撰稿人：暨南大学 硕士研究生 杨淦泓
研究背景
高速旋转物体广泛存在于工业机械、航天航空等领域，成像技术对该类物体工作时的健康监测具有重要意义。对高速旋转物体成像，通常需要借助高速相机以达到高时间分辨率。然而，因为高速相机产生的海量数据与有限的数据存储和传输能力之间的矛盾，高速相机不利于实现长期的健康监测。如何减少数据传输与存储的压力，是高速旋转物体成像技术中的关键问题。
导读
主要研究内容
该研究提出了一种变转速高速旋转物体的单像素成像方法。研究团队在现有的单像素成像系统中加入了旋转角度同步监测模块，所提方法的实验系统如图1所示。空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）产生一系列时变调制图案调制目标光场。单像素探测器用于检测目标光场的光学响应。在同步监测模块中，监测光源照向目标物体，监测探测器接收并检测经过目标物体的光信号。计算机根据监测探测器的测量值和SLM切换图案时输出的同步信号，提取相同旋转角度下对应于不同调制图案的单像素测量值，最后重建目标图像。
图1 所提方法的实验系统。
该研究的数据处理方法如图2所示。每个调制图案的调制时间都大于目标物体的最大旋转周期。因此，对于每个调制图案，都能够得到对应于目标物体一个完整旋转周期的单像素测量值。与目标物体的特征相对应，监测探测器采集到的监测光数据中也有特征点。例如，当检测到目标物体的反射率或透过率发生突变时，可以将监测光测量值中上升沿的采样点作为特征点。根据目标物体的形貌特征可以预先知道各特征点对应的旋转角度，以此计算每个采样点的旋转角度。最后，提取出特定旋转角度下的单像素测量值，并根据单像素图像重建算法重建该旋转角度下的目标物体图像。
图2 所提方法的数据处理示意图。
技术突破与创新点
该方法实现了高速旋转物体的高质量成像，且所提出的方法允许旋转速度变化，可用于旋转机械的长期监测。
该研究的实验中目标物体的旋转周期如图3所示。目标物体是一个散热风扇，它的额定转速是15,000 rpm。基于监测探测器采集到的5秒的测量值，得到图3中的测量结果并计算得到风扇的转速变化范围为14,357.50 ~ 14,436.96 rpm。
图3 风扇的旋转周期。
图4 (a)不同旋转角度下的重建图像；(b)不使用监测信号时的重建图像。
图5(a)是风扇静止时，使用常规傅里叶单像素成像得到的图像。图5(b)是风扇旋转时，高速相机拍摄的图像，其中存在明显的运动模糊。而图5(c)所提方法重建的图像中扇叶边缘是清晰的。
图5 (a)风扇静止时，常规傅里叶单像素成像重建的图像；(b)风扇旋转时，曝光时间为90.4 μs的相机在11000 fps帧率下拍摄的图像；(c)风扇旋转时，所提方法重建的图像。
结论与展望
文章信息
其他作者名字：尹君，张子邦
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399224005838
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