CN105807289A - 基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统及成像方法，包括光源；用于将光源发出的光进行随机二进制强度调制，形成在自由空间强度随机涨落分布的光场的电光调制器阵列调制系统；用于探测光场经目标待测物体反射或透射后所得的总光强，并转化为和总光强相关的电信号的单点光强探测器；用于获取电信号并得到总光强值强度涨落信息的数据采集模块；以及用于控制电光调制器阵列调制系统与数据采集模块间的数据同步，之后进行关联计算得到目标待测物体图像的数据同步与处理模块。本发明使用电光调制器阵列调制系统来对光进行调制，调制速度快，提高预置光源刷新频率的效果，使得刷新率至少提高到兆赫兹量级，提高成像结果和成像质量。

Description

基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统及成像方法

【技术领域】

本发明属于量子关联成像技术领域，具体涉及基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统及成像方法。

【背景技术】

关联成像是一个兴起于近十几年的研究新课题。最早的关联成像方案使用了纠缠双光子作为光源并且具有非定域成像和突破瑞利衍射极限等奇特的特性，并因此得到人们的广泛关注。人们在最近的研究进展中打破了纠缠光源的限制，使用到了更普遍存在以及更容易获得的赝热光源、热光源来实现关联成像，得到了与纠缠光源关联成像的相似性质并且引起了学术界的广泛讨论。

关联成像包含了呈现物体的空间分布图像，呈现物体的衍射干涉图像和傅里叶变换图像等。总而言之，关联成像是通过光场的高阶性质(即强度涨落关联)来获得物体信息，并且这种信息在关联成像的系统装置中是无法从低阶的光场关联中得到的。因为鬼成像具有抗湍流扰动能力和可无透镜成像等诸多优点，因此其在对地观测、保密通信、雷达成像、生命科学等领域具有极其广泛的应用前景和应用价值。

最初实验中所有的关联成像的装置都需要使用两路探测器来探测具有一定的关联性的两个光场，最终得到物体的像。美国麻省理工大学的沙皮罗(Shapiro)在2008年时给出了一种新的成像方案：仅使用一个点(单像素)探测器来完成成像。实验使用激光照射在空间光调制器(SLM)上产生随机分布的光斑，代替赝热光用激光照射旋转毛玻璃产生散斑的方式，如图1所示。所采用的空间光调制器，就是可以人为控制对于入射光的相位、强度等信息进行调制的设备。已知的调制光强信息可以保存在计算机中，这种光源称之为预置式主动光源。以前方案中的光源的强度是未知的、被动式光源，其光源强度也只能通过探测得到。在装置中保留的一路是探测光路，即有物体以及桶探测器的一路，而原来的参考光路被取消。可以通过已知的对于激光的空间调制，利用衍射理论计算得到在适当位置的光强的分布，而传统的关联成像是通过在相同位置的点阵探测器得到的。

计算关联成像所面临的最大问题在于光源的刷新率无法达到实际应用当中所需的速度，在已有的计算鬼成像实验当中，产生随机分布光斑的装置是液晶电光调制的空间光调制器或者投影仪当中微镜面反射芯片(DMD)，两者的刷新率最快仅能达到几百赫兹，不足以满足实际应用中快速成像的需要。传统的计算鬼成像所面临的最大问题在于目前所用光源(SLM空间光调制器、DMD数字微镜面装置)的刷新率无法达到实际应用当中所需的速度，已有的计算鬼成像实验当中，产生随机分布光斑的装置是液晶电光调制的空间光调制器或者投影仪当中微镜面反射芯片(DMD)，两者的刷新率最快仅能达到千赫兹量级，不足以满足实际应用中快速成像的需要，也严重影响了成像速度。主要原因如下：

1、传统计算鬼成像中所采用的DMD芯片在实际应用中在产生散斑场时的帧率较低，仅为50-60Hz，也就是一秒钟产生50-60张散斑场分布图样。而在具体计算鬼成像的实验当中，要获得轮廓清晰的像至少需要千张量级的散斑分布图样才可能实现，成像时间过长，而且成像的物体复杂程度也会使得所需散斑分布图样增加。

2、传统计算鬼成像中采用的光调制设备空间光调制器(SLM)为液晶光阀，如图2所示，其调制速度也仅有500Hz，也远达不到在实际应用中快速成像的需求。

3、空间分辨能力探测器8(CCD)具有位置信息的探测器，成本较高。

【发明内容】

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种基于预置可调制光源的高速关联成像系统，本发明使用电光调制器阵列调制系统对光进行快速调制，产生散斑场，达到快速成像的目的。

本发明成像系统所采用的技术方案是：

包括：

光源；

用于将光源发出的光进行随机强度调制，形成在自由空间强度随机涨落分布的光场的电光调制器阵列调制系统；

用于探测电光调制器阵列调制系统形成的光场经目标待测物体反射或透射后所得的总光强，并转化为和总光强相关的电信号的单点光强探测器；

用于获取电信号并进行放大，得到总光强值强度涨落信息的数据采集模块；

以及用于控制电光调制器阵列调制系统与数据采集模块间的数据同步，之后进行关联计算得到目标待测物体图像的数据同步与处理模块。

进一步地，光源采用激光器。

进一步地，电光调制器阵列调制系统为N×N二维电光调制器阵列组成，其中N≥2；且电光调制器单元采用铌酸锂电光调制器、磷酸二氢钾电光调制器、磷酸二氢铵电光调制器或者钽酸锂电光调制器。

进一步地，目标待测物体和单点光强探测器之间设置有透镜。

进一步地，单点光强探测器采用光电倍增管、光电二极管或光电导器件。

进一步地，所述数据采集模块由前置转换放大电路与数据采集卡组成。

进一步地，数据采集卡含有能够通过外部的同步信号来触发采集操作进行的触发采集端口。

本发明成像方法采用如下技术方案：

包括以下步骤：

(a)光源照射到电光调制器阵列调制系统上；

(b)电光调制器阵列调制系统在数据同步和处理模块的驱动和控制下载入预置随机图，并调制光源发出的光，形成空间涨落随机的强度分布光场；

(c)电光调制器阵列调制系统的出射光经目标待测物体反射或透射到透镜并汇聚到单点光强探测器上；

(d)单点光强探测器探测到总光强值并转换成与总光强值正相关的电流信号；

(e)数据采集模块接收电流信号并转化为电压信号，同时进行信号放大，得到总光强值涨落信息；

(f)由数据同步与处理模块控制电光调制器阵列调制系统与数据采集模块之间的数据同步，关联计算后得到待测目标待测物体的图像。

进一步地，所述数据采集模块由前置转换放大电路与数据采集卡组成，其中，前置转换放大电路将电流信号转化为电压信号，同时进行信号放大；数据采集卡通过以等于电光调制器阵列调制系统频率的速率连续性采集放大后的电压信号。

进一步地，步骤(f)中的关联计算采用如下公式：

G(x，y)＝<(S_i-<S_i>)P_i(x，y)>

其中G(x，y)为待测目标待测物体(3)的图像，<>表示对N次测量取系综平均值，P_i(x，y)为载入到电光调制器阵列调制系统中的第i个随机图的强度分布，S_i为单点光强探测器探测得到的对应于P_i(x，y)的总光强值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明系统中通过设置光源、电光调制器阵列调制系统、单点光强探测器、数据采集模块和数据同步与处理模块，具有如下优点：

1.使得成像单张成像的速率大大提高，为量子关联成像的实用化打下坚实基础；

2.提高了采样速率，就可以使未来更具实际应用价值的的动态关联探测系统(动态鬼像)成为可能，使得关联成像向进一步使用化发展迈出了坚实一步；

3.有极强的抗扰动能力，能够消除湍流等散射介质扰动对成像质量的影响；在普通相机无法成像时，依然可以获取有效图像；

4.使用的计算关联成像手段，依靠调制产生空间强度分布的随机分布涨落光场，直接用不需要具有空间分辨能力的单点光探测器测量参考光路上的光强分布，简化了成像系统的组成结构；相对于CCD等具有位置信息的探测器成本降低；

5、本发明使用电光调制器阵列调制系统来对光进行调制时，由于其调制速度非常快，超过了MHz甚至达到GHz量级，有效地解决了快速进行成像的速度问题，而且也使得进一步研究除快速关联成像外更具实际应用价值和意义的动态关联成像成为可能。

进一步地，本发明通过采用N×N二维电光调制器阵列，电光晶体本身具有快速调制光场的优异特性，有利于快速进行成像。

本发明成像方法能够达到有效提高预置光源刷新频率的效果，使得刷新率至少提高到兆赫兹量级，快速高效地提高成像结果和成像质量，从而满足实际工程应用中的需求。

【附图说明】

图1是传统鬼成像示意图；

图2是计算鬼成像示意图；

图3是本发明预置可调制光源的高速关联成像示意图；

其中：1-光源；2-电光调制器阵列调制系统；3-目标待测物体；4-透镜；5-单点光强探测器；6-数据采集模块；7-数据同步与处理模块；8-空间分辨能力探测器；9-计算机；10-旋转的毛玻璃；11-分束器；12-空间光调制器。

【具体实施方式】

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

如图3所示，本发明的基于计算关联成像的快速成像系统，包括：光源1、电光调制器阵列调制系统2、目标待测物体3、透镜4、单点光强探测器5、数据采集模块6和数据同步与处理模块7，数据同步与处理模块7跟电光调制器阵列调制系统2、数据采集模块6相连，数据采集模块6与单点光强探测器5相连。

光源1为激光器。

电光调制器阵列调制系统2采用二维电光调制器阵列组成，阵列为N×N，N≥2。电光调制器由电光晶体制成，如主流的铌酸锂，还可以采用磷酸二氢钾、磷酸二氢铵或钽酸锂等晶体；在数据同步与处理模块7控制和驱动下载入预先生成的随机图并对光源1发出的光进行随机MHz量级强度调制，从而产生的光场为自由空间强度随机涨落分布光场，随机图由数据同步与处理模块7预先随机生成，强度大小分布为P(x，y)。电光调制器阵列调制系统2在控制信号与驱动信号控制下载入随机图进行相应快速调制，即对光源1发出的光进行了随机强度调制。预先生成的随机图按设定时间先后载入到电光调制器阵列调制系统2当中，这样空间强度随机分布的涨落光场就产生了，每个随机图的光强分布算法中所用到的P(x，y)是数据同步与处理模块7预先设置好的，因此不再需要用具有空间分辨率的阵列探测器测量出，也简化了系统结构。

透镜4，用于将经目标待测物体3反射或透射后的光收集到单点光强探测器5中。

单点光强探测器5采用光电倍增管或光电导器件，用于探测电光调制器阵列调制系统2的出射光经目标待测物体3反射或透射后所得的总光强，将测得反射光或透射光转化为和探测到总光强相关的电信号。

数据采集模块6，由前置转换放大电路与数据采集卡组成，其中的前置放大电路为将电流信号转化为电压信号并放大，前置放大电路需与数据采集卡配合使用，数据采集卡用于获取放大后的电压信号，得到总光强值强度涨落信息。其中数据采集卡含有能够通过外部的同步信号来触发采集操作进行的触发采集端口，由内部时钟控制下通过等同于电光调制器阵列调制系统2频率的速率来进行连续性采集，之后通过数据同步与处理模块7，电光调制器阵列调制系统2与数据采集模块6之间实现数据同步。数据同步需数据采集卡和数据同步与处理模块7配合工作。

数据同步与处理模块7，用于控制电光调制器阵列调制系统2与数据采集模块6间的数据同步，之后进行关联计算得到目标待测物体3的图像。

本发明提供了一种基于计算关联成像的快速成像方法，用于提高图像的采样速度，本发明基于预置可调制光源的高速关联成像系统的工作过程如下：

1.随机图样由用户预先生成；

2.光源1照射到电光调制器阵列调制系统2上；电光调制器阵列调制系统2在数据同步和处理模块7的驱动和控制下载入预置随机图，并调制光源1发出的光，形成空间涨落随机的强度随机分布的光场；

3.电光调制器阵列调制系统2的形成空间涨落随机的强度随机分布的光场透过目标待测物体3或者经目标待测物体3反射到透镜4，透镜4将光汇聚到单点光强探测器5上并转换为电流信号，该电流信号与单点光强探测器5测得的总光强值正相关；数据采集模块6采集电流信号后转化为电压信号同时进行信号放大，数据采集卡采集放大后的电压信号得到调制后光场所对应的总光强值，从而得到总光强值涨落信息，并将总光强值涨落信息传递到数据同步和处理模块7；

4.重复第2步和第3步的操作，可根据用户对图像清晰度的需求以及外界的影响进行N次测量；

5.电光调制器阵列调制系统2与数据采集模块6之间的数据同步由数据同步与处理模块7控制：数据同步与处理模块7发出的驱动信号和控制信号控制电光调制器阵列调制系统2，并将预置的通过强度调制的随机涨落光强载入电光调制器阵列调制系统2，控制信号触发使数据采集模块6中的数据采集卡进行采集操作，电光调制器阵列调制系统2与数据采集模块6之间数据实现同步；预置的随机图的光强分布信息和单点光强探测器5测得的N次光强值按以下关联公式进行关联运算来得到待测目标待测物体3的像；

G(x，y)＝<(S_i-<S_i>)P_i(x，y)>

其中G(x，y)为待测目标待测物体3的图像，<>表示对N次测量取系综平均值，P_i(x，y)为载入到电光调制器阵列调制系统2中的第i个随机图的强度分布，S_i为单点光强探测器5探测得到的对应于P_i(x，y)的总光强值。

本发明采用电光晶体的阵列结构的快速调制，产生散斑场，达到快速成像的最终目的。本发明采用电光调制器阵列的形式，能有效提高预置光源刷新频率，使得刷新率提到至少到兆赫兹量级以提高采样速率，有效地提高了成像系统的成像效果和成像速度，从而满足实际工程应用中的需求。

以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统，其特征在于，包括：

光源(1)；

用于将光源(1)发出的光进行随机强度调制，形成在自由空间强度随机涨落分布的光场的电光调制器阵列调制系统(2)；

用于探测电光调制器阵列调制系统(2)形成的光场经目标待测物体(3)反射或透射后所得的总光强，并转化为和总光强相关的电信号的单点光强探测器(5)；

用于获取电信号并进行放大，得到总光强值强度涨落信息的数据采集模块(6)；

以及用于控制电光调制器阵列调制系统(2)与数据采集模块(6)间的数据同步，之后进行关联计算得到目标待测物体(3)图像的数据同步与处理模块(7)。

2.根据权利要求1所述的基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统，其特征在于，光源(1)采用激光器。

3.根据权利要求1所述的基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统，其特征在于，电光调制器阵列调制系统为N×N二维电光调制器阵列组成(2)，其中N≥2；且电光调制器单元采用铌酸锂电光调制器、磷酸二氢钾电光调制器、磷酸二氢铵电光调制器或者钽酸锂电光调制器。

4.根据权利要求1所述的基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统，其特征在于，目标待测物体(3)和单点光强探测器(5)之间设置有透镜(4)。

5.根据权利要求1所述的基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统，其特征在于，单点光强探测器(5)采用光电倍增管、光电二极管或光电导器件。

6.根据权利要求1所述的基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统，其特征在于，所述数据采集模块(6)由前置转换放大电路与数据采集卡组成。

7.根据权利要求5所述的基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统，其特征在于，数据采集卡含有能够通过外部的同步信号来触发采集操作进行的触发采集端口。

8.基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)光源(1)照射到电光调制器阵列调制系统(2)上；

(b)电光调制器阵列调制系统(2)在数据同步和处理模块(7)的驱动和控制下载入预置随机图，并调制光源(1)发出的光，形成空间涨落随机的强度分布光场；

(c)电光调制器阵列调制系统(2)的出射光经目标待测物体(3)反射或透射到透镜(4)并汇聚到单点光强探测器(5)上；

(d)单点光强探测器(5)探测到总光强值并转换成与总光强值正相关的电流信号；

(e)数据采集模块(6)接收电流信号并转化为电压信号，同时进行信号放大，得到总光强值涨落信息；

(f)由数据同步与处理模块(7)控制电光调制器阵列调制系统(2)与数据采集模块(6)之间的数据同步，关联计算后得到待测目标待测物体(3)的图像。

9.根据权利要求8所述的基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统的成像方法，其特征在于，所述数据采集模块(6)由前置转换放大电路与数据采集卡组成，其中，前置转换放大电路将电流信号转化为电压信号，同时进行信号放大；数据采集卡通过以等于电光调制器阵列调制系统(2)频率的速率连续性采集放大后的电压信号。

10.根据权利要求8所述的基于预置可调制光源的高速计算关联成像系统的成像方法，其特征在于，步骤(f)中的关联计算采用如下公式：

G(x，y)＝<(S_i-<S_i>)P_i(x，y)>

其中G(x，y)为待测目标待测物体(3)的图像，<>表示对N次测量取系综平均值，P_i(x，y)为载入到电光调制器阵列调制系统(2)中的第i个随机图的强度分布，S_i为单点光强探测器(5)探测得到的对应于P_i(x，y)的总光强值。