格雷码编码重排的空间光调制方法及系统

1.一种格雷码编码重排的空间光调制方法，其特征在于，包括：根据目标图像的分辨率确定总像素数N，依据预设采样率确定测量次数M，结合预先确定的空间光调制器的物理特性，选取适用于压缩感知重建且具有优良代数特性的N×N维基础调制矩阵；对自然二进制序列0至L-1进行标准反射格雷码编码，其中L为不小于M的正整数，生成长度为L的格雷码索引序列，所述格雷码索引序列中任意相邻索引值的二进制表示仅有一位不同，所述格雷码索引序列用于控制空间光调制器的图案加载顺序；通过预设的映射函数，将所述格雷码索引序列的前M个索引系统性映射到所述基础调制矩阵的行索引集上，生成新的测量矩阵，所述测量矩阵的行顺序与空间光调制器的图案投射顺序一一对应；将所述测量矩阵的每一行转换为与空间光调制器调制单元阵列匹配的二维空间光调制图案，按所述测量矩阵的行顺序依次加载至空间光调制器，光源经目标物体透射后形成携带目标物体信息的光信号，所述空间光调制器对所述光信号进行空间编码，同步使用两个性能匹配的单像素探测器，分别采集所述空间光调制器透射态与反射态下编码后的光信号对应的场景总光强响应，得到两个包含目标物体信息的测量向量；对两个所述测量向量进行差分运算得到差分向量，将所述测量矩阵与所述差分向量输入压缩感知重建算法，通过求解约束优化问题，重建得到反映目标物体物理形态的原始目标图像的估计值。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基础调制矩阵选自哈达玛矩阵、傅里叶矩阵或其他具有低相干性的确定性测量矩阵；其中，当所述基础调制矩阵为哈达玛矩阵时，若 ，其中n为正整数，则采用西尔维斯特构造法构建，构造过程满足 ；若 ，其中k为正整数、 为奇素数，则采用勒让德符号构造法构建，构造过程中通过奇素数 的二次剩余特性生成矩阵元素。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述格雷码索引序列通过位运算递推方式生成，所述位运算递推的表达式为 ，其中i为从1开始的自然数索引， 为格雷码索引序列中的第i个元素；生成过程中，先将自然二进制序列0至L-1转换为 位二进制序列，其中 满足 ，再基于所述位运算递推公式对转换后的二进制序列进行逐位编码，得到格雷码索引序列。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述映射函数的实现方式包括线性取模运算、哈希映射或基于预设查找表的直接映射；采用线性取模运算时，表达式为 ，其中 为映射函数， 为格雷码索引序列中的第i个元素，确保映射结果落在基础调制矩阵的行索引1至N范围内；采用哈希映射时，通过基于MD5或SHA的改进哈希算法将格雷码索引转换为整数，再通过取模运算约束至1至N的行索引范围；采用预设查找表映射时，查找表中预存格雷码索引与基础调制矩阵行索引的一一对应关系，查找表的构建满足格雷码序列的相邻单比特跳变特性与基础矩阵行索引的有序映射。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量矩阵满足 ，其中A为测量矩阵，i=1,2,...,M， 为基础调制矩阵， 为映射函数， 为格雷码索引序列中的第i个元素；所述测量矩阵的元素取值包括-1和1，为适配空间光调制器的二值工作状态，其中所述二值工作状态仅能呈现两种物理状态，在加载至空间光调制器前，将测量矩阵中-1的元素映射为0，得到加载矩阵，所述加载矩阵中1对应空间光调制器的开启状态，0对应关闭状态。 6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间光调制器包括数字微镜器件（DMD）或旋转掩模版；当采用数字微镜器件时，其微镜的开启状态对应透射态，微镜的关闭状态对应反射态。 7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩感知重建算法选自基于增广拉格朗日法和交替方向法的全变分最小化算法（TVAL3）、基追踪去噪算法（BPDN）或近似消息传递算法（AMP）；求解过程中，通过所述压缩感知重建算法求解L1范数约束优化问题，利用测量矩阵与差分向量的线性对应关系，还原原始目标图像的像素灰度值信息。 8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设采样率的取值范围为10%-50%，且测量次数 ，其中 为预设采样率；其中，以系统调制速率、成像时间需求和/或成像质量的峰值信噪比作为依据，对所述采样率进行调整。 9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单像素探测器选自超导纳米线单光子探测器、单光子雪崩二极管或光电倍增管，通过设定响应速度、探测灵敏度、噪声水平的数值，确保两个所述单像素探测器的性能参数一致；采集过程中，两个单像素探测器通过同步触发信号实现同步工作，分别实时采集空间光调制器透射态与反射态下的场景总光强响应，确保两路探测信号的时间同步性。 10.一种格雷码编码重排的空间光调制系统，其特征在于，所述系统包括光源、光学传导模块、空间光调制模块、双路探测模块、信号转换模块和数据处理模块；所述光源用于提供稳定的入射光，选自LED阵列光源、红外激光光源或赝热光源，根据成像场景需求选择适配的波长与光强；所述光学传导模块包括准直透镜、成像透镜和两个收集透镜，所述准直透镜用于将光源发出的发散光转换为平行光并投射至目标物体，所述成像透镜用于将透过目标物体的光精准传导至空间光调制模块的调制单元阵列，两个所述收集透镜分别与空间光调制器的透射态出光方向、反射态出光方向对应设置，用于收集编码后的光信号并汇聚至双路探测模块的探测面；所述空间光调制模块，用于接收光学传导模块传导的光线，加载二维空间光调制图案，通过调制单元的物理状态切换对入射光进行空间编码；所述双路探测模块包括两个性能匹配的单像素探测器，分别与两个所述收集透镜对应设置，用于将汇聚的光信号转换为电信号，采集空间光调制模块透射态与反射态对应的场景总光强响应，得到两个包含目标物体信息的测量向量；所述信号转换模块为时间数字转换器，用于将双路探测模块输出的模拟电信号转换为数字电信号，并同步传输至数据处理模块；所述数据处理模块预存储测量矩阵，用于接收信号转换模块传输的数字电信号并还原为两个所述测量向量，对两个所述测量向量进行差分运算得到差分向量，将预存储的测量矩阵与差分向量输入压缩感知重建算法，求解得到原始目标图像的估计值，并通过显示单元输出或存储单元存储重建图像。