CN109242753B - 基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法及装置，解决了现有单路随机共振重构方法出现离散强度调制及图像细节丢失的技术问题。该方法及装置通过附加一路相干性可控的噪声光束，并使散射的图像信号束和相干性可控的噪声光束结合后共同在非线性晶体中传输，发生模式耦合和相位调制。附加的噪声光束改变了散射信号束的空间频率组成，并为非线性耦合提供足够的能量，从而使重构增强的弱光图像强度分布均一，呈现出更多的高频细节。
Description
技术领域
本发明属于弱光图像的随机共振重构技术，涉及一种弱光图像随机共振重构方法及装置。
背景技术
水下成像、大气成像一直是研究的重点，各种技术致力于提高该环境下图像探测的距离和灵敏度。水中包含大量的有机物、悬浮粒子和溶解物质，大气中也包含雾、溶胶和颗粒物，这些组成成分对传输的光信号会造成严重的吸收和散射。当携带图像信号的激光束在这些介质中传输时，随着传播长度的增加，信号的强度和相干性呈指数性的衰退。产生的散射噪声快速的淹没图像，使图像质量急剧下降。水下各种宝贵的资源有待探索，大气中目标监视和探测尤为重要，因此，重构被吸收和散射的弱光图像意义重大。
经过散射后，图像结构信息是混乱的。通常情况下，噪声和信号被区分对待，各种成像技术致力于滤除噪声以获得清晰的图像。人们对信息的追求是无止境的，即使图像被完全散射，人们依然想重构出原始的图像信息。线性滤波成像技术表现出极大地限制性，原始的部分图像信息，特别是高频细节，不可避免的随同噪声被滤除，获得的图像损失了大量的结构信息。然而，信号和噪声的关系并不总是线性的。
对于随机共振，在噪声的协助下，信号的强度和信噪比可以得到有效增强和提升。信号、噪声、非线性是随机共振的三个基本要素。通过特定的非线性条件，利用随机共振可以实现噪声能量向信号能量的有序转移，从而使隐藏的信号得到增强和重构。
已有的单路随机共振重构方法是基于自相位调制不稳定性的，空域非局域非线性引起单束散射信号的模式耦合和相位调制，达到散射信号的重构。散射信号含有复杂空间频率的噪声，不一致的模式和有限的噪声能量供应，导致重构的图像出现离散的强度调制和细节的丢失。
发明内容
为解决现有单路随机共振重构方法，重构的图像出现离散的强度调制和细节丢失的技术问题，本发明提供一种基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法及装置。
本发明的技术解决方案如下：
基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将成像光源所发出的光束进行分束，其中一束作为成像光束，另一束用作噪声光束；
2)利用成像光束对目标物进行成像，所形成的图像信号在传输过程中被散射介质散射形成散射图像信号束；
对噪声光束进行处理形成与散射图像信号束空间模式相匹配的噪声光束；
3)将散射图像信号束与处理后的噪声光束合束；
4)将合束后的光束输入到光折变晶体，光折变晶体对噪声光束和散射图像信号束进行空间模式的耦合，调节光折变晶体c轴方向的外加电压，控制散射图像信号束与噪声光束的耦合强度，进行图像重构；
5)对重构后的图像进行采集，记录。
进一步地，为准确调控附加噪声光束的功率及相干性，步骤2)噪声光束的处理方法包括以下步骤：
2.1)对噪声光束进行衰减，从而调整功率的步骤；这是由于附加噪声光束功率低，不能为非线性耦合提供足够的能量；功率高，破坏散射图像的空间模式分布，使重构图像的质量恶化；合理地功率设置，有助于重构出高质量的图像。
2.2)将衰减后的光束通过透镜进行汇聚；
2.3)对汇聚后的光束利用旋转的毛玻璃进行散射，并通过光阑控制光束的相干性，再通过透镜平行出射。
同时，本发明还提供了一种实现上述的基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法的装置，其特殊之处在于：
包括成像光源、分束镜、第一反射镜、衰减片、第一透镜、毛玻璃、光阑、第二透镜、第二反射镜、合束镜、光折变晶体及CCD相机；
所述分束镜位于成像光源的输出光路上，用于将成像光源所发出的光束进行分束，其中一束作为成像光束，另一束用作噪声光束；
所述合束镜位于成像光束对目标物进行成像后所形成的图像信号的传输光路上；
所述第一反射镜、衰减片、第一透镜、毛玻璃、光阑、第二透镜、第二反射镜依次设置于分束镜及合束镜之间，用于依次对噪声光束进行反射、衰减、汇聚、散射、相干性调节、平行出射，最终通过第二反射镜进入合束镜；
所述光折变晶体设置在合束镜的输出端，用于对处理后的噪声光束和散射图像信号束进行空间模式的耦合，形成重构图像；
所述CCD相机设置在光折变晶体的输出端，用于对重构后的图像进行采集，记录。
进一步地，为了更好的进行水下目标探测图像的重构，步骤1)中激光器所产生的光束波长为532nm，步骤4)中的光折变晶体为SBN:75。
532nm是海水的透射波长，广泛用于水下目标探测。光折变晶体SBN:75拥有高的电光系数，在其中可以实现强的的非线性耦合。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法，与现有的单路随机共振重构方法相比，通过附加一路相干性可控的噪声光束，并使散射的图像信号束和相干性可控的噪声光束结合后共同在非线性晶体中传输，发生模式耦合和相位调制。附加的噪声光束改变了散射信号束的空间频率组成，并为非线性耦合提供足够的能量，从而使重构增强的弱光图像强度分布均一，呈现出更多的高频细节。
2、本发明基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法，有助于散射环境下的图像传输和获取，有着极其重要的研究价值和应用前景。除此之外，该方法及装置也为夜视、生物医学成像、遥感图像探测等提供了新的解决方案。
3、本发明基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构装置，基于“透镜-旋转毛玻璃-光阑-透镜”结构可以准确调控附加噪声光束的相干性；通过调节外加电压，控制光折变晶体中的非线性耦合过程，最终在噪声光束的协助下更高质量的重构出散射图像的原始强度分布及边缘细节，具有较高的可行性。
附图说明
图1为本发明实施例基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构装置的结构原理图；
图2为单路无附加噪声的散射图像和重构图像及双路附加噪声的散射图像和重构图像，其中：(a)为无附加噪声的散射图像；(b)为无附加噪声的重构图像；(c)为有附加噪声的散射图像；(d)为有附加噪声的重构图像。
其中的附图标记为：1-成像光源、2-分束镜、3-第一反射镜、4-衰减片、5-第一透镜、6-毛玻璃、7-光阑、8-第二透镜、9-第二反射镜、10-合束镜、11-光折变晶体、12-CCD。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的一个实施例进行详细说明。
如图1所示，实现本发明基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法的一种装置包括成像光源1、分束镜2、第一反射镜3、衰减片4、第一透镜5、毛玻璃6、光阑7、第二透镜8、第二反射镜9、合束镜10、光折变晶体11及CCD12；其中的成像光源1为Nd：YAG激光器，分束镜2为50/50分束镜，合束镜10为50/50合束镜；分束镜2位于成像光源1的输出光路上，合束镜10位于成像光束对目标物进行成像后所形成的图像信号的传输光路上；第一反射镜3、衰减片4、第一透镜5、毛玻璃6、第二透镜8、第二反射镜9依次设置于分束镜2及合束镜10之间，光折变晶体11设置在合束镜10的输出端，CCD12设置在光折变晶体11的输出端。
该装置的工作过程如下：
1)Nd：YAG激光器输出的200nW、532nm连续激光束，经过扩束准直后，通过50/50分束器BS1被分成两束激光束；
2)一束激光束对目标物进行成像，所形成的图像信号在传输过程中被散射介质散射形成散射图像信号束；
同时，另一束激光束通过衰减片4被调节至合适的功率，再通过第一透镜5、启转的毛玻璃6、光阑7、第二透镜8产生附加的噪声光束(功率9.6W/m2，相干长度90μm)。其中，两个透镜的焦距都为250mm，旋转的毛玻璃6放在两个透镜组的共焦点处，附加噪声光束的相干性可以通过调节光阑7的尺寸来控制。
3)散射图像信号束和附加的噪声光束通过50/50合束镜相结合，然后，一起输入到光折变晶体11中(两端镀有532nm增透膜，晶体尺寸5mm×5mm×10mm)。通过调节加在晶体c轴上的电压，可以控制非线性的耦合强度(电压约为1000V时，图像重构效果最佳)。
4)重构的图像，继续向前传输，最终被CCD12采集记录。
图2为单路无附加噪声的散射图像和重构图像及双路附加噪声的散射图像和重构图像，从图2可以看出，附加噪声的重构图像相对于无附加噪声的重构图像，强度分布更为均匀，边缘、轮廓细节更为明显。
Claims (5)
1.基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将成像光源(1)所发出的光束进行分束，其中一束作为成像光束，另一束用作噪声光束；
2)利用成像光束对目标物进行成像，所形成的图像信号在传输过程中被散射介质散射形成散射图像信号束；
对噪声光束进行处理形成与散射图像信号束空间模式相匹配的噪声光束；
3)将散射图像信号束与处理后的噪声光束合束；
4)将合束后的光束输入到光折变晶体(11)，光折变晶体(11)对噪声光束和散射图像信号束进行空间模式的耦合，通过调节光折变晶体(11)c轴方向的外加电压，控制散射图像信号束与噪声光束的耦合强度，进行图像重构；
5)对重构后的图像进行采集，记录。
2.根据权利要求1所述的基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法，其特征在于：
步骤2)噪声光束的处理方法包括以下步骤：
2.1)对噪声光束进行衰减；
2.2)将衰减后的光束通过透镜进行汇聚；
2.3)对汇聚后的光束利用旋转的毛玻璃(6)进行散射，并通过光阑(7)控制光束的相干性，再通过透镜平行出射。
3.实现权利要求1或2所述的基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法的装置，其特征在于：
包括成像光源(1)、分束镜(2)、第一反射镜(3)、衰减片(4)、第一透镜(5)、毛玻璃(6)、光阑(7)、第二透镜(8)、第二反射镜(9)、合束镜(10)、光折变晶体(11)及CCD(12)；
所述分束镜(2)位于成像光源(1)的输出光路上，用于将成像光源(1)所发出的光束进行分束，其中一束作为成像光束，另一束用作噪声光束；
所述合束镜(10)位于成像光束对目标物进行成像后所形成的图像信号的传输光路上；
所述第一反射镜(3)、衰减片(4)、第一透镜(5)、毛玻璃(6)、光阑(7)、第二透镜(8)、第二反射镜(9)依次设置于分束镜(2)及合束镜(10)之间，用于依次对噪声光束进行反射、衰减、汇聚、散射、相干性调节、平行出射，最终通过第二反射镜(9)进入合束镜(10)；
所述光折变晶体(11)设置在合束镜(10)的输出端，用于对处理后的噪声光束和散射图像信号束进行空间模式的耦合，形成重构图像；
所述CCD(12)设置在光折变晶体(11)的输出端，用于对重构后的图像进行采集，记录。
4.根据权利要求3所述的基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法的装置，其特征在于：
所述成像光源(1)为激光器，激光器所产生的光束波长为532nm。
5.根据权利要求4所述的基于交叉调制不稳定性的弱光图像随机共振重构方法的装置，其特征在于：
所述光折变晶体(11)为SBN:75。
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