CN108897005B - 一种成像系统及成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成像系统及成像方法，该成像系统包括发射单元、同步控制单元、第一信号探测器和数据处理单元；发射单元包括沿光路依次设置的光源、分光器和光调制单元，还包括与分光器对应的第二信号探测器，第一信号探测器探测检测目标反射的光束信号，第一信号探测器和第二信号探测器分别与数据处理单元连接，同步控制单元分别连接第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元。通过第二信号探测器实时探测光束的光能量，将每个光能量数据与设定的参考值做比较，得到对应的比例系数，根据比例系数对第一信号探测器的探测数据或观测矩阵进行校正，并将校正后的探测数据或观测矩阵进行关联计算，得到重构图像，提高了图像重构准确度。

Description

一种成像系统及成像方法
技术领域
本发明涉及目标检测识别与成像领域，具体涉及一种成像系统及成像方法。
背景技术
关联成像(correlated imaging)，也称鬼成像(ghost imaging)，是一种基于光场涨落的量子或者经典关联特性，通过参考光场与目标探测光场之间的强度关联运算，可以非定域地获取目标图像信息的新型成像技术。然而传统的关联成像存在采样次数较多，成像时间长，系统结构复杂的问题，并不适用于在水体这种复杂多变的环境中成像。压缩感知(Compressive Sensing)技术是近年来出现的一种全新的信号采样技术，不同于传统的奈奎斯特采样定理，该技术将信号的压缩过程与采样过程同步完成，即将高维的原始信号通过观测矩阵投影到低维的空间上，以少量的投影参数通过求解优化问题高概率的重构原始信号。该技术可以有效的提高信号采样效率，降低信号处理时间和计算成本。
现有的压缩成像技术通常包括发射端和探测端，其中发射端出射的光束投射到检测目标上并对光束进行反射，探测端接收反射的光束并根据接收到的信号进行图像重构得到成像结果。实际操作中，针对一副图像需要几千甚至更多的探测数据，然而由于发射端光源的功率稳定性、驱动稳定性、环境等因素造成了不同激光脉冲之间能量不相等，或者连续激光不同时间段能量波动，从而导致压缩感知过程中重构图像存在误差或者无法重构图像的问题。
发明内容
本发明提供了一种成像系统及成像方法，以解决现有技术中的压缩感知过程中重构图像存在误差或者无法重构图像的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种成像系统，包括发射单元、同步控制单元、第一信号探测器和数据处理单元；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源、分光器和光调制单元，还包括与所述分光器对应的第二信号探测器，所述第一信号探测器探测检测目标反射的光束信号，所述第一信号探测器和第二信号探测器分别与所述数据处理单元连接，所述同步控制单元分别连接所述第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元。
进一步的，所述发射单元还包括位于所述光调制单元后方的投射单元。
进一步的，所述光源为脉冲光源或连续光源。
进一步的，所述第一信号探测器为面阵探测器，所述第二信号探测器为单点探测器。
本发明还提供一种如上所述的成像系统的成像方法，包括以下步骤：
S1：所述光源发出的光束经过分光器后一部分光束进入第二信号探测器实时探测光能量数据，另一部分光束经过光调制单元调制后投射到检测目标上；
S2：第二信号探测器将实时探测的光能量数据传递给所述数据处理单元，所述检测目标反射的光束通过所述第一信号探测器探测后将探测数据传递给所述数据处理单元；
S3:同步控制单元控制所述数据处理单元同步接收第一信号探测器和第二信号探测器的探测数据，将第二信号探测器探测到的每个光能量数据与设定的参考值做比较，得到对应的比例系数；
S4：根据比例系数将对应的探测数据或观测矩阵进行校正，将校正后的探测数据或观测矩阵进行关联计算得到重构图像。
进一步的，所述步骤S4中，根据比例系数对观测矩阵进行校正，将校正后的观测矩阵进行关联计算得到重构图像。
进一步的，所述步骤S4具体为，根据每个光能量数据与参考值的比例系数校正对应的调制矩阵，通过校正后调制矩阵形成新的观测矩阵，将新的观测矩阵进行关联计算得到重构图像。
本发明还提供一种成像系统，包括发射单元、同步控制单元、第一信号探测器和数据处理单元；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源、光调制单元、分光器以及与所述分光器对应的第二信号探测器，所述第一信号探测器探测检测目标反射的光束信号，所述第一信号探测器和第二信号探测器分别与所述数据处理单元连接，所述同步控制单元分别连接所述第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元。
本发明还提供一种如上所述的成像系统的成像方法，包括以下步骤：
S1：所述光源发出的光束经过光调制单元调制后经分光器进行分光，一部分光束进入第二信号探测器实时探测光能量数据，另一部分光束投射到检测目标上；
S2：第二信号探测器将实时探测的光能量数据传递给所述数据处理单元，所述检测目标反射的光束通过所述第一信号探测器探测后将探测数据传递给所述数据处理单元；
S3:同步控制单元控制所述数据处理单元同步接收第一信号探测器和第二信号探测器的探测数据，将第二信号探测器探测到的每个光能量数据与设定的参考值做比较，得到对应的比例系数；
S4：根据比例系数将对应的探测数据进行校正，将校正后的探测数据进行关联计算得到重构图像。
进一步的，所述步骤S4为：根据比例系数对观测矩阵进行校正，将校正后的观测矩阵进行关联计算得到重构图像。
本发明提供的成像系统及成像方法，包括发射单元、同步控制单元、第一信号探测器和数据处理单元；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源、分光器和光调制单元，还包括与所述分光器对应的第二信号探测器，所述第一信号探测器探测检测目标反射的光束信号，所述第一信号探测器和第二信号探测器分别与所述数据处理单元连接，所述同步控制单元分别连接所述第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元。通过分光器对光源发出的光束进行分光，通过第二信号探测器实时探测光束的光能量，将每个光能量数据与设定的参考值做比较，得到对应的比例系数，根据比例系数对第一信号探测器的探测数据或观测矩阵进行校正，并将校正后的探测数据或观测矩阵进行关联计算，得到重构图像。本发明有效避免了不同激光脉冲之间能量不相等或者连续激光不同时间段能量波动，从而导致压缩感知过程中重构图像存在误差或者无法重构图像的问题，提高了图像重构准确度。
附图说明
图1是本发明实施例1中成像系统的结构示意图；
图2是本发明实施例3中成像系统的结构示意图。
图中所示：110、光源；120、分光器；130、光调制单元；140、投射单元；150、整形单元；30、同步控制单元；410、第一信号探测器；420、第二信号探测器；50、数据处理单元；60、检测目标。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种成像系统，包括发射单元、同步控制单元30、第一信号探测器410和数据处理单元50；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源110、分光器120和光调制单元130，还包括与所述分光器120对应的第二信号探测器420，所述第一信号探测器410探测检测目标60反射的光束信号，所述第一信号探测器410和第二信号探测器420分别与所述数据处理单元50连接，所述同步控制单元30分别连接所述第一信号探测器410、第二信号探测器420和数据处理单元50。具体的，光调制单元130包括DMD(DigitalMicromirror Device，数字微镜器件)、SLM(Spatial Light Modulator，空间光调制器)、基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)结构的光调制器件，液晶调制器件等，在光路上设置分光器120对光束进行分光，一部分光束进入第二信号探测器420，对其光能量数据进行实时探测；另一部分光束经过光调制单元130调制后投射到检测目标60上，反射的光束由第一信号探测器410进行探测，第一信号探测器410和第二信号探测器420分别将探测到数据传递至数据处理单元50，同步控制单元30控制数据处理单元50同步接收第一信号探测器410和第二信号探测器420的探测数据，即将两个探测器探测到的数据对应起来；接着数据处理单元50将第二信号探测器420探测到的每个光能量数据与设定的参考值进行比较，得到对应的比例系数，根据该比例系数对第一信号探测器410的探测数据进行校正，如其中一个光能量数据与参考值的比值为1.1，则将其对应的探测数据乘以1.1得到校正后的探测数据，由于在图像重构时，需要几百甚至成千上万次探测，因此针对每次的探测数据进行校正，并将校正后的探测数据进行关联运算，得到重构图像。需要说明的是，本文中的参考值可以是光束在一段时间内的光能量的平均值，也可以是任一个光能量的值，当然也可以是其他任意值，只要以同一个值为基准即可。
优选的，所述发射单元还包括位于所述光调制单元130后方的投射单元140，将所述光调制单元130的像投射至所述检测目标60上。具体的，投射单元140可以采用投影镜头，或者任意其他镜头，只要能实现该功能即可，此处不做限制。
优选的，所述光源110为脉冲光源或连续光源，当光源110为脉冲光源时，第二信号探测器420可以探测每个光脉冲的光能量数据，当光源110为连续光源时，第二信号探测器420则按设定频率检测持续电平信号的光能量数据。
优选的，所述第一信号探测器410为面阵探测器，所述第二信号探测器420为单点探测器。
优选的，所述光源110和分光器120之间还设有整形单元150，用于对光束进行整形，如形成平行光等。优选的，第一信号探测器410沿光路的前方还设有收光单元20，对检测目标60反射的光束进行收集，并将收集的光束传递给第一信号探测器410进行探测。
本实施例中还提供上述的成像系统的成像方法，包括以下步骤：
S1：所述光源110发出的光束经过分光器120后一部分光束进入第二信号探测器420实时探测光能量数据，另一部分光束经过光调制单元130调制后投射到检测目标60上；具体的，光调制单元130后方还设有投射单元140，如采用投影镜头，或者任意其他镜头将所述光调制单元130的像投射至所述检测目标60上。
S2：第二信号探测器420将实时探测的光能量数据传递给所述数据处理单元50，所述检测目标60反射的光束通过所述第一信号探测器410探测后将探测数据传递给所述数据处理单元50。
S3:同步控制单元30控制所述数据处理单元50同步接收第一信号探测器410和第二信号探测器420的探测数据，即将两者的探测数据对应起来，将第二信号探测器420探测到的每个光能量数据与设定的参考值做比较，得到对应的比例系数，如将每个光能量数据与参考值做除，得到比例系数，当然也可以通过其他方式得到比例系数。
S4：根据比例系数将对应的探测数据进行校正，将校正后的探测数据进行关联计算得到重构图像。如其中一个光能量数据与参考值的比值为1.1，则将其对应的探测数据乘以1.1得到校正后的探测数据，由于在图像重构时，需要几百甚至成千上万次探测，因此针对每次的探测数据进行校正，并将校正后的探测数据进行关联运算，得到重构图像。具体的，光调制单元130包括DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜器件)、SLM(SpatialLight Modulator，空间光调制器)、基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)结构的光调制器件，液晶调制器件等，校正的时候，可以通过修改调制矩阵的方式来校正，也可以通过上述器件来调节，具体为通过控制数字微镜器件中的每一组镜片的频率来实现的，比如，就是时刻1到时刻2，镜片以一定频率快速的变化，降低整个时刻的出光能量。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中的成像方法，所述步骤S4为：根据比例系数对观测矩阵进行校正，将校正后的观测矩阵进行关联计算得到重构图像。具体为，根据每个光能量数据与参考值的比例系数校正对应的调制矩阵，通过校正后调制矩阵形成新的观测矩阵，将新的观测矩阵进行关联计算得到重构图像。如其中三个光能量数据与参考值的比值分别为1.2，0.8，1.5，原调制矩阵为则校正后的调制矩阵分别为 每个调制矩阵中的数据依次排列则形成观测矩阵中的一行，从而校正观测矩阵。
实施例3
如图2所示，与实施例1不同的是，本实施例中的成像系统，包括发射单元、同步控制单元30、第一信号探测器410和数据处理单元50；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源110、光调制单元130、分光器120以及与所述分光器120对应的第二信号探测器420，所述第一信号探测器410探测检测目标60反射的光束信号，所述第一信号探测器410和第二信号探测器420分别与所述数据处理单元50连接，所述同步控制单元30分别连接所述第一信号探测器410、第二信号探测器420和数据处理单元50。具体的，光源110发出的光束经光调制单元130调制后经分光器120进行分光，一部分光束进入第二信号探测器420，对其光能量数据进行实时探测，另一部分光束则投射到检测目标60上，反射的光束由第一信号探测器410进行探测，第一信号探测器410和第二信号探测器420分别将探测到数据传递至数据处理单元50，同步控制单元30控制数据处理单元50同步接收第一信号探测器410和第二信号探测器420的探测数据，即将两个探测器探测到的数据对应起来；接着数据处理单元50将第二信号探测器420探测到的每个光能量数据与设定的参考值进行比较，得到对应的比例系数，此处在计算比例系数时，需考虑光调制单元130的调制矩阵中亮块的数量，如调制矩阵为总共9个方块，其中亮块即1的数量为5个，因此第二信号探测器420探测到光能量为总能量的5/9，在计算比例系数时，需乘以系数9/5，当调制矩阵为灰度矩阵时，则需要考虑每个亮块的系数，如调制矩阵为/>则第二信号探测器420探测到光能量为总能量的4.3/9，在计算比例系数时，需乘以系数9/4.3。根据计算得到的比例系数对第一信号探测器410的探测数据进行校正，并将校正后的数据进行关联计算得到重构的图像。
本实施例还提供一种如上所述的成像系统的成像方法，包括以下步骤：
S1：所述光源110发出的光束经过光调制单元130调制后经分光器120进行分光，一部分光束进入第二信号探测器420实时探测光能量数据，另一部分光束投射到检测目标60上。
S2：第二信号探测器420将实时探测的光能量数据传递给所述数据处理单元50，所述检测目标60反射的光束通过所述第一信号探测器410探测后将探测数据传递给所述数据处理单元50。
S3:同步控制单元30控制所述数据处理单元50同步接收第一信号探测器和第二信号探测器420的探测数据，将第一信号探测器410探测到的每个光能量数据与设定的参考值做比较，得到对应的比例系数；在计算比例系数时，需考虑光调制单元130的调制矩阵中亮块的数量，如调制矩阵为总共9个方块，其中亮块即1的数量为5个，因此第二信号探测器420探测到光能量为总能量的5/9，在计算比例系数时，需乘以附加系数9/5，当调制矩阵为灰度矩阵时，则需要考虑每个亮块的系数，如调制矩阵为/>则第二信号探测器420探测到光能量为总能量的4.3/9，在计算比例系数时，需乘以附加系数9/4.3，即将光能量数据与参考值作除并乘以附加系数得到比例系数。
S4：根据比例系数将对应的探测数据进行校正，将校正后的探测数据进行关联计算得到重构图像。如其中一个光能量数据对应的比例系数为1.1，则将其对应的探测数据乘以1.1得到校正后的探测数据，由于在图像重构时，需要几百甚至成千上万次探测，因此针对每次的探测数据进行校正，并将校正后的探测数据进行关联运算，得到重构图像。
当然也可以根据比例系数对观测矩阵进行校正，将校正后的观测矩阵进行关联计算得到重构图像，其中对观测矩阵的校正方法同实施例2。
综上所述，本发明提供的成像系统及成像方法，包括发射单元、同步控制单元30、第一信号探测器410和数据处理单元50；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源110、分光器120和光调制单元130，还包括与所述分光器120对应的第二信号探测器420，所述第一信号探测器410探测检测目标60反射的光束信号，所述第一信号探测器410和第二信号探测器420分别与所述数据处理单元50连接，所述同步控制单元30分别连接所述第一信号探测器410、第二信号探测器420和数据处理单元50。通过分光器120对光源发出的光束进行分光，通过第二信号探测器420实时探测光束的光能量，将每个光能量数据与设定的参考值做比较，得到对应的比例系数，根据比例系数对第一信号探测器410的探测数据或观测矩阵进行校正，并将校正后的探测数据或观测矩阵进行关联计算，得到重构图像。本发明有效避免了不同激光脉冲之间能量不相等或者连续激光不同时间段能量波动，从而导致压缩感知过程中重构图像存在误差或者无法重构图像的问题，提高了图像重构准确度。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种成像系统的成像方法，其特征在于，所述成像系统包括发射单元、同步控制单元、第一信号探测器和数据处理单元；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源、分光器和光调制单元，还包括与所述分光器对应的第二信号探测器，所述第一信号探测器探测检测目标反射的光束信号，所述第一信号探测器和第二信号探测器分别与所述数据处理单元连接，所述同步控制单元分别连接所述第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元；所述成像方法包括以下步骤：
S1：所述光源发出的光束经过分光器后一部分光束进入第二信号探测器实时探测光能量数据，另一部分光束经过光调制单元调制后投射到检测目标上；
S2：第二信号探测器将实时探测的光能量数据传递给所述数据处理单元，所述检测目标反射的光束通过所述第一信号探测器探测后将探测数据传递给所述数据处理单元；
S3: 同步控制单元控制所述数据处理单元同步接收第一信号探测器和第二信号探测器的探测数据，将第二信号探测器探测到的每个光能量数据与设定的参考值做比较，得到对应的比例系数；
S4：根据比例系数将对应的探测数据进行校正，将校正后的探测数据与观测矩阵进行关联计算得到重构图像，具体为，根据每个光能量数据与参考值的比例系数校正对应的调制矩阵，通过校正后调制矩阵形成新的观测矩阵，将新的观测矩阵进行关联计算得到重构图像。
2.根据权利要求1所述的成像系统的成像方法，其特征在于，所述发射单元还包括位于所述光调制单元后方的投射单元。
3.根据权利要求1所述的成像系统的成像方法，其特征在于，所述光源为脉冲光源或连续光源。
4.根据权利要求1所述的成像系统的成像方法，其特征在于，所述第一信号探测器为面阵探测器，所述第二信号探测器为单点探测器。
5.一种成像系统的成像方法，其特征在于，所述成像系统包括发射单元、同步控制单元、第一信号探测器和数据处理单元；所述发射单元包括沿光路依次设置的光源、光调制单元、分光器以及与所述分光器对应的第二信号探测器，所述第一信号探测器探测检测目标反射的光束信号，所述第一信号探测器和第二信号探测器分别与所述数据处理单元连接，所述同步控制单元分别连接所述第一信号探测器、第二信号探测器和数据处理单元；所述成像方法包括以下步骤：
S1：所述光源发出的光束经过光调制单元调制后经分光器进行分光，一部分光束进入第二信号探测器实时探测光能量数据，另一部分光束投射到检测目标上；
S2：第二信号探测器将实时探测的光能量数据传递给所述数据处理单元，所述检测目标反射的光束通过所述第一信号探测器探测后将探测数据传递给所述数据处理单元；
S3: 同步控制单元控制所述数据处理单元同步接收第一信号探测器和第二信号探测器的探测数据，将第二信号探测器探测到的每个光能量数据与设定的参考值做比较，得到对应的比例系数；
S4：根据比例系数将对应的探测数据进行校正，将校正后的探测数据进行关联计算得到重构图像，具体为：根据每个光能量数据与参考值的比例系数校正对应的调制矩阵，通过校正后调制矩阵形成新的观测矩阵，将新的观测矩阵进行关联计算得到重构图像。
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