航和運行管理需求。同時美國NASA也于2006年2月啟動利用X射線脈沖星的深空探測器自主導航技術研究計劃。國內X射線脈沖星導航技術研究起步較晚，主要集中在X射線脈沖星導航的基本概念和原理、理論模型和算法、脈沖星信號處理等，涉及的研究單位主要包括中國空間技術研究院、北京航空航天大學、中國科學院高能物理研究所、清華大學、西安電子科技大學、中國航天科工信息技術研究院、中國科學院國家授時中心、國防科學技術大學和裝甲兵工程學院等。盡管美國海軍研究實驗室的Wood博士早在1993年就提出X射線脈沖星導航實現航天器姿態確定的構想，但從國內外研究現狀來看，目前的研究多集中在測量X射線脈沖星的Τ0Α，確定航天器位置和軌道的方法。如何利用X射線成像儀對X射線脈沖星進行探測，如何利用X射線脈沖星的影像信息來計算航天器的姿態信息，對航天器自主導航的姿態確
定非常重要。傳統的X射線天文觀測中最典型的是編碼多孔徑成像技術，其實現步驟是先利用編碼多針孔相機獲取目標信息，再采用光學或數字處理方法重構原目標圖像。由于目標經編碼孔徑相機成一個重疊像，清晰且高實時性地恢復圖像存在著困難，而X射線源圖像的實時成像恰恰是X射線脈沖星導航通過影像信息獲取航天器姿態信息的關鍵。于是很自然的引出一個問題，能否利用其它變換空間描述并采樣圖像信號，回避圖像采樣的重疊問題，建立新的信號描述和處理的框架。近年來出現的壓縮感知理論(CS: Compressive Sensing)啟發我們，圖像信號的采樣與壓縮能夠同時以低速率進行，比如M維的信號可以通過少量的N次觀測，即N〈M，便能夠以高概率重構出原始的M維信號，使得傳感器的采樣和計算成本大大降低。圖像信號的重構與恢復過程是求解優化問題的過程，記*是M維的任意采樣信號，通過iixM維的隨機觀測矩陣Φ與采樣信號X相乘，得到較低維的觀測向量Y，即1=1，最后利用O-范數意義下的優化問題求解X。由于脈沖星天區圖像信號具有可壓縮性，因此通過稀疏表示方法合理地設計觀測矩陣，能將高維信號投影到低維空間進行壓縮采樣，然后通過求解優化問題從少量采樣信號中重構出原始圖像信號。
發明內容
本發明所解決的技術問題是提供一種通過壓縮感知理論以較少的采樣點實現高分辨率的脈沖星天區影像信息獲取的X射線脈沖星成像儀及其編碼成像方法。為解決上述的技術問題，本發明采取的技術方案 一種X射線脈沖星成像儀，其特殊之處在于包括X射線巡天掃描對準器、控制機構、第一 X射線光學器件、隨機觀測模板、第二 X射線光學器件、單探測器、計算機處理平臺、圖像顯示器、隨機觀測模板行列控制器，控制機構與X射線巡天掃描對準器連接，X射線巡天掃描對準器及其控制機構依次連接第一 X射線光學器件、隨機觀測模板、第二 X射線光學器件、單探測器、計算機處理平臺，計算機處理平臺通過行列控制算法來控制隨機觀測模板的行列控制器，并與隨機觀測模板連接控制隨機觀測模板的狀態；計算機處理平臺另一路與圖像顯示器連接。一種X射線脈沖星成像儀的編碼成像方法，其特殊之處在于所述的方法通過以下步驟實現
步驟一 χ射線巡天掃描對準器不斷地對天空進行巡天掃描與搜索，始終將X射線脈沖星成像儀的光學觀測平臺對準指定的X射線脈沖星所在的天區；
步驟二 χ射線脈沖星及天區圖像所輻射的X射線經第一 X射線光學器件會聚到隨機觀測模板，計算機處理平臺通過隨機模板行列控制器來控制隨機觀測模板，產生隨機模板單元Φ對像素進行隨機采樣，得到一個從原始圖像整幅圖像獲取的隨機變換的電磁脈沖信號；0代表的是隨機模板單兀的隨機米樣的電磁脈沖信號；
步驟三由隨機觀測模板獲取的若干電磁脈沖信號，經第二 X射線光學器件逐個會聚到單探測器上，并依次輸出電壓信號序列Γ
步驟四計算機處理平臺根據原始圖像的空間結構和測量空間形成的映射關系，由Γ 精確或近似恢復出原始圖像I,并在屏幕上顯示。與現有技術相比，本發明的有益效果是
本發明能夠解決現有X射線成像技術中存在的共同問題一是利用目前單點X射線探測器成熟技術，通過合理地設計隨機模板即可完成X射線天區圖像成像，且圖像采樣過程中已壓縮了無用信息，減輕了計算機圖像處理任務，有效提高了成像效率；二是隨機模板的設計可以通過隨機行列控制器控制空間光調制器、控制柔性隨機PCB模板等多種方法實現，避免了國外器件的禁運和高成本等問題。
圖I為本發明的系統框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。參見圖1，本發明包括X射線巡天掃描對準器、控制機構、第一 X射線光學器件、隨機觀測模板、第二 X射線光學器件、單探測器、計算機處理平臺、圖像顯示器、隨機觀測模板行列控制器，控制機構與X射線巡天掃描對準器連接，X射線巡天掃描對準器及其控制機構依次連接第一 X射線光學器件、隨機觀測模板、第二 X射線光學器件、單探測器、計算機處理平臺，計算機處理平臺通過行列控制算法來控制隨機觀測模板的行列控制器，并與隨機觀測模板連接控制隨機觀測模板的狀態；計算機處理平臺另一路與圖像顯示器連接，完成 采集圖像的顯示。X射線巡天掃描對準器及其控制機構，主要保證整個成像系統始終對準X射線脈沖星所在的天區，并經過第一 X射線光學器件初步會聚到隨機觀測模板。再經過隨機觀測模板、第二 X射線光學器件、單探測器、計算機處理平臺、圖像顯示器、隨機觀測模板行列控制器完成壓縮感知理論體系下的圖像采樣與重構。本項目的具體實施方案如下
X射線巡天掃描對準器通過對天空進行巡天掃描與搜索，對準指定的X射線脈沖星天區，保證X射線脈沖星成像儀的光學觀測系統對準X射線脈沖星所在的天區；
控制機構通過電機控制使得X射線脈沖星光學系統能夠跟隨掃描對準器，保證X射線光學器件對準X射線脈沖星所在的天區位置；
第一 X射線光學器件將脈沖星及其天區圖像的X射線會聚到隨機觀測模板；
隨機觀測模板陣列控制器隨機地控制模板各個單元的開啟與關閉，開啟時使得X射線透過并到第二 X射線光學器件；
第二X射線光學器件通過隨機觀測模板各個單元的依次開啟，使得第二X射線光學器件依次將X射線會聚到單探測器上；
單探測器采集X射線輻射的能量信息，并經過A/D轉換將其依次輸出給計算機處理平
臺；
計算機處理平臺對單探測器依次采集的能量信息通過壓縮感知理論，進行恢復與重建，還原原始圖像信息，同時控制隨機觀測模板行列控制器；
圖像顯示器對重建的X射線脈沖星天區圖像進行顯示；
隨機觀測模板行列控制器根據計算機處理平臺的要求，產生隨機觀測模板的控制策略，完成隨機觀測模板的控制。本發明的成像方法通過以下步驟實現
步驟一 χ射線巡天掃描對準器不斷地對天空進行巡天掃描與搜索，始終將X射線脈沖星成像儀的光學觀測平臺對準指定的X射線脈沖星所在的天區；
步驟二 X射線脈沖星及天區圖像所輻射的X射線經第一 X射線光學器件會聚到隨機觀測模板，隨機模板行列控制器來控制隨機觀測模板產生的隨機模板單元Φ對像素進行隨機采樣，產生一個從原始圖像整幅圖像獲取的隨機變換的電磁脈沖信號；
步驟三由隨機觀測模板獲取的若干電磁脈沖信號，經第二 X射線光學器件逐個會聚到單探測器上，并輸出電壓信號Γ ；
步驟四計算機處理平臺根據原始圖像的空間結構和測量空間形成的映射關系，由Γ=Φτ精確或近似恢復出原始 圖像I并在屏幕上顯示。
權利要求
1.一種X射線脈沖星成像儀，其特征在于包括X射線巡天掃描對準器、控制機構、第一 X射線光學器件、隨機觀測模板、第二 X射線光學器件、單探測器、計算機處理平臺、圖像顯示器、隨機觀測模板行列控制器，控制機構與X射線巡天掃描對準器連接，X射線巡天掃描對準器及其控制機構依次連接第一 X射線光學器件、隨機觀測模板、第二 X射線光學器件、單探測器、計算機處理平臺，計算機處理平臺通過行列控制算法來控制隨機觀測模板的行列控制器，并與隨機觀測模板連接控制隨機觀測模板的狀態；計算機處理平臺另一路與圖像顯示器連接。
2.一種X射線脈沖星成像儀的編碼成像方法，其特征在于所述的方法通過以下步驟實現 步驟一 x射線巡天掃描對準器不斷地對天空進行巡天掃描與搜索，始終將X射線脈沖星成像儀的光學觀測平臺對準指定的X射線脈沖星所在的天區； 步驟二 x射線脈沖星及天區圖像所輻射的X射線經第一 X射線光學器件會聚到隨機觀測模板，計算機處理平臺通過隨機模板行列控制器來控制隨機觀測模板，產生隨機模板單元Φ對像素進行隨機采樣，得到一個從原始圖像整幅圖像獲取的隨機變換的電磁脈沖信號；φ代表的是隨機模板單元的隨機米樣的電磁脈沖信號； 步驟三由隨機觀測模板獲取的若干電磁脈沖信號，經第二 X射線光學器件逐個會聚到單探測器上，并依次輸出電壓信號序列Jr; 步驟四計算機處理平臺根據原始圖像的空間結構和測量空間形成的映射關系，由Γ =Φ*Γ精確或近似恢復出原始圖像X并在屏幕上顯示。
全文摘要
本發明涉及一種X射線脈沖星成像儀及其成像方法。本發明包括X射線巡天掃描對準器、控制機構、第一X射線光學器件、隨機觀測模板、第二X射線光學器件、單探測器、計算機處理平臺、圖像顯示器、隨機觀測模板行列控制器；被采集的X射線天區圖像經過隨機觀測模板匯聚到單探測器，完成了X射線脈沖星天區圖像的稀疏采樣和量化，通過計算機處理平臺完成恢復與重構，其成像方法是利用得到的X射線天區圖像的壓縮觀測向量，通過重構得到X射線天區圖像。本發明通過合理地設計隨機模板即可完成X射線天區圖像成像，且圖像采樣過程中已壓縮了無用信息，減輕了計算機圖像處理任務，有效提高了成像效率。
文檔編號G01C21/24GK102829787SQ20121031303
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者馮冬竹, 袁曉光, 何曉川, 郭鶴鶴, 白淵杰, 鄧鑒, 許錄平 申請人:西安電子科技大學