CN104284180B - Ccd相机强度-涨落关联成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CCD相机强度-涨落关联成像方法，将CCD相机对目标曝光各像素单元感应光子数信息采集并存储，按时间顺序将曝光时间划分为若干短时间窗，基于时间窗分别对各像素单元做光子数的统计分析，计算曝光时间内光子数及对应信息值的统计平均值和各时间窗口内的总和及涨落；各像素单元的存储信息按照光子数相对于平均值的大小分为正、负两组。对CCD的两个不同像素单元(可选择)之间曝光时间内各窗口计算光子数的关联或涨落关联，在此基础上计算两个像素单元之间归一化的光强度关联或其涨落关联，进而由热光关联成像的原理和方法得到目标的像。所得目标的像可以抗大气湍流扰动，具有热光量子鬼成像的分辨率以及接近100%或100%对比度。

Description

CCD相机强度-涨落关联成像方法

技术领域

本发明属于光成像技术领域，涉及一种无需采用大孔径透镜即可获取高分辨率、高对比度和抗大气湍流扰动图像的CCD相机强度-涨落关联成像方法。

背景技术

在遥感、天文、侦察、制导、科研、生产以及日常生活中，照相是获取影像的基本手段。但在许多实际情况和应用环境中，由于大气湍流扰动使影像模糊，影响成像质量，另外，传统的采用经典成像方法的制式相机的成像分辨率受到基本物理原理——瑞利衍射极限的限制。根据阿贝尔原理，基于透镜的相机，其成像分辨率与透镜的数值孔径成正比，要获得远距离高分辨率的像，就需要加大透镜的焦距和口径，但孔径太大不仅导致设备体积和重量的巨大负担，在卫星等特殊成像环境下不便应用，而且大孔径光学成像系统的价格也过于昂贵。综上所述，就本技术领域而言，如何提高成像质量特别是远距离成像的分辨率并实现突破经典极限的限制，长期以来一直是人们向往的目标。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种CCD相机强度-涨落关联成像方法，该成像方法通过在强度-涨落关联成像中减去受到湍流扰动变模糊的经典像的部分，保留不受扰动的部分，进而获取清晰图像，同时，该方法具有量子鬼关联像的特点，其分辨率不受经典瑞利衍射极限限制，即分辨率不受透镜孔径限制，高分辨率，抗扰动能力强，此外，采用本发明所述分辨率可获得高对比度像。

为实现上述发明目的而提出的CCD相机强度-涨落关联成像方法包括以下步骤：

1、将具有电荷耦合器件CCD的CCD相机光学系统的镜头对准待测目标取景，对待测目标照相曝光后，电荷耦合器件CCD通过CCD相机光学系统接收到待测目标反射或发射光子并将其转化为电信号；

2、将CCD各像素单元曝光光子数的输出信号按时序用数据采集卡采集并存储，通过计算机及软件将曝光时间划分为若干短时间窗口，根据各像素单元在各时间窗口内的光子总数计算每个像素单元的平均光子数(具体做法是：记录一个像素单元各时间窗口中的光子数，累计相加得到总光子数，除以时间窗口数目，得到各时间窗口的平均值)，将各像素单元时间窗口平均光子数与各时间窗口光子数比较，大于或小于平均值的数值为涨落，且据此对像素单元时间窗口内的数据分类：大于平均值的为正，小于平均值的为负；

3、在各像素单元中选定的两个像素单元，用计算机及软件对于选定的两个像素单元就同步时间窗口中的光子数或涨落的乘积进行计算：分别计算正-正、负-负、正-负、负-正的乘积，并将其按像素单元在曝光时间内归一化；

4、按照像素单元间光场强度-强度关联公式和光场强度涨落-涨落关联公式的统计计算公式，即下文具体实施方式中的公式(5)、(6)，分别计算所选定的两个像素单元之间的光场强度-光场强度关联和光场强度涨落-涨落关联；

5、利用以上计算获得的两个像素单元之间的光场强度-光场强度关联和光场强度涨落-涨落关联的结果，按照热光关联成像(热光鬼成像)原理和方法，即可在图像显示器或图像输出设备中得到目标的关联像。

本发明进一步的技术解决方案还在于：通过计算机及软件将CCD接收光时间均匀划分为小的时间段，即标记为Δt₁,Δt₂,…,Δt_j,…的时间窗口，由上述步骤1得到的光子测量数据信息首先存储到CCD的寄存器中，然后通过计算机与CCD的接口在一系列短的时间窗口内由数据采集卡按各像素单元曝光光子数输出信号时序采集并存储；在各像素单元中选定的两个像素单元A和B，像素单元A和B接收照射光子的计数分别为n_jA和n_jB，j是时间窗口编号；利用计算机或图像卡软件计算CCD每个像素单元接收光时间内的平均光子数目和接着，使每个像素单元中的平均光子数与各时间窗口中实际光子数进行比较，将每个时间窗内的光子数分为“正”和“负”，即“正”、“负”确认：

其中j表示窗口编号，α＝A或者B，光子数n及其涨落Δn分别对应于光场强度和它的涨落；

将两个像素单元的光场强度及其涨落组合分组：正的为一组，负的为另一组，即，和表示两个像素单元都是正和都是负，对应于和 和表示两个像素单元的涨落都是正和都是负，对应于和

在A和B像素单元和通道时间窗同步校准之后，计算两个像素单元之间同步时间窗内强度涨落-涨落关联的数值

${\mathrm{\ΔR}}_{jPP}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(+)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(+)},{\mathrm{\ΔR}}_{jPN}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(+)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(-)},$

${\mathrm{\ΔR}}_{jNP}={\mathrm{\Δn}}_j^{(-)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(+)},{\mathrm{\ΔR}}_{jNN}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(-)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(-)},$

或在每个同步的时间窗中计算得到A和B两个像素单元之间四个强度-强度关联的数值

$R_{jPP}=n_{jA}^{(+)}\×n_{jB}^{(+)},R_{jPN}=n_{jA}^{(+)}\×n_{jB}^{(-)},$

$R_{jNP}=n_{jA}^{(-)}\×n_{jB}^{(+)},R_{jNN}=n_{jA}^{(-)}\×n_{jB}^{(-)},$

由照相过程中CCD测量的数据得到两两像素单元间归一化的光场强度涨落-涨落关联和光场强度-强度关联的数值

其中S＝P或者N，S'＝P或者N，N_win是照相时间内同步短时间窗的总数；

像素单元A和B之间光场强度涨落-涨落关联B_FF和光场强度-强度关联B_PN的统计计算分别按照下面公式进行

按照热光关联成像(热光鬼成像)原理和方法，由上式计算得到的光场强度涨落-涨落关联和光场强度-强度关联与CCD像素单元对应，其中为0的像素单元，不显示图像，即背景；不为0的像素单元为图像的一个像素，据此即可在图像显示器或图像输出设备中得到目标的关联像。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下所述。

本发明提出一种不用分束器即能够在CCD成像系统上实现的量子关联成像的方法，所成目标的像具有量子关联成像分辨率不受经典光学衍射极限限制及抗大气湍流扰动的特点。本发明利用大面积热光源，如太阳，不需要大数值孔径的透镜，即可得到高分辨率的像。夏天灼热阳光下的柏油马路和沙漠中，空气温度和密度分布不均匀，无论是人的视觉还是照相机均难以得到清晰的像，而本发明的方法不受这种环境的影响，可以清晰成像。大气中远距离成像，例如遥感和远距离观测，由于大气湍流随机改变沿着光传播路径的折射率，产生几何形变，所成的像会变模糊，本发明的成像方法在这种情况下，不受大气湍流扰动，仍可以获得目标清晰的像，其成像分辨率不受经典成像瑞利判据限制，具有热光量子鬼成像的高分辨率，所成关联像的对比度为100％或接近100％。

附图说明

图1为本发明成像系统的结构示意图。

图中各数字标号的名称分别是：1－CCD相机光学系统，2－电荷耦合器件CCD，3－数据采集卡，4－计算机，5－联合检测的符合算法和软件，6－图像显示器，7－待测目标。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际应用形式并不仅限于下述的实施例。

参阅图1，用于实现本发明的成像系统包括CCD相机的光学系统1，该光学系统将待测目标7反射或发射光照射到电荷耦合器件CCD2上。电荷耦合器件CCD可以将各像素单元受到照射的光子数目信息转变换为电信号(模拟或数字)，存储到寄存器，放大和输出。数据采集卡3通过数据线和接口按照像素单元和时间顺序采集CCD输出信息并存储,再由计算机4和数据统计处理软件对CCD输出和存储的像素单元接收光子数信息进行处理。

本发明对CCD输出和存储的像素单元接收光子数信息进行处理的主要内容和流程如下。

首先将CCD接收光的时间均匀划分为小的时间段，即时间窗口，例如1ms的时间窗口，窗口数目约为10万个。在一系列短的时间窗口()内，对CCD的各像素单元接收照射光子的数目信息按照前述的公式由软件统计处理。处理的内容包括计算CCD每个像素单元接收光时间内的平均光子数目,具体方法是在各像素单元中选定的两个像素单元A和B，像素单元A和B接收照射光子的计数分别为n_jA和n_jB，j是时间窗口编号；利用计算机或图像卡软件计算CCD每个像素单元接收光时间内的平均光子数目和通过比较像素单元平均光子数与每个时间窗口内实际光子数，将每个时间窗内的光子数分为“正”和“负”，即“正”、“负”确认：

式(1)中j表示窗口编号，α＝A或者B，光子数n及其涨落Δn分别对应于光场强度和它的涨落。这样得到的每个像素单元，每个窗口内的数据有正和负的光子数，正的和负的光子数涨落(即光子数与平均值差)，分别对应于像素单元接收光场的强度和强度涨落。

将两个像素单元的光场强度及其涨落组合分组：正的为一组，负的为另一组，即，和表示两个像素单元都是正和都是负，对应于和 和表示两个像素单元的涨落都是正和都是负，对应于和

在A和B像素单元和通道时间窗同步校准之后，利用数值软件可进一步计算两个像素单元之间同步时间窗内强度涨落-涨落关联的数值：

${\mathrm{\ΔR}}_{jPP}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(+)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(+)},{\mathrm{\ΔR}}_{jPN}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(+)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(-)},$

${\mathrm{\ΔR}}_{jNP}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(-)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(+)},{\mathrm{\ΔR}}_{jNN}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(-)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(-)},---\left(2\right)$

或在每个同步的时间窗中计算得到A和B两个像素单元之间四个强度-强度关联的数值：

$R_{jPP}=n_{jA}^{(+)}\×n_{jB}^{(+)},R_{jPN}=n_{jA}^{(+)}\×n_{jB}^{(-)},$

$R_{jNP}=n_{jA}^{(-)}\×n_{jB}^{(+)},R_{jNN}=n_{jA}^{(-)}\×n_{jB}^{(-)},---\left(3\right)$

由照相过程中CCD测量的数据得到两两像素单元间归一化的光场强度涨落-涨落关联和光场强度-强度关联的数值

其中S＝P或者N，S'＝P或者N，N_win是照相时间内同步短时间窗的总数；

像素单元A和B之间光场强度涨落-涨落关联B_FF和光场强度-强度关联B_PN的统计计算分别按照下面公式进行

按照热光关联成像(热光鬼成像)原理和方法，由上式计算得到的光场强度涨落-涨落关联和光场强度-强度关联与CCD像素单元对应，其中为0的像素单元，不显示图像，即背景；不为0的像素单元为图像的一个像素，据此即可在图像显示器或图像输出设备中得到目标的关联像。

Claims (1)

1.一种CCD相机强度-涨落关联成像方法，其特征在于包括以下步骤：

1.1将具有电荷耦合器件CCD(2)的CCD相机光学系统(1)的镜头对准待测目标(7)取景，对待测目标(7)照相曝光后，电荷耦合器件CCD(2)通过CCD相机光学系统(1)接收到待测目标(7)反射或发射光子并将其转化为电信号；

1.2将CCD各像素单元曝光光子数的输出信号按时序用数据采集卡(3)采集并存储，通过计算机(4)及软件将曝光时间划分为若干短时间窗口，根据各像素单元在各时间窗口内的光子总数计算每个像素单元的平均光子数，将各像素单元时间窗口平均光子数与各时间窗口光子数比较，大于或小于平均值的数值为涨落，且据此对像素单元时间窗口内的数据分类：大于平均值的为正，小于平均值的为负；

具体为：通过计算机及软件将CCD接收光时间均匀划分为小的时间段，即标记为Δt₁,Δt₂,…,Δt_j,…的时间窗口，由步骤1.1得到的光子测量数据信息首先存储到CCD的寄存器中，然后通过计算机(4)与CCD的接口在一系列短的时间窗口内由数据采集卡(3)按各像素单元曝光光子数输出信号时序采集并存储；在各像素单元中选定的两个像素单元A和B，像素单元A和B接收照射光子的计数分别为n_jA和n_jB，j是时间窗口编号；利用计算机或图像卡软件计算CCD每个像素单元接收光时间内的平均光子数目和接着，使每个像素单元中的平均光子数与各时间窗口中实际光子数进行比较，将每个时间窗内的光子数分为“正”和“负”，即“正”、“负”确认：

其中j表示窗口编号，α＝A或者B，光子数n及其涨落Δn分别对应于光场强度和它的涨落；

1.3在各像素单元中选定的两个像素单元，用计算机(4)及软件对于选定的两个像素单元就同步时间窗口中的光子数或涨落的乘积进行计算：分别计算正-正、负-负、正-负、负-正的乘积，并将其按像素单元在曝光时间内归一化；

具体为：将两个像素单元的光场强度及其涨落组合分组：正的为一组，负的为另一组，即，和表示两个像素单元都是正和都是负，对应于和 和表示两个像素单元的涨落都是正和都是负，对应于和

在A和B像素单元和通道时间窗同步校准之后，计算两个像素单元之间同步时间窗内强度涨落-涨落关联的数值

${\mathrm{\ΔR}}_{jPP}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(+)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(+)},{\mathrm{\ΔR}}_{jPN}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(+)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(-)},$

${\mathrm{\ΔR}}_{jNP}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(-)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(+)},{\mathrm{\ΔR}}_{jNN}={\mathrm{\Δn}}_{jA}^{(-)}\×{\mathrm{\Δn}}_{jB}^{(-)},$

或在每个同步的时间窗中计算得到A和B两个像素单元之间四个强度-强度关联的数值

$R_{jPP}=n_{jA}^{(+)}\×n_{jB}^{(+)},R_{jPN}=n_{jA}^{(+)}\×n_{jB}^{(-)},$

$R_{jNP}=n_{jA}^{(-)}\×n_{jB}^{(+)},R_{jNN}=n_{jA}^{(-)}\×n_{jB}^{(-)},$

由照相过程中CCD测量的数据得到两两像素单元间归一化的光场强度涨落-涨落关联和光场强度-强度关联的数值

其中S＝P或者N，S'＝P或者N，N_win是照相时间内同步短时间窗的总数；

1.4按照像素单元间光场强度-强度关联公式和光场强度涨落-涨落关联公式的统计计算公式分别计算所选定的两个像素单元之间的光场强度-光场强度关联和光场强度涨落-涨落关联；

具体为：像素单元A和B之间光场强度涨落-涨落关联B_FF和光场强度-强度关联B_PN的统计计算分别按照下面公式进行

1.5利用以上计算获得的两个像素单元之间的光场强度-光场强度关联和光场强度涨落-涨落关联的结果，按照热光关联成像原理和方法，即可在图像显示器(6)或图像输出设备中得到目标的关联像；

具体为：按照热光关联成像原理和方法，由上式计算得到的光场强度涨落-涨落关联和光场强度-强度关联与CCD像素单元对应，其中为0的像素单元，不显示图像，即背景；不为0的像素单元为图像的一个像素，据此即可在图像显示器(6)或图像输出设备中得到目标的关联像。