CN106023082B - 基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置及其重建方法 - Google Patents
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Abstract
基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置及其重建方法，属于红外光学成像领域。目前缺少通过微透镜阵列测量光场信号的技术方法。基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置，数据采集处理系统(7)连接激光控制器(1)和三个微透镜阵列光场相机；激光控制器(1)连接激光头(2)，激光头(2)和三个微透镜阵列光场相机围成的区域中心设置弥散介质(3)。基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建方法，包括介质边界出射辐射测量、近红外脉冲激光在弥散介质的传输计算、光学参数场重建环节。本发明实现对弥散介质光学参数场的重建，为近红外光学成像和红外探测技术提供新的技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过微透镜阵列测量光场信号的装置和技术方法，具体涉及基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置及其重建方法。
背景技术
弥散介质内部光学参数场的重建是通过分析介质边界的测量信号来反演内部光学参数场，由于介质内部的光学参数分布与介质内部的结构相关，所以弥散介质内部光学参数场的重建技术有助于探测介质内部几何结构。作为一种有效的探测技术，弥散介质光学参数场重建广泛应用于无损探测、光学成像、红外遥感、信息处理和故障诊断等领域。
超短脉冲激光持续时间非常短，其脉冲宽度与激光在介质内传输的时间相当，达到皮秒和飞秒量级，此时测量信号(如辐射信号)随时间的变化与光子的传播速度相比不可忽略，其辐射传输过程中必须考虑瞬态效应。与稳态辐射问题相比，瞬态辐射具有大量的随时间变化的信息可以利用，瞬态光学性质及其时间衰减蕴藏了介质内的一些重要信息，尤其是关于介质内部结构的信息。
光场成像技术与传统成像技术相比，获取的信息多出了两个自由度，因而在信息重建中能获得更加丰富的信息。微透镜阵列是最常用的光场获取方式，具有光学系统简单、硬件设备成本低、结构紧凑，标定简单，成像效果好，数据处理方便等优点。利用微透镜阵列获取辐射光场信息，提供比传统接触式测量更为丰富的测量信号，能够有效的克服光学参数场重建中的病态特性和吸收散射系数之间的串扰问题。在目前的弥散介质光学参数场重建研究中，辐射信号的测量主要以接触式的光纤测量为主，缺少通过微透镜阵列测量光场信号的技术方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前缺少通过微透镜阵列测量光场信号的技术方法的问题，而提出一种基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置，和一种基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场的重建方法。
一种基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置，其组成包括：激光控制器、激光头、弥散介质、第一微透镜阵列光场相机、第二微透镜阵列光场相机、第三微透镜阵列光场相机和数据采集处理系统，数据采集处理系统连接激光控制器，激光控制器连接激光头；数据采集处理系还同时与第一微透镜阵列光场相机、第二微透镜阵列光场相机、第三微透镜阵列光场相机连接；
其中，激光头、第一微透镜阵列光场相机、第二微透镜阵列光场相机、第三微透镜阵列光场相机的中心点在同一平面上；激光头和第二微透镜阵列光场相机中心点的连线，与第一微透镜阵列光场相机和第三微透镜阵列光场相机中心点的连线垂直相交，两条中心点连线的交点处分别为各自中点，且在两条中心点连线的交点处设置弥散介质。
一种基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场的重建方法，所述方法通过以下步骤实现，
步骤一、开启激光控制器，使激光头发射的脉冲激光射入弥散介质，然后将弥散介质以第一微透镜阵列光场相机和第三微透镜阵列光场相机中心点的连线为轴旋转90°，使脉冲激光作用于弥散介质的另外一个边界，直至弥散介质的四个边界都受到一次激光头发射的脉冲激光；
激光头每发射一次脉冲激光时都利用第一微透镜阵列光场相机、第二微透镜阵列光场相机、第三微透镜阵列光场相机进行一次经弥散介质透射或反射出的辐射场信号的采集，再将获得的所有辐射场信号发送至数据采集处理系统中；
数据采集处理系统分别对获得的辐射场信号进行处理，获得弥散介质各边界射出的光谱辐射强度值其中，s表示光源位置，i表示探测点位置，M表示测量信号；
步骤二、设弥散介质的光学参数场为μ0，通过时域辐射传输方程计算出弥散介质边界的透射及反射辐射强度信号将计算得到的弥散介质边界的透射及反射辐射强度信号与步骤一采集的辐射场信号构成目标函数F(μ0)；
其中，透射及反射辐射强度信号中上角标P表示估算信号或模拟信号；μ表示待重建的弥散介质的光学参数场；
步骤三、利用共轭梯度法进行迭代计算，更新第k次迭代计算得到的弥散介质光学参数场的分布值：
μk＝μk-1+Δμ
式中，k＝1,2,…；Δμ表示参数的改变量；
步骤四、根据步骤三第k次迭代计算得到的弥散介质光学参数场的分布值μk，计算弥散介质边界的辐射强度信号以及目标函数F(μk)；
若目标函数F(μk)的值小于极值，则执行步骤六；
否则，执行步骤五；
步骤五、若迭代次数k达到最大迭代次数K，则使当前的弥散介质光学参数场的分布值作为初值，重新开始迭代，即令μ0＝μk，返回至步骤二；
否则，返回至步骤三；
步骤六、将当前迭代计算得到的光学参数场分布值作为重建结果，结束反演过程。
本发明的有益效果为：
本发明属于一种近红外光学成像技术，具体地说是一种基于微透镜阵列与近红外脉冲激光提供的弥散介质边界时域测量信号，对介质内部的未知光学参数场进行重建的方法。本发明通过介质边界出射辐射测量、近红外脉冲激光在弥散介质的传输计算、光学参数场重建环节实现基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建方法。利用具有微透镜阵列的光场相机获取脉冲激光作用下弥散介质边界各个方向上的辐射强度信息，通过模拟弥散介质内的红外辐射传输过程，并结合最优化方法，重建得到介质内部的光学参数场分布图像，从而探测得到弥散介质的内部结构。通过本发明的仿真计算，可实现对弥散介质光学参数场的重建，为近红外光学成像和红外探测技术提供新的技术手段。
附图说明
图1为本发明所采用的硬件的结构示意图；
图2为基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式的基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置，结合图1其组成包括：激光控制器1、激光头2、弥散介质3、第一微透镜阵列光场相机4、第二微透镜阵列光场相机5、第三微透镜阵列光场相机6和数据采集处理系统7，数据采集处理系统7连接激光控制器1，激光控制器1连接激光头2；数据采集处理系统7还同时与第一微透镜阵列光场相机4、第二微透镜阵列光场相机5、第三微透镜阵列光场相机6连接；
其中，激光头2、第一微透镜阵列光场相机4、第二微透镜阵列光场相机5、第三微透镜阵列光场相机6的中心点在同一平面上；激光头2和第二微透镜阵列光场相机5中心点的连线，与第一微透镜阵列光场相机4和第三微透镜阵列光场相机6中心点的连线垂直相交，两条中心点连线的交点处分别为各自中点，且在两条中心点连线的交点处设置弥散介质3。
具体实施方式二：
与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置，所述弥散介质3是指是指对红外光呈吸收、散射特性的介质，所述弥散介质3包括为生物组织、火焰或者陶瓷中的一种。
具体实施方式三：
本实施方式的基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场的重建方法，所述方法通过以下步骤实现，
步骤一、开启激光控制器1，使激光头2发射的脉冲激光射入弥散介质3，然后将弥散介质3以第一微透镜阵列光场相机4和第三微透镜阵列光场相机6中心点的连线为轴旋转90°，使脉冲激光作用于弥散介质3的另外一个边界，直至弥散介质3的四个边界都受到一次激光头2发射的脉冲激光；
激光头2每发射一次脉冲激光时都利用第一微透镜阵列光场相机4、第二微透镜阵列光场相机5、第三微透镜阵列光场相机6进行一次经弥散介质3透射或反射出的辐射场信号的采集，再将获得的所有辐射场信号发送至数据采集处理系统7中；
数据采集处理系统7分别对获得的辐射场信号进行处理，获得弥散介质3各边界射出的光谱辐射强度值其中，s表示光源位置，i表示探测点位置，M表示测量信号，是英文单词Measured的缩写；
步骤二、设弥散介质3的光学参数场为μ0，通过时域辐射传输方程计算出弥散介质3边界的透射及反射辐射强度信号将计算得到的弥散介质3边界的透射及反射辐射强度信号与步骤一采集的辐射场信号构成目标函数F(μ0)；
其中，透射及反射辐射强度信号中上角标P表示估算信号或模拟信号，是英文单词Predicted的缩写；μ表示待重建的弥散介质的光学参数场；
步骤三、利用共轭梯度法进行迭代计算，更新第k次迭代计算得到的弥散介质光学参数场的分布值：
μk＝μk-1+Δμ
式中，k＝1,2,…；Δμ表示参数的改变量；
步骤四、根据步骤三第k次迭代计算得到的弥散介质光学参数场的分布值μk，计算弥散介质3边界的辐射强度信号以及目标函数F(μk)；
若目标函数F(μk)的值小于极值ε，则执行步骤六；
否则，执行步骤五；
步骤五、若迭代次数k达到最大迭代次数K，则使当前的弥散介质光学参数场的分布值作为初值，重新开始迭代，即令μ0＝μk，返回至步骤二；
否则，返回至步骤三；
步骤六、将当前迭代计算得到的光学参数场分布值作为重建结果，结束反演过程。
具体实施方式四：
与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场的重建方法，步骤一所述激光头2发射的脉冲激光射入弥散介质3时，激光头2发射的脉冲激光射入弥散介质3各边界的中心点。
具体实施方式五：
与具体实施方式三或四不同的是，本实施方式的基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场的重建方法，步骤二所述待重建的弥散介质的光学参数场μ包括吸收系数μa和散射系数μs两部分参数，且两部分参数场同时进行重建。
具体实施方式六：
与具体实施方式五不同的是，本实施方式的基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场的重建方法，步骤二所述通过时域辐射传输方程计算出弥散介质3边界的透反射辐射强度信号的过程为，利用离散坐标法对时域辐射传输方程进行求解，其中，瞬态的时域辐射传输方程的表达式为：
式中，t表示时刻，r表示空间位置，Ω表示辐射传输方向，Ω′表示辐射入射方向，c表示弥散介质3中的光速，▽表示梯度；Φ(Ω′,Ω)表示弥散介质3的散射相函数；
I(r,Ω,t)为在t时刻、位置为r、方向为Ω的辐射强度。
具体实施方式七：
与具体实施方式三、四或六不同的是，本实施方式的基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场的重建方法，步骤二所述目标函数F(μ0)的表达式为：
式中，s表示光源，d表示探测点，n表示时层的数量，ψ(μ)为正则化项，由广义马克尔夫随机场模型构建得到，用以克服反问题的病态特性。
具体实施方式八：
与具体实施方式七不同的是，本实施方式的基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场的重建方法，步骤三所述利用共轭梯度法进行迭代计算，更新第k次迭代计算得到的弥散介质光学参数场的分布值的过程为，所述共轭梯度法具体描述为：
μk＝μk-1+akdk
式中，ak表示第k次迭代的步长，可由一维搜索得到；dk表示第k次迭代的下降方向，由当前目标函数梯度和上一次迭代的下降方向决定，且dk＝-▽F+βkdk-1；式中，▽表示▽表示梯度；β表示共轭系数。
具体实施方式九：
与具体实施方式一、二、四、六或八不同的是，本实施方式的基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场的重建方法，所述弥散介质3包括为生物组织、火焰或者陶瓷中的一种。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种利用基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置的重建方法，基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置，其组成包括：激光控制器(1)、激光头(2)、弥散介质(3)、第一微透镜阵列光场相机(4)、第二微透镜阵列光场相机(5)、第三微透镜阵列光场相机(6)和数据采集处理系统(7)，数据采集处理系统(7)连接激光控制器(1)，激光控制器(1)连接激光头(2)；数据采集处理系统(7)还同时与第一微透镜阵列光场相机(4)、第二微透镜阵列光场相机(5)、第三微透镜阵列光场相机(6)连接；
其中，激光头(2)、第一微透镜阵列光场相机(4)、第二微透镜阵列光场相机(5)、第三微透镜阵列光场相机(6)的中心点在同一平面上；激光头(2)和第二微透镜阵列光场相机(5)中心点的连线，与第一微透镜阵列光场相机(4)和第三微透镜阵列光场相机(6)中心点的连线垂直相交，两条中心点连线的交点处分别为各自中点，且在两条中心点连线的交点处设置弥散介质(3)；所述弥散介质(3)是指对红外光呈吸收、散射特性的介质；其特征在于：所述方法通过以下步骤实现，
步骤一、开启激光控制器(1)，使激光头(2)发射的脉冲激光射入弥散介质(3)，然后将弥散介质(3)以第一微透镜阵列光场相机(4)和第三微透镜阵列光场相机(6)中心点的连线为轴旋转90°，使脉冲激光作用于弥散介质(3)的另外一个边界，直至弥散介质(3)的四个边界都受到一次激光头(2)发射的脉冲激光；
激光头(2)每发射一次脉冲激光时都利用第一微透镜阵列光场相机(4)、第二微透镜阵列光场相机(5)、第三微透镜阵列光场相机(6)进行一次经弥散介质(3)透射或反射出的辐射场信号的采集，再将获得的所有辐射场信号发送至数据采集处理系统(7)中；
数据采集处理系统(7)分别对获得的辐射场信号进行处理，获得弥散介质(3)各边界射出的光谱辐射强度值其中，s表示光源位置，i表示探测点位置，M表示所测量信号；
步骤二、设弥散介质(3)的光学参数场为μ0，通过时域辐射传输方程计算出弥散介质(3)边界的透射及反射辐射强度信号将计算得到的弥散介质(3)边界的透射及反射辐射强度信号与步骤一采集的辐射场信号构成目标函数F(μ0)；
其中，透射及反射辐射强度信号中上角标P表示估算信号或模拟信号；μ表示待重建的弥散介质的光学参数场；
步骤三、利用共轭梯度法进行迭代计算，更新第k次迭代计算得到的弥散介质光学参数场的分布值：
μk＝μk-1+Δμ
式中，k＝1,2,…；Δμ表示参数的改变量；μ表示待重建的弥散介质的光学参数场；
步骤四、根据步骤三第k次迭代计算得到的弥散介质光学参数场的分布值μk，计算弥散介质(3)边界的辐射强度信号以及目标函数F(μk)；
若目标函数F(μk)的值小于极值，则执行步骤六；
否则，执行步骤五；
步骤五、若迭代次数k达到最大迭代次数K，则使当前的弥散介质光学参数场的分布值作为初值，重新开始迭代，即令μ0＝μk，返回至步骤二；
否则，返回至步骤三；
步骤六、将当前迭代计算得到的光学参数场分布值作为重建结果，结束反演过程。
2.根据权利要求1所述利用基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置的重建方法，其特征在于：步骤一所述激光头(2)发射的脉冲激光射入弥散介质(3)时，激光头(2)发射的脉冲激光射入弥散介质(3)各边界的中心点。
3.根据权利要求1或2所述利用基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置的重建方法，其特征在于：步骤二所述待重建的弥散介质的光学参数场μ包括吸收系数μa和散射系数μs两部分参数，且两部分参数场同时进行重建。
4.根据权利要求3所述的利用基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置的重建方法，其特征在于，步骤二所述通过时域辐射传输方程计算出弥散介质(3)边界的透反射辐射强度信号的过程为，利用离散坐标法对时域辐射传输方程进行求解，其中，瞬态的时域辐射传输方程的表达式为：
式中，t表示时刻，r表示空间位置，Ω表示辐射传输方向，Ω′表示辐射入射方向，c表示弥散介质(3)中的光速，▽表示梯度，I表示辐射强度；Φ(Ω′,Ω)表示弥散介质(3)的散射相函数。
5.根据权利要求1、2或4所述利用基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置的重建方法，其特征在于，步骤二所述目标函数F(μ0)的表达式为：
式中，s表示光源，d表示探测点，n表示时层的数量，μ表示待重建的弥散介质的光学参数场，ψ(μ)为正则化项，由广义马克尔夫随机场模型构建得到，用以克服反问题的病态特性。
6.根据权利要求5所述的利用基于微透镜阵列与脉冲激光的弥散介质光学参数场重建装置的重建方法，其特征在于，步骤三所述利用共轭梯度法进行迭代计算，更新第k次迭代计算得到的弥散介质光学参数场的分布值的过程为，所述共轭梯度法具体描述为：
μk＝μk-1+akdk
式中，ak表示第k次迭代的步长，可由一维搜索得到；dk表示第k次迭代的下降方向，由当前目标函数梯度和上一次迭代的下降方向决定，且dk＝-▽F+βkdk-1；式中，▽表示梯度，F表示目标函数；β表示共轭系数。
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| CN105547469A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-05-04 | 哈尔滨工业大学 | 基于微透镜阵列与脉冲激光的火焰温度泛尺度光场探测方法 |
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