CN102769460B - 一种互补测量的时间分辨单光子计数成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种互补测量的时间分辨单光子计数成像系统及方法，该系统由光学部分和电学部分组成，光学部分用于成像、光调制、会聚收集等，电学部分用于探测、控制、时间分辨和成像等。该方法包括以下步骤：极弱光成像在空间光调制器上，经调制后出射至双臂方向，会聚后分别由可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器探测，以时幅变换或延时计数门宽的方式实现周期对象皮秒级时间分辨，以逐帧测量方式实现非周期对象秒级时间分辨，根据两臂矩阵互补，利用关联的压缩传感算法重建出可见光及近红外光灰度视频帧序列。本发明解决了常规时间分辨成像方法的可见光与近红外光无法同时探测及空时分辨精度差等问题，具有潜在实用价值和广阔应用前景。

Description

一种互补测量的时间分辨单光子计数成像系统及方法

技术领域

本发明涉及时间分辨极弱光探测的技术领域，特别涉及一种互补测量的时间分辨单光子计数成像系统及方法。

背景技术

在荧光寿命成像、生物检测、星空探测、夜视观测、极弱光探测、遥感成像、医疗成像、监控等科技领域，不仅需要时间分辨地探测可见极弱光，更需要进行近红外光成分分布的动态过程分析，现有的仪器设备越来越无法满足科学家们的需求，需要一种新的时间分辨成像系统以提高时间分辨率和空间分辨率，并实现可见光和近红外光的同时探测。

本发明是基于前人工作进行的改进和创新。在该领域，本研究所已有一份专利《一种时间分辨单光子计数二维成像系统及方法》（申请号或专利号：201110328462.2，申请人或专利权人：中国科学院空间科学与应用研究中心），该专利是本研究室前人所做工作，目的是做时间分辨单光子计数成像，其特征在于，该系统根据压缩传感理论，在空间光调制器的单臂出射方向进行光子探测，实现了对极弱光对象的可见光成分的时间分辨二维成像，尚未涉及近红外光，更无法做到可见光和近红外光的同时探测；且该专利所提供的时间分辨方案是建立在触发器基础上的，时间分辨精度仅能达到秒级，无法对物理、化学、生物中的瞬态周期的成分变化过程进行有效捕捉，且所用算法较慢，仅对较小分辨率的待测图像有效，成像质量较差，系统装置尚不完善。为以解决上述一系列的缺陷，本发明提出一种互补测量的时间分辨单光子计数成像系统及方法，采用双臂测量，可见光与近红外光可同时时间分辨地探测，并改进了原理和算法，提出关联的压缩传感算法，将在天文、生物显微等诸多领域广泛应用。

所谓时间分辨就是分辨时间维度上的间隔，而超高时间分辨即指在观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间，在液相中，很多物理和化学过程，如分子的顺-反异构和定向弛豫、电荷和质子的转移、激发态分子碰撞预解离、能量传递和荧光寿命以及电子在水中溶剂化等，仅需10^-8秒就能完成，只有通过皮秒的时间分辨精度的分析仪器才有可能及时地观察这些极快的过程。主流的时间分辨技术主要有荧光寿命成像(FLIM)、双光子荧光寿命显微成像、荧光寿命相关光谱(FCS)技术和多维度荧光寿命显微技术。在本发明中，就想在极短的时间间隔内进行光子探测。

单光子属于极弱光，被认为是光不可分割的最小能量单位，是可以探测的极限。单光子探测技术已广泛应用于生物自发光、医疗诊断、非破坏性物质分析、天文观测、光谱测量、量子光学等领域，并在其中扮演着重要角色。

而光子计数成像就是一种极弱光探测技术，通过记录成像位置的光子计数，计数等效于光强信息，于是得到光强的空间分布情况，最后累计出一幅图像，一般采用弱光面元探测器，如ICCD、EMCCD、APDs等。面元探测器在对极弱光进行探测时需要曝光一定时间（即积分时间），平均到单位像素上的光通量极小，加上暗计数的影响，信噪比较差，极难准确推算落在该像元上的光强值，具有灵敏度的问题。其中ICCD、EMCCD都号称可以做到单光子探测，但需深度半导体制冷，成本昂贵，ICCD空间分辨率较差，时间分辨精度达到纳秒级别，而EMCCD空间分辨率稍好，但时间分辨仅达到毫秒量级，存在的共同问题都是弱光下很难对仪器噪声进行控制或线性输出；而APDs可以工作在盖革模式，但尚处在研究阶段，而且高精度的APD阵列很难制造和流片，林肯实验室对外公布的APD阵列也仅有64×256像素，对中国禁运，且目前的APD阵列波长响应范围十分有限，仅在中可视波段达到量子效率峰值，由于每个像素都极小，光通量必须平均分配在整个阵列上，那么散粒噪声的影响将变得十分显著。

因而，弱光面元探测器的灵敏度、信噪比、噪声控制、面阵规模、波长响应范围直接限制获取高质量极弱光图像的能力。为此采用压缩传感理论和互补测量技术来弥补原理上的缺陷，用单光子点探测器获取面上的总光子计数，其光通量显著高于弱光面元探测器单位像素上的光通量，极大提高了灵敏度、信噪比、空间分辨能力和图像重建质量，还节省了维度。

所述压缩传感（Compressive Sensing，简称CS）理论是由Donoho、Candès和Tao等人提出的一个全新数学理论，实现以随机采样的方式、更少的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）来完美地恢复信号，且具有更高鲁棒性。该原理先压缩采样，将被测信号由高维向低维映射并对其进行采样，选取合适的稀疏变换框架Ψ，使得x经Ψ变换所得向量是稀疏的，然后根据观测数据y、测量矩阵A和框架Ψ，求解最后由反演出x。

所述空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，在随时间变化的电驱动信号或其它信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，一般采用二值表征反射方向的状态，常见的空间光调制器有数字微镜器件、液晶光阀、毛玻璃等。其中，数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，简称DMD），是世界上最精密的光开关。DMD的核心是由成千上万个安装在铰链上的微反射镜组成的微镜阵列（主流的DMD由1024×768的阵列构成，最大可至2048×1152），每一镜片的尺寸为14μm×14μm（或16μm×16μm）并可以通断一个像素的光，这些微镜皆悬浮着，通过对每一个镜片下的存储单元都以二进制平面信号进行电子化寻址，便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜，把这两种状态记为1和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。

发明内容

本发明的目的在于，为满足能同时时间分辨地观察物理化学生物瞬态过程中的可见光和近红外光成分的空间分布变化情况的强烈需求，解决常规时间分辨成像方法存在的时间分辨精度差或者成像质量差的问题，通过提高极弱光的光通量以提高信噪比，从而提供一种互补测量的时间分辨单光子计数成像系统及方法，通过双臂时间分辨地探测，来弥补单臂测量所引起的信息缺失，进而同时重建出可见光和近红外光的灰度视频帧序列，以促进相关领域的发展。

为了实现上述目的，本发明提供了一种互补测量的时间分辨单光子计数成像系统，其特征在于，所述系统包含：脉冲激光器、光学成像部件、空间光调制器、第一组会聚收光部件、第二组会聚收光部件、可见光单光子点探测器、近红外光单光子点探测器、多通道计数器、随机数发生器、系统控制平台、数据读写存储器和处理模块；

所述脉冲激光器每隔一段时间将激光打在物体上，激发物体荧光，该荧光由所述光学成像部件成像在空间光调制器上，所述空间光调制器依据随机发生器提供的随机矩阵对成像进行随机光调制，将光分配到两臂出射方向上，第一臂出射方向设置有第一组会聚收光部件和可见光单光子探测器，第二臂出射方向设置有第二组会聚收光部件和近红外光单光子探测器，用于分别对极弱光对象的可见光成分和近红外光成分同时进行探测；

所述可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器处于常开状态并向所述多通道计数器输出脉冲波形，所述多通道计数器上的两个计数通道对输入其中的信号进行滤波、鉴别和累计计数脉冲尖峰个数；

所述脉冲激光器与所述多通道计数器相连，激光的脉冲波形作为多通道计数器的参考脉冲输入；

所述系统控制平台发送指令给随机数发生器，并控制整个系统的运作；

所述随机数发生器的输出端与空间光调制器的输入端相连，用于给空间光调制器传输随机测量矩阵；

所述多通道计数器用于记录可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器探测的光子的计数值并获取时间维度信息、再将所述计数值、时间维度信息与随机数发生器上的随机测量矩阵共同作为数据读写存储器的输入，这些数据经由数据读写存储器输入至处理模块；处理模块根据这些数据重建出观测对象的可见光和近红外光成分的灰度视频帧序列。

上述技术方案中，所述可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器均工作在盖革模式，且两者的安放位置可置换。

上述技术方案中，所述系统还包含延时器；

所述多通道计数器进一步包含：计数模块和时幅变换模块，用于实现计数和时间分辨功能，获取时间维度信息；当采用光子到达时间方式获取时间分辨，则时幅变换模块使能，而延时器不使能；当采用延时计数门宽的方式，则时幅变换模块不使能，而延时器使能；

所述延时器向所述计数模块发送门控信号，用于延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时的时间段能够作为对应瞬态周期内的时间子段，该时间分辨精度能够达到20ps；

所述延时器由多通道计数器中的时幅变换模块进行功能置换，该时间幅度变换模块用于将获得的光子的时间转化为电压形式并记录在对应通道中，并按光子到达时间将光子数分段划分，统计得到一个瞬态周期内各时间间隔内的多段累积计数，时间分辨精度达到5ps；

当被测对象为非周期变化的情况下，设物体在某一较短时间内几乎保持不变，此时采用逐帧测量的方式，即测完一帧可见光和近红外光图像后再测下一帧，时间分辨精度达到秒级。

上述技术方案中，所述随机数发生器通过采集自然界的随机源作为随机数源，对真随机数进行处理获取随机数并输出至空间光调制器；

所述数据读写存储器，用于存储输入的各个子时间段或各使能门控信号时间段内的光子数、各通道的时间维度信息及相应的随机测量矩阵，从而起到读写与缓存的作用。

上述技术方案中，所述系统控制平台进一步包含：

使能控制模块，用于控制各部件的使能，即发送驱动使能信号发给上述各部件使其开始正常工作；

同步控制模块，用于实现激光脉冲和多通道计数器的光子计数之间的同步；和

矩阵变换模块，用于控制随机阵列的变换和其上随机矩阵的更替并在瞬态周期开始前或结束后进行相应调整。

基于上述系统本发明还提供了一种互补测量的时间分辨单光子计数成像方法，所述方法包含：

步骤101）脉冲激光器每隔一段时间将激光打在物体上，激发物体发出荧光，该荧光作为极弱光对象，所述荧光由光学成像部件成像在空间光调制器上，空间光调制器依据随机测量矩阵对其进行随机光调制后以将光分配到两臂出射方向上；

步骤102）分别利用可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器进行两臂同时探测，并采用时间分辨策略完成探测的时间分辨；

步骤103）采用多通道计数器对可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器探测的结果分别进行计数，依据所述计数值、时间维度信息与随机测量矩阵采用重建算法实现单光子量级的极弱光对象的可见光和近红外光成分的灰度视频帧序列，完成互补测量的时间分辨单光子计数成像。

上述技术方案中，所述步骤102）采用如下时间分辨策略中的一种：

策略一，可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器常开，保持空间光调制器固定一帧不动，以脉冲激光的脉冲波形作为时间幅度变换模块的参考脉冲，开启激光，激发物体荧光，时间幅度变换模块将光子到达时间以电压形式记录下来，记录在对应的通道中，按光子达到时间将光子数进行分段划分，统计出一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，分别对每个时间子段做算法重建，便可捕捉到一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加使相应的计数变大，依法炮制；

策略二，可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器常开，保持空间光调制器固定一帧不动，开启激光，激发物体荧光，通过延时器向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，可延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时的时间段作为瞬态周期内的时间子段，在每次瞬态周期内仅探测一次，门宽延时后再探测一次，两次的计数值作差便得到时间子段内的计数值，重复上述操作，得到一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，分别对每个时间子段做算法重建，便可捕捉到一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加使相应的计数变大，依法炮制；

所述步骤103）采用的稀疏重建的步骤具体包含：

在每个时间子段内，将会获得可见光和近红外光的两组测量值y和y′，其中y_i和y′_i，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a′_i，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I-a，其中I是单位阵，将a_i和a′_i分别拉伸至一行，分别作为该时间子段内可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，y和y′都共计M个值，利用关联的压缩传感重建算法便可重建出该时间子段内观测对象在可见光波段和近红外光波段的灰度图像，结合时间维度信息，便可得到可见光成分和近红外光成分的空间分布动态变化的灰度视频帧序列。

上述技术方案中，所述压缩传感数学模型如下：

来自观测物体的光投影到空间光调制器上，在任意一臂光路上将反射光收集到一个点，在瞬态周期中的某个时间子段内，分别将待测可见光信号和近红外光信号假想为列向量：则该过程可看作两组测量矩阵和相应待测信号作内积的过程，分别得到两组观测向量其中 是系统噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则其中Ψ=[ψ₁,ψ₂,...，ψ_N]是稀疏变换矩阵（即稀疏框架），即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y,y^{\′}]=[\mathrm{A\Ψ}\stackrel{\‾}{x}+e,A^{\′}\mathrm{\Ψ}{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}+e^{\′}]$

其中，将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y,y′和测量矩阵A,A′的条件下求解 用压缩传感的策略进行求解，所述策略采用如下算法：

$\underset{\stackrel{\‾}{x}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y-\mathrm{A\Ψ}\stackrel{\‾}{x}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\τ}{\left|\right|\stackrel{\‾}{x}\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y^{\′}-A^{\′}\mathrm{\Ψ}{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\τ}{\left|\right|{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}\left|\right|}_1$

其中，||…||_p代表范数算符，仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在该时间子段内可见光波段和近红外光波段的光强空间分布信息x和x′。

上述技术方案中，所述压缩传感算法包括：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法或l₂重建算法。

上述技术方案中，所述的关联的压缩传感算法是基于每个时间子段内的两个随机测量矩阵是互补的而提出的，将单位阵看作测量矩阵参与运算，在压缩传感算法的基础上加入修正参数，所得值再与x做符合运算，便得到x′，极大简便运算，缩小存储空间，可见光信号x与近红外光信号x′可同时获得，每个时间子段内的数据依法炮制，进而可得到可见光和近红外光灰度视频帧序列。

与现有技术相比本发明的优点在于：本发明结合压缩传感理论、互补测量技术和时间分辨技术后提出的方案，利用双臂探测可以同时时间分辨地捕捉可见光和近红外光的成分分布的瞬态变化情况，其灵敏度可以达到单光子水平，分辨率最高可达2048×1152的分辨率，满足了目前对物理、化学、生物瞬态过程的时间分辨精度和空间分辨精度的强烈需求。本发明再原有基础上提出改进的时间分辨测量方法，将该系统的时间分辨精度提高到皮秒量级，应用前景更加广泛。本发明还改进了原有算法，使其鲁棒性更强，运算更快，成像质量更高。基于以上优点和创新点，本发明可广泛应用于荧光寿命成像、生物检测、星空探测、夜视观测、极弱光探测、遥感成像、医疗成像、监控等科技领域。

附图说明

图1是本发明的互补测量的时间分辨单光子计数成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的模拟实验结果；其中，(a)和(b)为可见光视频帧原始图像，(e)和(f)是可见光视频帧重建图像，(c)和(d)为近红外光视频帧原始图像，(g)和(h)是近红外光视频帧重建图像；

图3是本发明实施例的模拟实验结果；其中，(a)、(b)和(c)是近红外光视频帧序列，(d)、(e)和(f)对应的是每一帧的重建图像。

附图标识

1、脉冲激光器                2、光学成像系统

3、空间光调制器              4、第一组会聚收光部件

5、第二组会聚收光部件        6、可见光单光子点探测器

7、近红外光单光子点探测器    8、多通道计数器

9、随机数发生器              10、延时器

11、系统控制平台    12、数据读写存储器

13、处理模块

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

为实现上述目的，本发明提供一种互补测量的时间分辨单光子计数成像系统，该系统主要基于压缩传感理论、互补测量技术和时间分辨技术，用于对具有瞬态周期性的动态变化的物体的可见光和近红外光成分同时成像，输出按时间顺序排列的灰度视频帧序列，所述系统包含：脉冲激光器、光学成像部件、空间光调制器、两组会聚收光部件、可见光单光子点探测器、近红外光单光子点探测器、多通道计数器、随机数发生器、延时器、系统控制平台、数据读写存储器、算法模块；

光学部分：脉冲激光器每隔一段时间将激光打在物体上，激发物体荧光，荧光作为极弱光对象，该荧光由光学成像部件成像在空间光调制器（SLM）上，空间光调制器对其进行随机光调制，以一定概率将光分配到两臂出射方向上，在这两个方向上分别设置会聚收光部件、可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器，对极弱光对象的可见光成分和近红外光成分同时进行探测；

电学部分：可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器常开，输出脉冲波形，分别输入到多通道计数器上的两个计数通道上进行滤波、鉴别和累计计数脉冲尖峰个数；脉冲激光器与多通道计数器相连，激光的脉冲波形作为多通道计数器上时幅变换模块的参考脉冲输入；可选的，延时器的输出端与多通道计数器上的计数模块相连，以控制计数的门宽；系统控制平台发送指令给随机数发生器和延时器，并控制整个系统电学部分的正常运作；其中随机数发生器的输出端与空间光调制器的输入端相连，用于给空间光调制器传输随机测量矩阵；多通道计数器上的两组计数值、时间维度信息与随机数发生器上的随机测量矩阵一起作为数据读写存储器的输入，数据读写存储器的作用是将数据暂存，并输入至算法模块；算法模块根据这些数据重建出观测对象的可见光和近红外光成分的灰度视频帧序列。

可选的，可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器都工作在盖革模式，两者的安放位置可置换。

多通道计数器上有计数模块和时幅变换模块，实现计数和时间分辨功能，若采用光子到达时间方式获取时间分辨，则时幅变换模块使能，而延时器不使能；若采用延时计数门宽的方式，则时幅变换模块不使能，而延时器使能；

延时器，用于向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，可延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时的时间段作为对应瞬态周期内的时间子段，该时间分辨精度为20ps；

所述延时器可由多通道计数器中的时幅变换模块进行功能置换，该时间幅度变换模块用于将获得的光子的时间转化为电压形式并记录在对应通道中，并按光子到达时间将光子数分段划分，统计得到一个瞬态周期内各时间间隔内的多段累积计数，时间分辨精度为5ps；

在针对时间分辨精度要求不高的非周期变化对象的情况下，设物体在某一较短时间内几乎保持不变，经较长时间才逐渐改变，可采用逐帧测量的方式，即测完一帧可见光和近红外光图像后再测下一帧，时间分辨精度为秒级。

随机数发生器，用于产生对空间光调制器上随机阵列进行调制的随机数，且该随机数发生单元通过采集自然界的随机源作为随机数源，对真随机数进行处理获取随机数并输出至空间光调制器；

数据读写存储器，用于存储输入的各个子时间段或各使能门控信号时间段内的光子数、各通道的时间维度信息及相应的随机测量矩阵，从而起到读写与缓存的作用。

所述系统控制平台，用于包括各部件的使能，即发送驱动使能信号发给上述各部件使其开始正常工作；并实现激光脉冲和光子计数之间的同步；且用于控制随机阵列的变换和其上随机矩阵的更替并在瞬态周期开始前或结束后进行相应调整。

可选的，所述衰减片根据实际光强进行设置，用于将光衰减到单光子点探测器的探测范围，若极弱光光强已经在单光子点探测器的探测范围，则无需再设置衰减片。

本发明还提出一种互补测量的时间分辨单光子计数成像方法，该方法采用了压缩传感理论、互补测量技术和时间分辨技术，利用可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器进行双臂同时探测，实现单光子量级的极弱光对象的可见光和近红外光成分的灰度视频帧序列，所述方法包含如下步骤：

步骤1，用于压缩采样的步骤：

由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的会聚收光部件和单光子点探测器，单看某个时间子段，其实际的采样数M远小于该时间子段内的信号维度N，以完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样；

所述空间光调制器是指在随时间变化的电驱动信号或其它信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，其方向并不需要是某个固定角度，可限定在一定角度范围内，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，一般采用二值表征反射方向的状态，常见的空间光调制器有数字微镜器件(DMD)、液晶光阀、毛玻璃等；

步骤2，用于时间分辨的步骤，可采用以下两种策略中的任意一种：

策略一，单光子点探测器常开，保持空间光调制器固定一帧不动，以脉冲激光的脉冲波形作为时间幅度变换模块的参考脉冲，开启激光，激发物体荧光，时间幅度变换模块将光子到达时间以电压形式记录下来，记录在对应的通道中，按光子达到时间将光子数进行分段划分，统计出一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，分别对每个时间子段做算法重建，便可捕捉到一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加使相应的计数变大，依法炮制；

策略二，单光子点探测器常开，保持空间光调制器固定一帧不动，开启激光，激发物体荧光，通过延时器向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，可延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时的时间段作为瞬态周期内的时间子段，在每次瞬态周期内仅探测一次，门宽延时后再探测一次，两次的计数值作差便得到时间子段内的计数值，重复上述操作，得到一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，分别对每个时间子段做算法重建，便可捕捉到一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加使相应的计数变大，依法炮制；

步骤2，用于稀疏重建的步骤：

在每个时间子段内，将会获得可见光和近红外光的两组测量值y和y′，其中y_i和y′_i，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a′_i，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I-a，其中I是单位阵，将a_i和a′_i分别拉伸至一行，分别作为该时间子段内可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，y和y′都共计M个值，利用关联的压缩传感重建算法便可重建出该时间子段内观测对象在可见光波段和近红外光波段的灰度图像，结合时间维度信息，便可得到可见光成分和近红外光成分的空间分布动态变化的灰度视频帧序列。

其数学模型如下：

来自观测物体的光投影到空间光调制器上，在任意一臂光路上将反射光收集到一个点，在瞬态周期中的某个时间子段内，分别将待测可见光信号和近红外光信号假想为列向量：则该过程可看作两组测量矩阵和相应待测信号作内积的过程，分别得到两组观测向量其中 是系统噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则其中Ψ=[ψ₁,ψ₂,...，ψ_N]是稀疏变换矩阵（即稀疏框架），即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y,y^{\′}]=[\mathrm{A\Ψ}\stackrel{\‾}{x}+e,A^{\′}\mathrm{\Ψ}{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}+e^{\′}]$

其中AΨ,A′Ψ均需满足Restricted Isometry Property（RIP），A,A′与Ψ需不相关，由于A,A′互补，为满足上述条件，本发明中仅需将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y,y′和测量矩阵A,A′的条件下求解 这是一个NP-hard问题，但转化为l1范数或l2范数问题，便可用压缩传感的思想进行求解，算法可分许多种类型，作为范例，取其中一种常见的表述方式，描述为下式：

$\underset{\stackrel{\‾}{x}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y-\mathrm{A\Ψ}\stackrel{\‾}{x}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\τ}{\left|\right|\stackrel{\‾}{x}\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y^{\′}-A^{\′}\mathrm{\Ψ}{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\τ}{\left|\right|{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}\left|\right|}_1$

其中‖…‖_p代表范数算符，仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在该时间子段内可见光波段和近红外光波段的光强空间分布信息x和x′。

可选的，所述压缩传感算法包括：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法等；算法的核心思想是相通的，在于交替最小化和更新乘子，在算的技巧上会略有区别，以TV算法为例作算法核心思想说明：

TV模型为：

等价于s.t.Au=b且D_iu=w_i；

相应的增广拉格朗日问题为：

$\underset{w_i,u}{\min }\underset{i}{\mathrm{\Σ}}({\left|\right|w_i\left|\right|}_2-v_i^T(D_{i}u-w_i)+\frac{\mathrm{\β}}{2}{\left|\right|D_{i}u-w_i\left|\right|}_2^2)-{\mathrm{\λ}}^T(\mathrm{Au}-b)+\frac{\mathrm{\μ}}{2}{\left|\right|\mathrm{Au}-b\left|\right|}_2^2$

输入b,A,μ，β>0，初始化u=b；

当没有收敛时，通过交替方向方案（alternating direction scheme）来近似最小化增广拉格朗日功能函数，并不断更新乘子，即重复以下三步操作：

步骤(1)固定u不变，按下式计算w

$w_i=\max \{{\left|\right|D_{i}u-v_i/\mathrm{\β}\left|\right|}_2-\frac{1}{\mathrm{\β}},0\}\frac{D_{i}u-v_i/\mathrm{\β}}{{\left|\right|D_{i}u-v_i/\mathrm{\β}\left|\right|}_2}$

步骤(2)固定w不变，按下式计算u

$u=F^{-1}\left(\frac{F\left(D^{\left(1\right)}\right)*\mathrm{oF}\left(w_1\right)+F{\left(D^{\left(2\right)}\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(w_2\right)+(\mathrm{\μ}/\mathrm{\β})F{\left(A\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(b\right)}{F\left(D^{\left(1\right)}\right)*\mathrm{oF}\left(D^{\left(1\right)}\right)+F{\left(D^{\left(2\right)}\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(D^{\left(2\right)}\right)+(\mathrm{\μ}/\mathrm{\β})F{\left(A\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(A\right)}\right)$

其中，D⁽¹⁾和D⁽²⁾分别是一阶有限矩阵水平差异和垂直差异，F为二维离散傅里叶变换，*表示复数共轭，o表示数乘；

步骤(3)更新乘子： $v_i\←v_i-\mathrm{\β}(D_i\hat{u}-{\hat{w}}_i),$ $\mathrm{\λ}\←\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}(A\hat{u}-b).$

所述的关联的压缩传感算法是基于每个时间子段内的两个随机测量矩阵是互补的而提出的，核心算法思想在于将单位阵看作测量矩阵参与运算，在所述的算法思想的基础上加入修正参数，所得值再与x做符合运算，便得到x′，极大简便运算，缩小存储空间，可见光信号x与近红外光信号x′可同时获得，每个时间子段内的数据依法炮制，进而可得到可见光和近红外光灰度视频帧序列。

如图1所示，所述系统主要由光学部分和电学部分组成，光学部分用于成像、光调制、会聚收集等，电学部分用于探测、控制、时间分辨和成像等。脉冲激光器1每隔一段时间将激光打在物体上，激发物体荧光，荧光作为极弱光对象，该荧光由光学成像部件2成像在空间光调制器3上，空间光调制器3对其进行随机光调制，以一定概率将光分配到两臂出射方向上，在这两个方向上分别设置第一组会聚收光部件4、第二组会聚收光部件5、可见光单光子点探测器6和近红外光单光子点探测器7，对极弱光对象的可见光成分和近红外光成分同时进行探测，其中两个单光子点探测器的位置可以互换。在时间分辨采样时，令可见光单光子点探测器6和近红外光单光子点探测器7常开，输出脉冲波形，分别输入到多通道计数器8上的两个计数通道上进行滤波、鉴别和累计计数脉冲尖峰个数；脉冲激光器1与多通道计数器8相连，脉冲激光器1的脉冲波形作为多通道计数器8上时幅变换模块的参考脉冲输入；可选的，延时器10的输出端与多通道计数器8上的计数模块相连，以控制计数的门宽；系统控制平台11发送指令给随机数发生器9和延时器10，并控制整个系统电学部分的正常运作；其中随机数发生器9的输出端与空间光调制器3的输入端相连，用于给空间光调制器3传输随机测量矩阵；多通道计数器8上的两组计数值、时间维度信息与随机数发生器10上的随机测量矩阵一起作为数据读写存储器12的输入，数据读写存储器12的作用是将数据暂存，并输入至处理模块13；处理模块13根据这些数据重建出观测对象的可见光和近红外光成分的灰度视频帧序列。

需要说明的是，当极弱光光强超出可见光单光子点探测器6和近红外光单光子点探测器7的探测范围时，需在单光子点探测器前的任意光路位置上设置合适的衰减片，用于将光衰减到单光子点探测器的探测范围，若极弱光光强已经在单光子点探测器的探测范围内，则无需再设置衰减片。

图2是本发明实施例的模拟实验结果，目的是验证算法的可行性，该算法主要针对灰度图像，大小均为100×130，原始可见光视频帧序列和近红外光视频帧序列来自Weibo Cai,Dong-Woon Shin,Kai Chen,Olivier Gheysens,Qizhen Cao,Shan XWang,Sanjiv S.Gambhir,and Xiaoyuan Chen,Peptide-Labeled Near-Infrared QuantumDots for Imaging Tumor Vasculature in Living Subjects,Nano Lett.,2006,6(4),pp669–676。图示细胞是人类的神经母细胞癌U87MA瞬态变化过程，图2(a)和图2(b)为可见光视频帧原始图像，图2(e)和图2(f)是可见光视频帧重建图像，图2(c)和图2(d)为近红外光视频帧原始图像，图2(g)和图2(h)是近红外光视频帧重建图像。图2第二行重建图与原图的误差率分别为5.6030%、4.6603%、2.9845%和4.0099%，可见光和近红外光成分变化相结合的观察可以揭示更多的生物癌变细胞特征，有助于医疗的发展，本实例为说明本发明在未来的生物显微和荧光寿命成像中将发挥重要作用。

图3同样是本发明实施例的模拟实验结果，原始数据来自某高速公路的近红外光监控录像，图3(a)、图3(b)和图3(c)是近红外光视频帧序列，图3(d)、图3(e)和图3(f)对应的是每一帧的重建图像，大小皆为57×99，三帧所用的测量数均只占总信号维度的45%，重建的误差率分别为4.9648%、5.1076%、5.3357%。该实施例用于验证算法的可行性和重建质量。

最后需要说明的是，具体实施方式中所述算法已经经过大量实验数据验证，是真实可靠的，搭配硬件便可实现本发明的技术方案。所述所有实施例仅为对本发明进行进一步详细说明，并非绝对，可相应扩展。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改、添加、删减或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种互补测量的时间分辨单光子计数成像系统，其特征在于，所述系统包含：脉冲激光器、光学成像部件、空间光调制器、第一组会聚收光部件、第二组会聚收光部件、可见光单光子点探测器、近红外光单光子点探测器、多通道计数器、随机数发生器、系统控制平台、数据读写存储器和处理模块；

所述脉冲激光器每隔一段时间将激光打在物体上，激发物体荧光，该荧光由所述光学成像部件成像在空间光调制器上，所述空间光调制器依据随机发生器提供的随机矩阵对成像进行随机光调制，将光分配到两臂出射方向上，第一臂出射方向设置有第一组会聚收光部件和可见光单光子探测器，第二臂出射方向设置有第二组会聚收光部件和近红外光单光子探测器，用于分别对极弱光对象的可见光成分和近红外光成分同时进行探测；

所述可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器处于常开状态并向所述多通道计数器输出脉冲波形，所述多通道计数器上的两个计数通道对输入其中的信号进行滤波、鉴别和累计计数脉冲尖峰个数；

所述脉冲激光器与所述多通道计数器相连，激光的脉冲波形作为多通道计数器的参考脉冲输入；

所述系统控制平台发送指令给随机数发生器，并控制整个系统的运作；

所述随机数发生器的输出端与空间光调制器的输入端相连，用于给空间光调制器传输随机测量矩阵；

所述多通道计数器用于记录可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器探测的光子的计数值并获取时间维度信息、再将所述计数值、时间维度信息与随机数发生器上的随机测量矩阵共同作为数据读写存储器的输入，这些数据经由数据读写存储器输入至处理模块；处理模块根据这些数据通过稀疏重建出观测对象的可见光和近红外光成分的灰度视频帧序列；

其中，所述系统还包含延时器；

所述多通道计数器进一步包含：计数模块和时幅变换模块，用于实现计数和时间分辨功能，获取时间维度信息；当采用光子到达时间方式获取时间分辨，则时幅变换模块使能，而延时器不使能；当采用延时计数门宽的方式，则时幅变换模块不使能，而延时器使能；

所述延时器向所述计数模块发送门控信号，用于延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时的时间段能够作为对应瞬态周期内的时间子段，该时间分辨精度能够达到20ps；

所述延时器由多通道计数器中的时幅变换模块进行功能置换，该时间幅度变换模块用于将获得的光子的时间转化为电压形式并记录在对应通道中，并按光子到达时间将光子数分段划分，统计得到一个瞬态周期内各时间间隔内的多段累积计数，时间分辨精度达到5ps；

当被测对象为非周期变化的情况下，设物体在某一较短时间内几乎保持不变，此时采用逐帧测量的方式，即测完一帧可见光和近红外光图像后再测下一帧，时间分辨精度达到秒级。

2.根据权利要求1所述的互补测量的时间分辨单光子计数成像系统，其特征在于，所述可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器均工作在盖革模式，且两者的安放位置可置换。

3.根据权利要求1所述的互补测量的时间分辨单光子计数成像系统，其特征在于，所述随机数发生器通过采集自然界的随机源作为随机数源，对真随机数进行处理获取随机数并输出至空间光调制器；

所述数据读写存储器，用于存储输入的各个子时间段或各使能门控信号时间段内的光子数、各通道的时间维度信息及相应的随机测量矩阵，从而起到读写与缓存的作用。

4.根据权利要求1所述的互补测量的时间分辨单光子计数成像系统，其特征在于，所述系统控制平台进一步包含：

使能控制模块，用于控制各部件的使能，即发送驱动使能信号发给各部件使其开始正常工作；

同步控制模块，用于实现激光脉冲和多通道计数器的光子计数之间的同步；和

矩阵变换模块，用于控制随机阵列的变换和其上随机矩阵的更替并在瞬态周期开始前或结束后进行相应调整。

5.一种互补测量的时间分辨单光子计数成像方法，所述方法包含：

步骤101)脉冲激光器每隔一段时间将激光打在物体上，激发物体发出荧光，该荧光作为极弱光对象，所述荧光由光学成像部件成像在空间光调制器上，空间光调制器依据随机测量矩阵对其进行随机光调制后以将光分配到两臂出射方向上；

步骤102)分别利用可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器进行两臂同时探测，并采用时间分辨策略完成探测的时间分辨；

步骤103)采用多通道计数器对可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器探测的结果分别进行计数，依据所述计数值、时间维度信息与随机测量矩阵采用稀疏重建算法实现单光子量级的极弱光对象的可见光和近红外光成分的灰度视频帧序列，完成互补测量的时间分辨单光子计数成像；

其中，所述步骤102)采用如下时间分辨策略中的一种：

策略一，可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器常开，保持空间光调制器固定一帧不动，以脉冲激光的脉冲波形作为时间幅度变换模块的参考脉冲，开启激光，激发物体荧光，时间幅度变换模块将光子到达时间以电压形式记录下来，记录在对应的通道中，按光子达到时间将光子数进行分段划分，统计出一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，分别对每个时间子段做算法重建，便可捕捉到一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加使相应的计数变大，依法炮制；

策略二，可见光单光子点探测器和近红外光单光子点探测器常开，保持空间光调制器固定一帧不动，开启激光，激发物体荧光，通过延时器向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，可延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时的时间段作为瞬态周期内的时间子段，在每次瞬态周期内仅探测一次，门宽延时后再探测一次，两次的计数值作差便得到时间子段内的计数值，重复操作，得到一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，分别对每个时间子段做算法重建，便可捕捉到一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加使相应的计数变大，依法炮制；

所述步骤103)采用的稀疏重建的步骤具体包含：

在每个时间子段内，将会获得可见光和近红外光的两组测量值y和y′，其中y_i和y′_i，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a′_i，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I-a，其中I是单位阵，将a_i和a′_i分别拉伸至一行，分别作为该时间子段内可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，y和y′都共计M个值，利用关联的压缩传感重建算法便可重建出该时间子段内观测对象在可见光波段和近红外光波段的灰度图像，结合时间维度信息，便可得到可见光成分和近红外光成分的空间分布动态变化的灰度视频帧序列。

6.根据权利要求5所述的互补测量的时间分辨单光子计数成像方法，其特征在于，所述压缩传感数学模型如下：

来自观测物体的光投影到空间光调制器上，在任意一臂光路上将反射光收集到一个点，在瞬态周期中的某个时间子段内，分别将待测可见光信号和近红外光信号假想为列向量：则该过程可看作两组测量矩阵和相应待测信号作内积的过程，分别得到两组观测向量其中A,e,是系统噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则其中Ψ＝[ψ₁,ψ₂,...,ψ_N]是稀疏变换矩阵(即稀疏框架)，即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y,y^{\′}]=[\mathrm{A\Ψ}\stackrel{\‾}{x}+e,A^{\′}\mathrm{\Ψ}{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}+e^{\′}]$

其中，将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y,y′和测量矩阵A,A′的条件下求解用压缩传感的策略进行求解，所述策略采用如下算法：

$\underset{\stackrel{\‾}{x}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y-\mathrm{A\Ψ}\stackrel{\‾}{x}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\τ}{\left|\right|\stackrel{\‾}{x}\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y^{\′}-A^{\′}\mathrm{\Ψ}{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\τ}{\left|\right|{\stackrel{\‾}{x}}^{\′}\left|\right|}_1$

其中，||…||_p代表范数算符，仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在该时间子段内可见光波段和近红外光波段的光强空间分布信息x和x′。

7.根据权利要求5所述的互补测量的时间分辨单光子计数成像方法，其特征在于，所述压缩传感算法包括：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法或l₂重建算法。

8.根据权利要求5所述的互补测量的时间分辨单光子计数成像方法，其特征在于，所述的关联的压缩传感算法是基于每个时间子段内的两个随机测量矩阵是互补的而提出的，将单位阵看作测量矩阵参与运算，在压缩传感算法的基础上加入修正参数，所得值再与x做符合运算，便得到x′，简便运算，缩小存储空间，可见光信号x与近红外光信号x′可同时获得，每个时间子段内的数据依法炮制，进而可得到可见光和近红外光灰度视频帧序列。