CN108469685B - 一种超分辨率关联成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超分辨率关联成像系统及成像方法，该系统包括光源、阈值滤波控制调控系统和传统关联成像符合测量系统。光源发出的光被分束器将分成两束，其中透射光束照射到透射式的空间光调制器上。反射光束被一个具有空间分辨能力的CCD、EMCCD或CMOS面阵列探测器探测。获得光强的空间分布通过阈值滤波器按照设定的阈值进行滤波运算，并根据滤波后的强度空间分布面阵数据生成的调制矩阵,用于驱动空间光调制器对与反射光束相对应的透射光强度进行滤波操作。当采用高通滤波时，选择合适的阈值可以使成像对比度可以达到100%，因此可以完全抵消传统关联成像直流背景噪声的影响，可实现无背景的超分辨关联成像，成像质量比传统方法更好。

Description

一种超分辨率关联成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及超分辨率关联成像领域，特别涉及一种基于强度阈值滤波的超分辨率关联成像系统和方法。

背景技术

关联成像技术(也称“鬼”成像)是一种利用热光场或量子光场的高阶时空强度关联性质，在非定域上实现对物体信息重建的一种新型成像技术。其中，近年来迅猛发展热光源的关联成像技术具有很多不同于传统的透镜成像或照相技术的优势，比如，可不用透镜而成像且原则上适合电磁波谱中任意波长，可不受大气湍流扰动、空气混浊或其它散射介质的影响，可以在大气湍流、云雾遮挡的情况下依然获得物体清晰的成像，这是传统经典成像无法做到的。并且热光源(例如太阳光)与我们日常生活息息相关，相比较量子光源，更容易获得，因此，研究方向和热点趋向于基于热光源的关联成像技术。正是由于该项技术具有传统透镜成像技术所不可替代的作用和优势，所以在国防、军事、遥感，通讯、生物医学等众多成像技术领域都具有巨大的潜在应用价值。

虽然关联成像技术在相同的条件下比传统成像具有更高的成像分辨率，但是依然受制于成像系统的衍射极限，同时关联成像技术的成像分辨率与对比度是相互制约的关系，通常情况下，高分辨率的成像会导致对比度很低，这是关联成像技术的不足之处。

发明内容

本发明的一个目的是将对即时强度的阈值滤波技术应用于光学超分辨率关联成像领域，从而提供一种基于阈值滤波的超分辨成像系统和方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种超分辨率关联成像系统，光源发出的光束被非偏振分束器分成两路，反射一路中设有具有空间分辨能力的面阵探测器，对反射光束进行探测后接入阈值滤波器进行滤波运算，再根据滤波获得强度空间分布面阵数据生成驱动矩阵输入到空间调制器的控制器，控制器按照驱动矩阵驱动空间光调制器对与反射光束相对应的透射光束进行滤波调制；被调制的光束照射到非偏振分束器被分成两路；透射一路和反射一路分别为探测臂和参考臂；所述探测臂光路中设有探测臂探测器和所述待成像物体，所述探测臂探测器用于采样所述探测臂光路中经过所述待成像物体后的光场强度总和S＝∫I(x₁)dx₁，称之为桶探测器；所述参考臂光路中设有具有空间分辨能力的面阵参考臂探测器，用于采样所述参考臂光路的光场强度分布信号I(x₂)；所述探测臂探测器和面阵参考臂探测器输出的信号接入到用于重建待成像物体像的符合测量系统；该系统也可以是计算关联成像系统和压缩感知关联成像系统。

进一步地，光源为热光源、自然光或人造赝热光源。

进一步地，面阵探测器必须是具有空间分辨能力的CCD、EMCCD、ICCD或CMOS面阵列相机。所述的探测臂探测器既可以是无空间分辨能力的桶探测器，也可以是具有空间分辨能力的面阵列相机。而面阵参考臂探测器是具有空间分辨能力的CCD、EMCCD、ICCD或CMOS面阵列相机。

进一步地，空间光调制器既可以为透射式空间光调制器(spatial lightmodulator，SLM)和反射式的空间光调制器，也可以是数字微镜器件(digital mirrordevice，DMD)。

一种超分辨率关联成像方法，采用了前述的一种超分辨率关联成像系统，包括以下步骤：

1)光源(1)发出的光束被非偏振分束器(2)分成两路，反射一路中设有具有空间分辨能力的面阵探测器(3)，对反射光束进行探测后接入阈值滤波器(4)进行滤波运算；

2)再根据滤波获得强度空间分布面阵数据生成驱动矩阵输入到空间光调制器的控制器(5)，控制器按照驱动矩阵驱动空间光调制器(6)对与反射光束相对应的透射光束进行滤波调制；

3)根据光场强度的平均值、即时光场的最小值和最大值以及所采用的滤波器不同(低通，高通，带通)为阈值通滤波器(4)设定合适的阈值；

4)上述被调制的反射光束进入传统的关联成像系统，按照传统热光关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨率关联成像；

5)上述被调制的反射光束也可进入计算关联成像系统，按照计算关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨关联成像；

6)上述被调制的反射光束也可进入压缩感知关联成像系统，按照压缩感知关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨关联成像；

7)合适的高通滤波阈值可以有效提高成像对比度，能够达到100％，因此可以实现无背景的超分辨关联成像。阈值越高越成像对比度越接近100％。

所述阈值滤波运算采用硬件滤波处理或软件滤波处理。

一种基于高通滤波的超分辨率关联成像方法，采用了所述的一种基于高通滤波的超分辨率关联成像系统，包括以下步骤：

1)对通过探测臂光路的探测目标或者由其反射散射的光场强度分布和参考臂光路的光场强度分布按照一定的时间序列同步进行一定时间的曝光拍摄，并将其每次曝光获得的数据输出依次接入对应的高通滤波器，即参考臂高通滤波器和探测臂高通滤波器；

2)根据光场强度的平均值、即时光场的最小值和最大值分别为参考臂空间滤波器和探测臂高通滤波器设定一个合适的阈值；

3)根据阈值将每个时序点获得的面阵数据信号依次通过参考臂高通滤波器和探测臂高通滤波器对即时光强进行高通滤波运算；

4)将参考臂光路和探测臂光路获得的这两组面阵数据按照传统热光关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨率关联成像。

5)合适的选择阈值可以有效提高成像对比度，接近100％，可以实现无背景的超分辨关联成像。阈值越高越成像对比度越接近100％。

进一步地，所述探测臂高通滤波器和参考臂高通滤波器分别为均值滤波器、中值滤波器、Lee局域统计自适应滤波器、Frost滤波器、Sigma滤波器、改良K-均值自适应滤波或Gamma滤波器中的一种。

进一步地，所述滤波运算采用硬件滤波处理或软件滤波处理。

参考臂高通滤波器和探测臂高通滤波器的阈值依据光强的平均值在即时强度分布的最小值与最大值之间进行选择，在大于平均值小于即时光强最大值选择阈值会具有更高成像分辨率、更好的成像对比度和更好的成像质量；当阈值接近即时光强的最大值时，成像对比度几乎达到100％。如果光源发出的光场强度稳定，这里的平均值可以是所有采样数的平均光强；如果光源发出的光场强度不稳定，平均值也可以是即时强度的平均值。

本发明的优点在于：

1.本发明具有打破衍射极限的超分辨成像能力，该方法的成像分辨率是传统关联成像方法的2倍多；

2.本发明具有使成像对比度接近100％，克服传统关联成像对比度低的缺点。

3.本发明继承了传统关联成像技术的全部优势，可以用于升级各种真热光源或者赝热光源以及基于计算机调制的空间调制光束的计算关联成像技术和压缩感知关联成像技术来提高关联成像系统的分辨率及成像对比度和信噪比；

4.本发明不用改变关联成像的光路结构，主要探测结构和触发控制，只需将原系统中的桶探测器换成具有空间分辨能力的探测器，以及在探测器后增加高通滤波器或者在传统探测方法的基础上利用计算软件对面阵数据进行数字化技术处理即可，结构简单，易于操作，不增加关联成像系统的复杂程度和数据处理复杂度；

5.对于计算关联成像系统和压缩感知关联成像系统，本发明相比传统关联成像具有结构简单的特点，更适于超远距离的超分辨关联成像。

6.本发明也适用于光源发出的光场强度不稳定的情况；

7.本发明对光强的不稳定性不敏感，具有抵抗大气扰动、湍流等影响恶劣天气影响的能力，能够实现超分辨率成像。特别是当选择合适的阈值时具有接近100％的成像对比度，可以完全抵消传统关联成像背景的影响，实现无背景的超分辨关联成像，获得比传统方法更好成像质量。

附图说明

图1是本发明基于低通滤波的超分辨率关联成像系统的原理框图；

1、光源；2、非偏振分束器；3、面阵探测器；4、阈值滤波器；5、空间光调制器的控制器；6、空间光调制器；7、非偏振分束器；8、待成像物体；9-1、探测臂探测器；9-2面阵参考臂探测器；10、符合测量系统。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

超分辨率关联成像系统，光源发出的光束被非偏振分束器分成两路，反射一路中设有具有空间分辨能力的面阵探测器，对反射光束进行探测后接入阈值滤波器进行滤波运算，再根据滤波获得强度空间分布面阵数据生成驱动矩阵输入到空间调制器的控制器，控制器按照驱动矩阵驱动空间光调制器对与反射光束相对应的透射光束进行滤波调制；被调制的光束照射到非偏振分束器被分成两路；透射一路和反射一路分别为探测臂和参考臂；所述探测臂光路中设有探测臂探测器和所述待成像物体，所述探测臂探测器用于采样所述探测臂光路中经过所述待成像物体后的光场强度总和S＝∫I(x₁)dx₁，称之为桶探测器；所述参考臂光路中设有具有空间分辨能力的面阵参考臂探测器，用于采样所述参考臂光路的光场强度分布信号I(x₂)；所述探测臂探测器和面阵参考臂探测器输出的信号接入到用于重建待成像物体像的符合测量系统；该系统也可以是计算关联成像系统和压缩感知关联成像系统。

进一步地，光源为热光源、自然光或人造赝热光源。

进一步地，面阵探测器必须是具有空间分辨能力的CCD、EMCCD、ICCD或CMOS面阵列相机。所述的探测臂探测器既可以是无空间分辨能力的桶探测器，也可以是具有空间分辨能力的面阵列相机。而面阵参考臂探测器是具有空间分辨能力的CCD、EMCCD、ICCD或CMOS面阵列相机。

进一步地，空间光调制器既可以为透射式空间光调制器(spatial lightmodulator，SLM)和反射式的空间光调制器，也可以是数字微镜器件(digital mirrordevice，DMD)。

一种超分辨率关联成像方法，采用了前述的一种超分辨率关联成像系统，包括以下步骤：

1)光源(1)发出的光束被非偏振分束器(2)分成两路，反射一路中设有具有空间分辨能力的面阵探测器(3)，对反射光束进行探测后接入阈值滤波器(4)进行滤波运算；

2)再根据滤波获得强度空间分布面阵数据生成驱动矩阵输入到空间光调制器的控制器(5)，控制器按照驱动矩阵驱动空间光调制器(6)对与反射光束相对应的透射光束进行滤波调制；

3)根据光场强度的平均值、即时光场的最小值和最大值以及所采用的滤波器不同(低通，高通，带通)为阈值通滤波器(4)设定合适的阈值；

4)上述被调制的反射光束进入传统的关联成像系统，按照传统热光关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨率关联成像；

5)上述被调制的反射光束也可进入计算关联成像系统，按照计算关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨关联成像；

6)上述被调制的反射光束也可进入压缩感知关联成像系统，按照压缩感知关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨关联成像；

7)合适的高通滤波阈值可以有效提高成像对比度，能够达到100％，因此可以实现无背景的超分辨关联成像。阈值越高越成像对比度越接近100％。

所述阈值滤波运算采用硬件滤波处理或软件滤波处理。

一种基于高通滤波的超分辨率关联成像方法，采用了所述的一种基于高通滤波的超分辨率关联成像系统，包括以下步骤：

1)对通过探测臂光路的探测目标或者由其反射散射的光场强度分布和参考臂光路的光场强度分布按照一定的时间序列同步进行一定时间的曝光拍摄，并将其每次曝光获得的数据输出依次接入对应的高通滤波器，即参考臂高通滤波器和探测臂高通滤波器；

2)根据光场强度的平均值、即时光场的最小值和最大值分别为参考臂空间滤波器和探测臂高通滤波器设定一个合适的阈值；

3)根据阈值将每个时序点获得的面阵数据信号依次通过参考臂高通滤波器和探测臂高通滤波器对即时光强进行高通滤波运算；

4)将参考臂光路和探测臂光路获得的这两组面阵数据按照传统热光关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨率关联成像。

5)合适的选择阈值可以有效提高成像对比度，接近100％，可以实现无背景的超分辨关联成像。阈值越高越成像对比度越接近100％。

进一步地，所述探测臂高通滤波器和参考臂高通滤波器分别为均值滤波器、中值滤波器、Lee局域统计自适应滤波器、Frost滤波器、Sigma滤波器、改良K-均值自适应滤波或Gamma滤波器中的一种。

进一步地，所述滤波运算采用硬件滤波处理或软件滤波处理。

参考臂高通滤波器和探测臂高通滤波器的阈值依据光强的平均值在即时强度分布的最小值与最大值之间进行选择，在大于平均值小于即时光强最大值选择阈值会具有更高成像分辨率、更好的成像对比度和更好的成像质量；当阈值接近即时光强的最大值时，成像对比度几乎达到100％。如果光源发出的光场强度稳定，这里的平均值可以是所有采样数的平均光强；如果光源发出的光场强度不稳定，平均值也可以是即时强度的平均值。

本成像系统中与传统关联成像系统最大的不同是在探测臂也使用具有空间分辨能力的探测器。探测器的输出信号按序列依次进行高通滤波操作之后，对每个序列点面阵数据信号的按像素求和，并按原有相同序列作为桶探测器的即时强度信号序列，再与参考臂经过高通滤波后的相同序列的面阵数据信号按照关联成像的原理和方法重建待测物体的图像。

对于本发明中最为关键的高通滤波操作可以分为两种情况：硬件滤波和软件滤波。

硬件滤波就是按照图1所示的方法，将探测器的输出信号接入高通滤波器，滤波器按照人为设定的阈值或者预设的方法计算出阈值对接入的信号进行滤波。具备上述功能的滤波器也可以是探测器的一部分，探测器光敏元件曝光采集到的原始数据直接通过高通滤波器后再输出。

如果采用软件滤波，就是在数据处理的过程中，将滤波操作编入软件程序中。具体的以高通通滤波为例，两路的探测器输出面阵信号按序列存储于电脑硬盘，通过程序依次读入数据，然后计算每一个序列信号的平均值作为阈值信号，然后该面阵信号的每一个元素与该阈值信号进行比较，大于阈值的设为原值，小于阈值的等于0值，从而达到对数据的高通通滤波操作。当然，滤波阈值也可以根据具体情况认为设定，参考臂和探测臂的滤波操作方法相同，但是阈值可以不同，甚至采用不同方法获得阈值。

高通滤波操作也可以在光路中进行，可在分束器前加入一个光强高通滤波器，或者在探测臂和参考臂分别加入一个高通滤波器。该种方法探测臂可不使用具有空间分辨能力的探测器，可以像传统关联成像一样使用桶探测器。

采用本发明一种基于高通滤波的超分辨率关联成像系统的成像方法，包括以下步骤：1)对通过探测臂光路的探测目标或者由其反射散射的光场强度分布和参考臂光路的光场强度分布按照一定的时间序列同步进行一定时间的曝光拍摄，并将其每次曝光获得的数据输出依次接入对应的高通滤波器，即参考臂高通滤波器和探测臂高通滤波器；2)根据光场强度的平均值、即时光场的最小值和最大值分别为参考臂空间滤波器和探测臂高通滤波器设定一个合适的阈值；3)根据阈值将每个时序点获得的面阵数据信号依次通过参考臂高通滤波器和探测臂高通滤波器对即时光强进行高通滤波运算；4)将参考臂光路和探测臂光路获得的这两组面阵数据按照传统热光关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨率关联成像；5)合适的选择阈值可以有效提高成像对比度，接近100％，可以实现无背景的超分辨关联成像。阈值越高越成像对比度越接近100％。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的示例及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了示例及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

虽然本发明的实施例仅列举了光源为热光源的形式，但本发明的关联成像系统同样适用于服从热光统计分布的自然光或人造赝热光源的成像方案及光源与参考探测器和探测臂探测器之间有、无透镜的成像方案。

虽然本发明的实例仅列举了基于传统关联成像的实验方案，但本发明的方法也适用计算关联成像系统和压缩感知关联成像系统。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的一个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种超分辨率关联成像系统，其特征在于:光源(1)发出的光束被非偏振分束器(2)分成两路，反射一路中设有具有空间分辨能力的面阵探测器(3)，对反射光束进行探测后接入阈值滤波器(4)进行滤波运算，再根据滤波获得强度空间分布面阵数据生成驱动矩阵输入到空间光调制器的控制器(5)，空间光调制器的控制器(5)按照驱动矩阵驱动空间光调制器(6)对与反射光束相对应的透射光束进行滤波调制；被调制的光束照射到非偏振分束器(7)被分成两路；透射一路和反射一路分别为探测臂和参考臂；所述探测臂光路中设有探测臂探测器(9-1)和待成像物体(8)，所述探测臂探测器(9-1)用于采样所述探测臂光路中经过所述待成像物体(8)后的光场强度总和S＝∫I(x₁)dx₁，称之为桶探测器；所述参考臂光路中设有具有空间分辨能力的面阵参考臂探测器(9-2)，用于采样所述参考臂光路的光场强度分布信号I(x₂)；所述探测臂探测器(9-1)和面阵参考臂探测器(9-2)输出的信号接入到用于重建待成像物体像的符合测量系统(10)。

2.如权利要求1所述的一种超分辨率关联成像系统，其特征在于:所述光源(1)为热光源、自然光或人造赝热光源。

3.如权利要求1所述的一种超分辨率关联成像系统，其特征在于:所述的面阵探测器(3)必须是具有空间分辨能力的CCD、EMCCD、ICCD或CMOS面阵列相机；所述的面阵参考臂探测器(9-2)为无空间分辨能力的桶探测器，或具有空间分辨能力的面阵列相机；所述面阵参考臂探测器(9-2)是具有空间分辨能力的CCD、EMCCD、ICCD或CMOS面阵列相机。

4.如权利要求1所述的一种超分辨率关联成像系统，其特征在于:所述空间光调制器(6)为透射式空间光调制器和反射式的空间光调制器，或数字微镜器件。

5.如权利要求1所述的一种超分辨率关联成像系统，其特征在于:所述的滤波器是高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器中的一种。

6.一种超分辨率关联成像方法，采用了如权利要求1-5任一所述的一种超分辨率关联成像系统，其特征在于包括以下步骤：

1)光源(1)发出的光束被非偏振分束器(2)分成两路，反射一路中设有具有空间分辨能力的面阵探测器(3)，对反射光束进行探测后接入阈值滤波器(4)进行滤波运算；

2)再根据滤波获得强度空间分布面阵数据生成驱动矩阵输入到空间光调制器的控制器(5)，空间光调制器的控制器(5)按照驱动矩阵驱动空间光调制器(6)对与反射光束相对应的透射光束进行滤波调制；

3)根据光场强度的平均值、即时光场的最小值和最大值以及所采用的滤波器不同为阈值滤波器(4)设定合适的阈值；

4)上述被调制的反射光束进入传统的关联成像系统，按照热光关联成像原理进行处理则实现对待成像物体的超分辨率关联成像；

或者，上述被调制的反射光束进入计算关联成像系统，按照计算关联成像的原理进行处理则实现对待成像物体的超分辨关联成像；

或者，上述被调制的反射光束进入压缩感知关联成像系统，按照压缩感知关联成像的原理进行处理则实现对待成像物体的超分辨关联成像；

5)选择高通道滤波阈值提高成像对比度，实现无背景的超分辨关联成像；阈值越高成像对比度越接近100％。

7.如权利要求6所述的一种超分辨率关联成像方法，其特征在于：所述阈值滤波运算采用硬件滤波处理或软件滤波处理。

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