CN105388486A - 基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统及成像方法，该鬼成像系统包括脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、射频驱动电源、光纤放大器、光纤阵列、扩束准直器、半反半透镜、接收望远镜、光电阵列探测器、信号采集模块以及信号控制与计算成像模块，脉冲激光器发出的激光被光纤耦合器分成多束相干光传输至电光相位调制器进行随机相位调制，然后传输至光纤放大器进行功率放大，经所述光纤阵列、扩束准直器及半反半透镜后照射到目标，接收望远镜收集散射光信号并汇聚到光电探测器，光电探测器输出的电信号由信号采集模块进行采样，采样数据传送至信号控制与计算成像模块。本发明的鬼成像系统作用距离远、成像速率高，解决了已有鬼成像系统存在的不足。

Description

基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统及成像方法

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种基于光纤阵列赝热光源的鬼成像系统及成像方法，可用于目标的探测与成像。

背景技术

鬼成像，又称量子成像或关联成像，是近十年发展起来的一种新型成像技术。它利用光场的关联特性来实现物体的非局域和超分辨成像。最早的鬼成像实验采用双光子纠缠源作为光源来实现物体的成像，后来利用经典的非相干光源(赝热光、热光源)来实现物体的非局域关联成像。相比产生效率低的双光子纠缠光源，热光和赝热光源普遍存在、更容易获取，因此逐渐成为研究热点。

2002年，Rochester大学的R.S.Bennink等人实现了经典光源的强度关联成像(BenninkRS,BenleySJ,BoydRW.“Two-photon”coincidenceimagingwithaclassicalsource.Phys.Rev.Lett.,2002,89:113601)。2005年利用赝热光源实现的双光子关联成像实验也被报道(见A.Valencia,G.Scarcelli,M.D’Angelo,Y.H.Shih.Two-PhotonImagingwithThermalLight.Phys.Rev.Lett.2005,94(6):063601)。此后大多数的鬼成像均采用旋转毛玻璃法产生的赝热光源。直到2008年，学者Shapiro提出了基于空间光调制器(SLM)的计算鬼成像方案(ShapiroJ.H.,Computationalghostimaging,Phys.Rev.A,2008,78(6):061802(R):1-4)；2009年，利用液晶SLM的计算鬼成像实验被报道(10.Y.Bromberg,O.Katz,andY.Silberberg,“Ghostimagingwithasingledetector,”Phys.Rev.A79,053840(2009))；2011年，陆海明研究了利用数字微镜器件(DMD)的计算鬼成像(陆明海，沈夏，韩申生.基于数字微镜器件的压缩感知关联成像研究，光学学报，2011,31(7):0711002)。申请号为201310296016的中国发明专利申请也公开了一种基于液晶SLM的压缩三维计算鬼成像系统及方法。但是现有的计算鬼成像系统均采用由空间光调制器产生(液晶SLM或DMD)的赝热光源，受限于器件的响应速度和功率阈值，存在着以下局限：产生的散斑场速率低，成像速率低；赝热光输出功率低，作用距离近。

发明内容

本发明的目的是提供一种成像速率高、作用距离远的基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统及成像方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，包括：脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、射频驱动电源、光纤放大器、光纤阵列、扩束准直器、半反半透镜、接收望远镜、光电阵列探测器、信号采集模块以及信号控制与计算成像模块，其中，所述脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、光纤放大器及光纤阵列通过单模光纤依次相连，所述电光相位调制器由所述射频驱动电源驱动，所述射频驱动电源与所述信号控制与计算成像模块相连；脉冲激光器发出的激光被所述光纤耦合器分成多束相干光传输至所述电光相位调制器进行随机相位调制，然后传输至所述光纤放大器进行功率放大，经所述光纤阵列、扩束准直器及半反半透镜后照射到目标，所述接收望远镜收集散射光信号并汇聚到所述光电探测器，光电探测器输出的电信号由信号采集模块进行采样，采样数据传送至信号控制与计算成像模块。

进一步的，所述光纤阵列由剥去外保护层的单模裸光纤集束而成。

进一步的，所述单根裸纤模场直径为5微米。

进一步的，所述脉冲激光器采用可见光或近红外脉冲光纤激光器。

进一步的，所述电光相位调制器为LiNbO₃相位调制器。

进一步的，所述光纤放大器为有源放大器。

进一步的，所述光电阵列探测器为PIN或APD阵列探测器。

进一步的，所述射频驱动电源输出电压的最大值和最小值分别对应所述电光相位调制器的正负半波电压。

进一步的，所述脉冲激光器输出光脉冲的重复频率与射频驱动电源输出信号的变化频率一致。

根据前述基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统的成像方法，包括以下步骤：

脉冲激光器输出激光，将脉冲激光器输出的激光分成若干束相干光；

电光相位调制器对多束相干光进行相位调制；

调制后的光束放大后经由光纤阵列形成赝热光场，并照射到目标上；

光电探测器接收目标的光散射信号，信号采集模块采集信号并将信号传输至信号控制与计算成像模块，由信号控制与计算成像模块根据采集到的数据进行成像；

利用接收信号和参考光场分布恢复出目标图像，步骤如下：

a、根据光纤阵列光束的几何分布和调制相位，利用光纤阵列输出的赝热光场强度分布计算采样t时刻第m次采样的散斑场I_R,m：

其中，I_p,m为光电阵列探测器的第p个阵元、目标图像对应的参考光场矩阵，p＝1,…,P，P为光电阵列探测器每行(列)阵元个数；

b、获取采样后光电阵列探测器每个阵元输出的电信号；

c、获取光电阵列探测器每个阵元恢复的目标局部图像矩阵；

d、将光电阵列探测器所有阵元得到的目标局部图像矩阵进行拼接，得到目标的完整图像：

G_p为第p个阵元恢复的目标局部图像矩阵。

由以上技术方案可知，本发明的鬼成像系统采用多光束合成方式和光纤放大器，可以输出高亮度的赝热光场，作用距离远，并采用高灵敏度的光电阵列探测器，可对远距离目标进行计算成像；成像速率高，输出光场强度起伏速率高，同时采用阵列探测器，分割目标视场，降低样本需求，进而提高成像速率，解决了已有鬼成像系统存在的不足。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例光纤阵列的示意图；

图3为本发明实施例探测器的示意图；

图4为本发明实施例赝热光源的归一化强度关联系数图；

图5为本发明实施例赝热光源的散斑场强度空间分布图；

图6为计算成像仿真时采用的目标反射率模型图；

图7为仿真成像得到的强度关联算法的成像结果图；

图8为仿真成像得到的压缩感知算法的成像结果图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明的基于光纤阵列光束赝热光的鬼成像系统包括脉冲激光器1、光纤耦合器2、电光相位调制器4、射频驱动电源5、光纤放大器6、光纤阵列7、扩束准直器8、半反半透镜9、接收望远镜10、光电阵列探测器11、信号采集模块12以及信号控制与计算成像模块13，其中，脉冲激光器1、光纤耦合器2、电光相位调制器4、光纤放大器6及光纤阵列7通过单模光纤3依次相连。

脉冲激光器1输出的激光被光纤耦合器2分为N束相干光后，沿单模光纤3传输。电光相位调制器4为高速率电光调制器，电光相位调制器4由射频驱动电源5驱动，被光纤耦合器2分成若干束的相干光沿单模光纤3传输至电光相位调制器4后，利用由射频驱动电源5驱动的电光相位调制器4实现N个相干光束的快速时变随机相位调制，射频驱动电源5的输出由信号控制与计算成像模块13控制，射频驱动电源5输出电压的最大值和最小值分别对应电光相位调制器的正负半波电压。调制后的N束相干光传输至光纤放大器6，由光纤放大器6对每束光进行功率放大后传输至光纤束阵列7，光束经由光纤阵列7空间辐射叠加形成快速时变的散斑场，即赝热光场，最后经扩束准直器8和半反半透镜9后照射到目标，散射光信号经接收望远镜10收集汇聚到光电探测器11，光电探测器11输出的电信号由信号采集模块12进行数字采样，采样数据传送至信号控制与计算成像模块13，完成参考光场计算与成像处理。

本发明的光纤束阵列7由剥去外保护层的裸光纤集束而成，光纤束阵列可根据输出光场的需要选择合适的排布方式，如圆环形阵列、均匀方形阵列等。如图2所示，本实施例的光纤束阵列为N＝S×S(S＝5)的方形阵列，单根裸纤模场直径5微米。光电阵列探测器采用高灵敏度、低像素的PIN或APD阵列探测器，如图3所示，本实施例的光电阵列探测器采用5*5的APD阵列(InGaAs),可以避免成像模糊。

本发明的脉冲激光器1采用可见光或近红外激光器，如波长为1064nm或1310nm或1550nm的脉冲激光器，脉冲激光器输出光脉冲的重复频率与射频驱动电源输出信号的变化频率一致。本实施例的脉冲激光器1采用波长为1550nm的脉冲光纤激光器，电光相位调制器4采用Photeline公司的LiNbO₃相位调制器，其最大调制速率10吉赫兹(GHz)，半波电压＜10V。射频驱动电源输出25路随机电压信号至电光相位调制器，输出电压范围-10～10V，输出信号的变化频率与脉冲激光器输出光脉冲的重复频率一致。光纤放大器采用输出功率较大的有源放大器，如Thorlab公司的掺铒有源放大器(EDFA)。

本发明的信号采集模块12由多路模数转换器(ADC)及放大滤波电路构成，信号采集模块与激光器时间同步；信号控制与计算成像模块13包括两部分功能：一是随机调制电压参数，并据此计算出参考光场分布；二是利用接收信号和参考光场分布恢复出目标图像。

本发明中，t时刻随机相位φ_n(t)调制下光纤阵列输出的赝热光场强度分布I(ξ,η；t)为：

$I(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η};t)={\left|F(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η};t)\right|}^2=F(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η};t)F^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η};t)$

$={\mathrm{\π}}^2{w}_0^4\exp \left(-k^2{w}_0^2\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{2D^2}\right){\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_n\exp \left(-j\frac{k}{D}\left(x_n\mathrm{\ξ}+y_n\mathrm{\η}\right)\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_n\left(t\right)\right)\right|}^2,$ 其中，F(ξ,η；t)表示光场分布，w₀为模场直径，即光纤端面(x-y平面位置)输出光束的大小，(x_n,y_n)为第n个光束的坐标，(ξ,η)为空间坐标，k为空间波数，D为光纤阵列与扩束准直器(即ξ-η平面位置)之间的距离，a_n为第n个光束的幅度，φ_n(t)为第n个光束预设的多相编码信号，j为虚数单位；

光纤阵列输出的赝热光场的强度关联系数I_RX(ξ,η)为：

$I_{RX}\left(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η}\right)=S^2{\left|\sin \left(\frac{Skd\mathrm{\ξ}}{2D}\right)\sin \left(\frac{Skd\mathrm{\η}}{2D}\right)\right|}^2{\left|\sin \left(\frac{kd\mathrm{\ξ}}{2D}\right)\sin \left(\frac{kd\mathrm{\η}}{2D}\right)\right|}^{-2},$ 其中，S²为光束个数，d为光束间距；本实施例中光纤阵列为方形，对于方形阵列，光束个数为S*S；

由于光束间距d远远大于激光波长，因此光纤阵列输出的赝热光场的强度关联系数是周期性的，采用光电阵列探测器接收时，探测器的每个像元只负责目标视场的一部分(要求与关联系数相匹配，如图3所示)，可以避免计算关联时出现模糊问题。

下面对基于本发明鬼成像系统的成像方法详细说明如下，本发明成像方法的步骤如下：

脉冲激光器输出激光，将脉冲激光器输出的激光分成若干束相干光；

电光相位调制器对多束相干光进行相位调制，相位调制信号为多相编码伪随机信号，射频驱动电源输出的电压信号与调制相位对应；

调制后的光束放大后经由光纤阵列形成赝热光场，并照射到目标上；

光电探测器接收目标的光散射信号，信号采集模块采集信号并将信号传输至信号控制与计算成像模块，由信号控制与计算成像模块根据采集到的数据进行成像；

利用接收信号和参考光场分布恢复出目标图像，步骤如下：

a、根据光纤阵列光束的几何分布和调制相位，利用光纤阵列输出的赝热光场强度分布I(ξ,η；t)计算采样t时刻第m次采样的散斑场I_R,m，即参考光场分布：

其中，I_p,m为光电阵列探测器的第p个阵元、目标图像对应的参考光场矩阵，I_p,m＝[I_p,m(u,v)]_L×L，I_p,m(u,v)为参考光场矩阵I_p,m的第(u,v)个元素，u＝1,2,…,L，v＝1,2,…,L，L*L为光电阵列探测器中单个阵元获得的图像的分辨率，p＝1,…,P，P为光电阵列探测器每行(列)阵元个数，P*P为光电阵列探测器的总阵元个数，本实施例中P＝5；

b、获取采样后光电阵列探测器每个阵元输出的电信号；

第p个阵元输出的电信号I_O,p＝[I_O,p(m)]_M×1，其中，I_O,p(m)为矩阵I_O,p的第m个元素，m＝1,2,…,M，M为采样个数，即进行M次相位调制；

c、获取光电阵列探测器每个阵元恢复的目标局部图像矩阵；

第p个阵元恢复的目标局部图像矩阵G_p＝[G_p(u,v)]_L×L可采用采样强度关联算法或压缩感知算法获得，G_p(u,v)为矩阵G_p的第(u,v)个元素，G_p的维数为L*L；

采样强度关联算法： $G_p(u,v)=\frac{{\&lsqb;I_{O,p}-<I_{O,p}>\&rsqb;}^T\&lsqb;I_{R,p}(u,v)-<I_{R,p}(u,v)>\&rsqb;}{M\&CenterDot;std\left(I_{O,p}\right)std\left(I_{R,p}(u,v)\right)},$ 其中，I_o,p为光电阵列探测器中第p个阵元输出的电信号，I_R,p(u,v)为目标图像第(u,v)像素对应的参考光强时间序列，<*>表示算术平均，std(*)表示求时间序列的标准偏差，I_R,p(u，v)＝[I_p,1(u,v)…I_p,m(u,v)…I_p,M(u,v)]^T；

压缩感知算法：argmin||vec(G′_p)||₁,subjecttoI_O,p＝M_S·vec(G′_p)，其中，vec(*)表示将矩阵按列转换成列向量，M_S为测量矩阵，M_S＝[vec(I_p,1(u,v))…vec(I_p,m(u,v))…vec(I_p,M(u,v))]^T，G'_p为G_p的优化结果，本例中利用l₁范数优化；

d、将光电阵列探测器所有阵元得到的目标局部图像矩阵进行拼接，得到目标的完整图像：

图4和图5为本实施例产生的赝热光源的特性图，图6为计算成像仿真时采用的目标反射率模型图，图7为本实施例鬼成像系统样本数M＝512的仿真成像得到的强度关联算法的成像结果图，图8为本实施例鬼成像系统样本数M＝96的仿真成像得到的压缩感知算法的成像结果图。由图4至图8可看出，本发明成像时利用光电阵列探测器可以有效地避免关联函数周期分布产生的成像模糊问题，强度关联和压缩感知算法都可以有效对目标图像进行恢复，相比之下，压缩感知算法需要的采样数更少，成像质量更高，而强度关联算法则具有简单易实现的优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，其特征在于，包括：脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、射频驱动电源、光纤放大器、光纤阵列、扩束准直器、半反半透镜、接收望远镜、光电阵列探测器、信号采集模块以及信号控制与计算成像模块，其中，所述脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、光纤放大器及光纤阵列通过单模光纤依次相连，所述电光相位调制器由所述射频驱动电源驱动，所述射频驱动电源与所述信号控制与计算成像模块相连；

脉冲激光器发出的激光被所述光纤耦合器分成多束相干光传输至所述电光相位调制器进行随机相位调制，然后传输至所述光纤放大器进行功率放大，经所述光纤阵列、扩束准直器及半反半透镜后照射到目标，所述接收望远镜收集散射光信号并汇聚到所述光电探测器，光电探测器输出的电信号由信号采集模块进行采样，采样数据传送至信号控制与计算成像模块。

2.如权利要求1所述的基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，其特征在于：所述光纤阵列由剥去外保护层的单模裸光纤集束而成。

3.根据权利要求2所述的基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，其特征在于：所述单根裸纤模场直径为5微米。

4.根据权利要求1所述的基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，其特征在于：所述脉冲激光器采用可见光或近红外脉冲光纤激光器。

5.根据权利要求1所述的基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，其特征在于：所述电光相位调制器为LiNbO₃相位调制器。

6.根据权利要求1所述的基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，其特征在于：所述光纤放大器为有源放大器。

7.根据权利要求1所述的基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，其特征在于：所述光电阵列探测器为PIN或APD阵列探测器。

8.根据权利要求1所述的基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，其特征在于：所述射频驱动电源输出电压的最大值和最小值分别对应所述电光相位调制器的正负半波电压。

9.根据权利要求1所述的基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，其特征在于：所述脉冲激光器输出光脉冲的重复频率与射频驱动电源输出信号的变化频率一致。

10.根据权利要求1至9任一项所述基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

脉冲激光器输出激光，将脉冲激光器输出的激光分成若干束相干光；

电光相位调制器对多束相干光进行相位调制；

调制后的光束放大后经由光纤阵列形成赝热光场，并照射到目标上；

光电探测器接收目标的光散射信号，信号采集模块采集信号并将信号传输至信号控制与计算成像模块，由信号控制与计算成像模块根据采集到的数据进行成像；

利用接收信号和参考光场分布恢复出目标图像，步骤如下：

a、根据光纤阵列光束的几何分布和调制相位，利用光纤阵列输出的赝热光场强度分布计算采样t时刻第m次采样的散斑场I_R,m：

其中，I_p,m为光电阵列探测器的第p个阵元、目标图像对应的参考光场矩阵，p＝1,…,P，P为光电阵列探测器每行(列)阵元个数；

b、获取采样后光电阵列探测器每个阵元输出的电信号；

c、获取光电阵列探测器每个阵元恢复的目标局部图像矩阵；

d、将光电阵列探测器所有阵元得到的目标局部图像矩阵进行拼接，得到目标的完整图像：

G_p为第p个阵元恢复的目标局部图像矩阵。