CN102829787A - X射线脉冲星成像仪及其编码成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线脉冲星成像仪及其成像方法。本发明包括X射线巡天扫描对准器、控制机构、第一X射线光学器件、随机观测模板、第二X射线光学器件、单探测器、计算机处理平台、图像显示器、随机观测模板行列控制器；被采集的X射线天区图像经过随机观测模板汇聚到单探测器，完成了X射线脉冲星天区图像的稀疏采样和量化，通过计算机处理平台完成恢复与重构，其成像方法是利用得到的X射线天区图像的压缩观测向量，通过重构得到X射线天区图像。本发明通过合理地设计随机模板即可完成X射线天区图像成像，且图像采样过程中已压缩了无用信息，减轻了计算机图像处理任务，有效提高了成像效率。

Description

X射线脉冲星成像仪及其编码成像方法

技术领域

本发明属于导航技术领域，涉及一种X射线脉冲星成像仪及其编码成像方法，尤其适用于X摄像脉冲星天区图像的获取，为航天器的导航提供更加丰富的视觉信息。

背景技术

基于X射线脉冲星的导航方法一直是航天器自主导航领域的研究热点，其基本原理是探测脉冲星辐射的X射线光子，测量脉冲到达时间（TOA）和提取影像信息，经过相应的信号和数据处理，实现航天器自主高精度确定轨道、时间和姿态等导航参数的过程。由此可见，利用X射线脉冲星确定航天器导航参数过程中，通常采用两种独立模式：一是以光子计数器提取的脉冲信号和相位为输入信息，输出为航天器位置、速度和时间信息；二是以X射线成像仪提取的脉冲星方向矢量为输入信息，输出为航天器姿态信息。

脉冲星导航的设想最早由美国喷气推进实验室于1974年提出；1981年美国通信***研究所的T.J.Chester和S.A.Butman等提出利用脉冲星辐射的X射线信号为航天器导航的构想；随后美国各研究机构不断通过搭载X射线探测器实验等来验证X射线脉冲星导航的可行性。2004年，美国DARPA提出“X射线脉冲星导航与自主定位验证（XNAV）”计划，整个计划分三阶段实施，最终目的是建立一个能够提供定轨精度10m、定时精度1ns、姿态测量精度3as的脉冲星导航网络，以满足未来航天任务从近地轨道、深空至星际空间飞行的全程高精度自主导航和运行管理需求。同时美国NASA也于2006年2月启动利用X射线脉冲星的深空探测器自主导航技术研究计划。国内X射线脉冲星导航技术研究起步较晚，主要集中在X射线脉冲星导航的基本概念和原理、理论模型和算法、脉冲星信号处理等，涉及的研究单位主要包括中国空间技术研究院、北京航空航天大学、中国科学院高能物理研究所、清华大学、西安电子科技大学、中国航天科工信息技术研究院、中国科学院国家授时中心、国防科学技术大学和装甲兵工程学院等。

尽管美国海军研究实验室的Wood博士早在1993年就提出X射线脉冲星导航实现航天器姿态确定的构想，但从国内外研究现状来看，目前的研究多集中在测量X射线脉冲星的TOA，确定航天器位置和轨道的方法。如何利用X射线成像仪对X射线脉冲星进行探测，如何利用X射线脉冲星的影像信息来计算航天器的姿态信息，对航天器自主导航的姿态确定非常重要。

传统的X射线天文观测中最典型的是编码多孔径成像技术，其实现步骤是先利用编码多针孔相机获取目标信息，再采用光学或数字处理方法重构原目标图像。由于目标经编码孔径相机成一个重叠像，清晰且高实时性地恢复图像存在着困难，而X射线源图像的实时成像恰恰是X射线脉冲星导航通过影像信息获取航天器姿态信息的关键。于是很自然的引出一个问题，能否利用其它变换空间描述并采样图像信号，回避图像采样的重叠问题，建立新的信号描述和处理的框架。

近年来出现的压缩感知理论（CS: Compressive Sensing）启发我们，图像信号的采样与压缩能够同时以低速率进行，比如M维的信号可以通过少量的N次观测，即N<M，便能够以高概率重构出原始的M维信号，使得传感器的采样和计算成本大大降低。图像信号的重构与恢复过程是求解优化问题的过程，记                                               

是M维的任意采样信号，通过

维的随机观测矩阵

与采样信号

相乘，得到较低维的观测向量Y，即

，最后利用0-范数意义下的优化问题求解

。

由于脉冲星天区图像信号具有可压缩性，因此通过稀疏表示方法合理地设计观测矩阵，能将高维信号投影到低维空间进行压缩采样，然后通过求解优化问题从少量采样信号中重构出原始图像信号。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种通过压缩感知理论以较少的采样点实现高分辨率的脉冲星天区影像信息获取的X射线脉冲星成像仪及其编码成像方法。

为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：

一种X射线脉冲星成像仪，其特殊之处在于：包括X射线巡天扫描对准器、控制机构、第一X射线光学器件、随机观测模板、第二X射线光学器件、单探测器、计算机处理平台、图像显示器、随机观测模板行列控制器，控制机构与X射线巡天扫描对准器连接，X射线巡天扫描对准器及其控制机构依次连接第一X射线光学器件、随机观测模板、第二X射线光学器件、单探测器、计算机处理平台，计算机处理平台通过行列控制算法来控制随机观测模板的行列控制器，并与随机观测模板连接控制随机观测模板的状态；计算机处理平台另一路与图像显示器连接。

一种X射线脉冲星成像仪的编码成像方法，其特殊之处在于：所述的方法通过以下步骤实现：

步骤一：X射线巡天扫描对准器不断地对天空进行巡天扫描与搜索，始终将X射线脉冲星成像仪的光学观测平台对准指定的X射线脉冲星所在的天区；

步骤二：X射线脉冲星及天区图像所辐射的X射线经第一X射线光学器件会聚到随机观测模板，计算机处理平台通过随机模板行列控制器来控制随机观测模板，产生随机模板单元

对像素进行随机采样，得到一个从原始图像整幅图像获取的随机变换的电磁脉冲信号；

代表的是随机模板单元的随机采样的电磁脉冲信号；

步骤三：由随机观测模板获取的若干电磁脉冲信号，经第二X射线光学器件逐个会聚到单探测器上，并依次输出电压信号序列

；

步骤四：计算机处理平台根据原始图像的空间结构和测量空间形成的映射关系，由

精确或近似恢复出原始图像

，并在屏幕上显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够解决现有X射线成像技术中存在的共同问题：一是利用目前单点X射线探测器成熟技术，通过合理地设计随机模板即可完成X射线天区图像成像，且图像采样过程中已压缩了无用信息，减轻了计算机图像处理任务，有效提高了成像效率；二是随机模板的设计可以通过随机行列控制器控制空间光调制器、控制柔性随机PCB模板等多种方法实现，避免了国外器件的禁运和高成本等问题。

附图说明

图1为本发明的***框图。

具体实施方式

   下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明包括X射线巡天扫描对准器、控制机构、第一X射线光学器件、随机观测模板、第二X射线光学器件、单探测器、计算机处理平台、图像显示器、随机观测模板行列控制器，控制机构与X射线巡天扫描对准器连接， X射线巡天扫描对准器及其控制机构依次连接第一X射线光学器件、随机观测模板、第二X射线光学器件、单探测器、计算机处理平台，计算机处理平台通过行列控制算法来控制随机观测模板的行列控制器，并与随机观测模板连接控制随机观测模板的状态；计算机处理平台另一路与图像显示器连接，完成采集图像的显示。X射线巡天扫描对准器及其控制机构，主要保证整个成像***始终对准X射线脉冲星所在的天区，并经过第一X射线光学器件初步会聚到随机观测模板。再经过随机观测模板、第二X射线光学器件、单探测器、计算机处理平台、图像显示器、随机观测模板行列控制器完成压缩感知理论体系下的图像采样与重构。

本项目的具体实施方案如下：

X射线巡天扫描对准器：通过对天空进行巡天扫描与搜索，对准指定的X射线脉冲星天区，保证X射线脉冲星成像仪的光学观测***对准X射线脉冲星所在的天区；

控制机构：通过电机控制使得X射线脉冲星光学***能够跟随扫描对准器，保证X射线光学器件对准X射线脉冲星所在的天区位置；

第一X射线光学器件：将脉冲星及其天区图像的X射线会聚到随机观测模板；

随机观测模板：阵列控制器随机地控制模板各个单元的开启与关闭，开启时使得X射线透过并到第二X射线光学器件；

第二X射线光学器件：通过随机观测模板各个单元的依次开启，使得第二X射线光学器件依次将X射线会聚到单探测器上；

单探测器：采集X射线辐射的能量信息，并经过A/D转换将其依次输出给计算机处理平台；

计算机处理平台：对单探测器依次采集的能量信息通过压缩感知理论，进行恢复与重建，还原原始图像信息，同时控制随机观测模板行列控制器；

图像显示器：对重建的X射线脉冲星天区图像进行显示；

随机观测模板行列控制器：根据计算机处理平台的要求，产生随机观测模板的控制策略，完成随机观测模板的控制。

本发明的成像方法通过以下步骤实现：

步骤一：X射线巡天扫描对准器不断地对天空进行巡天扫描与搜索，始终将X射线脉冲星成像仪的光学观测平台对准指定的X射线脉冲星所在的天区；

步骤二：X射线脉冲星及天区图像所辐射的X射线经第一X射线光学器件会聚到随机观测模板，随机模板行列控制器来控制随机观测模板产生的随机模板单元

对像素进行随机采样，产生一个从原始图像整幅图像获取的随机变换的电磁脉冲信号；

步骤三：由随机观测模板获取的若干电磁脉冲信号，经第二X射线光学器件逐个会聚到单探测器上，并输出电压信号

；

步骤四：计算机处理平台根据原始图像的空间结构和测量空间形成的映射关系，由

精确或近似恢复出原始图像

，并在屏幕上显示。

Claims (2)

1.一种X射线脉冲星成像仪，其特征在于：包括X射线巡天扫描对准器、控制机构、第一X射线光学器件、随机观测模板、第二X射线光学器件、单探测器、计算机处理平台、图像显示器、随机观测模板行列控制器，控制机构与X射线巡天扫描对准器连接，X射线巡天扫描对准器及其控制机构依次连接第一X射线光学器件、随机观测模板、第二X射线光学器件、单探测器、计算机处理平台，计算机处理平台通过行列控制算法来控制随机观测模板的行列控制器，并与随机观测模板连接控制随机观测模板的状态；计算机处理平台另一路与图像显示器连接。

2.一种X射线脉冲星成像仪的编码成像方法，其特征在于：所述的方法通过以下步骤实现：

步骤一：X射线巡天扫描对准器不断地对天空进行巡天扫描与搜索，始终将X射线脉冲星成像仪的光学观测平台对准指定的X射线脉冲星所在的天区；

步骤二：X射线脉冲星及天区图像所辐射的X射线经第一X射线光学器件会聚到随机观测模板，计算机处理平台通过随机模板行列控制器来控制随机观测模板，产生随机模板单元                                               

对像素进行随机采样，得到一个从原始图像整幅图像获取的随机变换的电磁脉冲信号；

代表的是随机模板单元的随机采样的电磁脉冲信号；

步骤三：由随机观测模板获取的若干电磁脉冲信号，经第二X射线光学器件逐个会聚到单探测器上，并依次输出电压信号序列

；

步骤四：计算机处理平台根据原始图像的空间结构和测量空间形成的映射关系，由

精确或近似恢复出原始图像

，并在屏幕上显示。