CN108303039A - 一种高斯光鬼成像的光强补偿方法 - Google Patents

一种高斯光鬼成像的光强补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高斯光鬼成像的光强补偿方法，属于光电成像领域。本发明根据给定的已知参数，通过公式(1)计算出变分辨率区域各像素光强值相同时每个像素的参数，给出高斯光强补偿探测器阵列；该阵列用于鬼成像系统，在满足光强补偿的同时实现了大视场、高分辨率成像和快速成像；能够对由于光源高斯分布产生的各个像素光强不均的现象进行补偿，实现目标准确成像。

Description

一种高斯光鬼成像的光强补偿方法
技术领域
本发明涉及一种高斯光鬼成像的光强补偿方法，属于光电成像领域。
背景技术
鬼成像是一种新型光电成像方法。在鬼成像中，光源被分为两束，一束光与目标作用后被一个无空间分辨能力的单像素(或“桶”)探测器接收，作为探测臂；另一束光，不与目标相互作用，直接被高分辨率阵列探测器接收，作为参考臂。将这两臂信号进行二阶互相关运算即可得到目标信息。高斯光由于其同时具有量子特性和半经典特性，被认为是最好的鬼成像光源。
但在实际操作中，高斯光在空间上服从高斯分布，从而导致其照射在目标上的光强总体分布不均。传统的高斯光鬼成像一般选取定分辨率探测器作为参考臂，对于相同反射率的目标而言，探测器上不同像素处接收到的光强差异很大，从而导致重构的图像会出现中心区域信号强，边缘区域信号弱，甚至被噪声淹没的现象，从而产生重构信息不准确的问题。
发明内容
本发明的目的为了解决高斯光鬼成像存在光强总体分布不均匀的问题，提供一种高斯光鬼成像的光强补偿方法。同时，针对高斯光的空间分布特点设计了一种高斯光强补偿的探测器阵列结构，用于鬼成像系统，在满足光强补偿的同时实现了大视场、高分辨率成像和快速成像。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种高斯光鬼成像的光强补偿方法，具体步骤如下：
步骤一、将探测器平面划分为两个区域：中心定分辨率区域和周边变分辨率区域，给定中心定分辨率区域半径r0、变分辨率区域外半径rM、变分辨率区域环数M以及每环像素数N，作为已知参数；
步骤二、根据步骤一的已知参数通过公式(1)计算出变分辨率区域各像素光强值相同时每个像素的参数(θj-1、θj、ri、ri-1)，给出高斯光强补偿探测器阵列；
其中，i为变分辨率区域第i环，j为每环上第j个像素，a是高斯光场中光强为中心光强处到光斑中心的距离，ri-1为第i环上像素的内径，ri为第i环上像素的外径，θj-1、θj为每环上第j个像素顶点的角度坐标值。
步骤三、将步骤二给出的高斯光强补偿探测器阵列应用于鬼成像系统中，完成目标信息的重构。
根据鬼成像理论搭建测试系统，将高斯光照射在旋转毛玻璃上形成赝热光源；用桶探测器采集光源照射到目标后的反射光总光强信息，同时用步骤二得到的高斯光强补偿探测器阵列采集同一光源的二维光强分布信息，经过K次测量后，得到K组目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息；对目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息进行计算，得到目标的形貌测量值。
高斯光强补偿探测器定分辨率区域为传统的鬼成像方式，其成像公式为：
G(x,y)＝<I1·I2(x,y)>-<I1><I2(x,y)> (2)
公式(2)中，G(x,y)为目标的重建函数，I1为桶探测器上的总光强，I2(x,y)为定分辨率区域上点(x,y)处的光强，<.>表示K次迭代的均值运算。
高斯光强补偿探测器变分辨率区域为环形结构，其各像素空间位置可用极坐标表示，在极坐标下鬼成像公式可记为：
G(r,θ)＝<I1·I2(r,θ)>-<I1><I2(r,θ)> (3)
公式(3)中，G(r,θ)为目标的重建函数，I1为桶探测器上的总光强，I2(r,θ)为变分辨率区域上点(r,θ)处的光强。
将采集到的K组数据对应带入公式(2)、(3)中，可计算出对应成像结果，重构出目标的形貌，即实现鬼成像。
有益效果
(1)本发明公开了一种高斯光强补偿的变分辨率探测器阵列结构，采用适当的高斯光强补偿探测器阵列，可对由于光源高斯分布产生的各个像素光强不均的现象进行补偿。
(2)本发明公开了一种高斯光强补偿的鬼成像方法及系统，用高斯光强补偿的变分辨率探测器替代传统鬼成像系统中的定分辨率探测器，利用中间像素小、边缘像素大的结构特点，同时实现了中心区域高分辨率成像和周边区域数据压缩，从而有效解决了传统鬼成像无法同时实现大视场、高分辨率和快速成像的问题。
附图说明
图1系统结构图；
图2高斯光强补偿变分辨率探测器阵列结构；
图3变分辨率像素结构；
图4靶标模型；
图5高斯光强补偿后的成像结果；
图6仿生成像结果。
1-光源，2-旋转毛玻璃，3-分光镜，4-高斯光强补偿探测器阵列，5-目标，6-会聚透镜，7-桶探测器，8-电子计算机，9-变分辨率像素，10-定分辨率区域，11-变分辨率区域。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
实施例1
高斯光强补偿探测器阵列的结构如图2所示，包括定分辨率区域10以及由变分辨率像素9构成的变分辨率区域11。
变分辨率区域11既可实现高斯光强补偿，又符合人眼视网膜特性。如图3所示，在变分辨率像素结构中，O为高斯光强补偿探测器阵列4的圆心，A、B、C、D为变分辨率像素的四个顶点，半径OA和OB，即像素内径为ri-1；半径OC和OD，即像素外径为ri；弧长AB，即像素的内径弧长为wi-1；弧长CD，即像素的外径弧长wi。每环均匀划分为N个像素，变分辨率像素起始环半径为r0，变分辨率区域的外半径为rM。各参数确定的具体步骤：
高斯光强的空间分布可表示为：
其中，I0为高斯光束中心光强。为了保证变分辨区域各像素区域光强相同，各像素上光强积分满足：
其中，C1为常数，表示单个像素上的总光强。整理公式(5)可得：
其中，为常数。整个变分辨率区域被分割为M环，依次将每环的内外半径ri-1、ri，分别带入公式(6)，并将得到的公式相加可得:
整理公式(7)可得：
将公式(8)带入公式(6)可得：
给定r0＝5mm、rM＝20mm、a＝13mm、M＝5，N＝30就可以得到如图2所示的实现高斯光强补偿的变分辨率探测器阵列结构。
实施例2
一种高斯光强补偿的鬼成像系统，如图1所示，包括光源1，旋转毛玻璃2，分光镜3，高斯光强补偿探测器阵列4，目标5，会聚透镜6，桶探测器7和电子计算机8。
连接关系：
光源1、旋转毛玻璃2和分光镜3按顺序依次位于同一光源光路上；光源1和旋转毛玻璃2用于产生鬼成像所需的平行赝热光；分光镜3则用于将赝热光分成两条光路，反射光为参考臂光路，透射光为探测臂光路。参考臂光路的光强分布被高斯光强补偿探测器阵列4接收，完成赝热光源二维光强分布信息采集；探测臂光路的光照射至目标5后反射，再经过会聚透镜6聚焦后，被桶探测器7接收，完成目标5反射光总光强信息采集。电子计算机8将高斯光强补偿探测器阵列4和桶探测器7采集的信息进行相关运算。
基于上述连接关系，对系统工作原理进一步阐述：
光源1发出一束高斯光，经过旋转毛玻璃3、分光镜3分为两条光路，反射光束的二维光强分布被高斯光强补偿探测器阵列4接收，透射光束照射至目标5，目标5的反射光经过会聚透镜6的聚焦，其总光强信息被桶探测器7接收。高斯光强补偿探测器阵列4和桶探测器7的光电信号，经过电子计算机8的互相关运算后，得到单次测量结果。重复测量K次后，即可得到目标5的形貌信息。
定分辨率区域的目标信息为：
G(x,y)＝<I1·I2(x,y)>-<I1><I2(x,y)> (10)
公式(10)中，G(x,y)为定分辨率区域目标的重建函数，I1为桶探测器7上的总光强，I2(x,y)为高斯光强补偿探测器4定分辨区域上点(x,y)处的光强，<.>表示K次迭代的均值运算。
变分辨率区域目标信息为：
G(r,θ)＝＜I1·I2(r,θ)>-<I1><I2(r,θ)> (11)
公式(11)中，G(r,θ)为变分辨率区域目标的重建函数，I2(r,θ)为高斯光强补偿探测器4变分辨区域上点(r,θ)处的光强。
其中，高斯光强补偿探测器阵列4在像素读出过程中，定分辨率区域10行选通读出，变分辨率区域11环选通读出。
利用图4所示的靶标模型作为鬼成型系统中的目标5，根据公式(10)、(11)，即可计算出对应的成像结果，重构出目标5的形貌，即实现鬼成像，如图5所示。
对比例2
现有的仿生探测器的变分辨率区域的像素结构的数学表达式如下：
公式(12)中,i为仿生探测器阵列第i环，N为仿生探测器阵列中每一环的像素数，ri为像素外径，wi为像素外径弧长，r0为仿生探测器阵列中变分辨率像素起始环内径，q为仿生探测器阵列中相邻环之间的增长率。
将上述仿生变分辨率探测器阵列替代实施例1中的高斯光强补偿探测器阵列4，应用于实施例2中的鬼成像系统中，重复实施例2中的实验操作，可得到目标5的鬼成像结果如图6所示的。
对于同一个靶标模型，在相同的实验操作下，图5在中心区域得到均匀的重构结果，图6在中心区域的重构结果则存在较大的散斑噪声干扰，对比靶标信息图5的重构结果更加准确；图5在周围变分辨率区域有信息的区域信号清晰，与无信号的区域区分明显，图6中周边无信号的区域中仍然存在比较明显的信号干扰。对比图5图6的成像结果可发现，相比于仿生变分辨率探测器阵列鬼成像系统，利用高斯光强补偿探测器阵列的鬼成像系统的成像结果更加清晰、准确。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高斯光鬼成像的光强补偿方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、将探测器平面划分为两个区域：中心定分辨率区域和周边变分辨率区域，给定中心定分辨率区域半径r0、变分辨率区域外半径rM、变分辨率区域环数M以及每环像素数N，作为已知参数；
步骤二、根据步骤一的已知参数通过公式(1)计算出变分辨率区域各像素光强值相同时每个像素的参数(θj-1、θj、ri、ri-1)，给出高斯光强补偿探测器阵列；
其中，i为变分辨率区域第i环，j为每环上第j个像素，a是高斯光场中光强为中心光强处到光斑中心的距离，ri-1为第i环的内环半径，ri为第i环的外环半径，θj-1、θj为第j个像素顶点的角度坐标值；
步骤三、将步骤二给出的高斯光强补偿探测器阵列应用于鬼成像系统中，完成目标信息的重构；
根据鬼成像理论搭建测试系统，将高斯光照射在旋转毛玻璃上形成赝热光源；用桶探测器采集光源照射到目标后的反射光总光强信息，同时用步骤二得到的高斯光强补偿探测器阵列采集同一光源的二维光强分布信息，经过K次测量后，得到K组目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息；对目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息进行相关计算，得到目标的形貌测量值；
高斯光强补偿探测器定分辨率区域为传统的鬼成像方式，其成像公式为：
G(x,y)＝<I1·I2(x,y)>-<I1><I2(x,y)> (2)
公式(2)中，G(x,y)为目标的重建函数，I1为桶探测器上的总光强，I2(x,y)为定分辨率区域上点(x,y)处的光强，<.>表示K次迭代的均值运算；
高斯光强补偿探测器变分辨率区域为环形结构，其各像素空间位置可用极坐标表示，在极坐标下鬼成像公式可记为：
G(r,θ)＝<I1·I2(r,θ)>-<I1><I2(r,θ)> (3)
公式(3)中，G(r,θ)为目标的重建函数，I1为桶探测器上的总光强，I2(r,θ)为变分辨率区域上点(r,θ)处的光强；
将采集到的K组数据对应带入公式(2)、(3)中，可计算出对应成像结果，重构出目标的形貌，即实现鬼成像。
2.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括：光源1，旋转毛玻璃2，分光镜3，高斯光强补偿探测器阵列4，目标5，会聚透镜6，桶探测器7和电子计算机8；
光源1、旋转毛玻璃2和分光镜3按顺序依次位于同一光源光路上；光源1和旋转毛玻璃2用于产生鬼成像所需的平行赝热光；分光镜3则用于将赝热光分成两条光路，反射光为参考臂光路，透射光为探测臂光路；参考臂光路的光强分布被高斯光强补偿探测器阵列4接收，完成赝热光源二维光强分布信息采集；探测臂光路的光照射至目标5后反射，再经过会聚透镜6聚焦后，被桶探测器7接收，完成目标5反射光总光强信息采集；电子计算机8将高斯光强补偿探测器阵列4和桶探测器7采集的信息进行相关运算。
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