CN109343078A - 一种具有目标导向性切片三维鬼成像实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，属于光电成像领域。本发明实现方法如下：利用单像素探测器接收由目标反射的回波信号，通过分析回波波形特征获取峰值时刻；根据获得的回波波形峰值位置，在回波波形峰值位置处对接收信号进行时域切片，根据单像素探测器测得信号与散斑光场代表的空间光强分布进行关联计算，得到不同切片的二维鬼成像；将得到的不同切片的二维鬼成像照对应的目标纵向位置进行合并，实现三维场景重构，从而获得目标的三维形貌，即实现三维鬼成像。本发明根据回波波形峰值时刻确定目标位置，并在此位置进行切片成像，从而在减少切片数目的同时准确获取目标关键信息，实现三维鬼成像成像质量与成像效率的兼顾。

Description

一种具有目标导向性切片三维鬼成像实现方法
技术领域
本发明属于光电成像领域，特别是涉及一种具有目标导向性切片式三维鬼成像方法。
背景技术
鬼成像是一种在量子水平上发展出的新的光学成像技术，其核心在于将参考臂上包含空间信息的随机光场与筒探测器获取的包含目标信息的光强进行关联运算。鬼成像技术可以不需要成像透镜完成对目标形貌重构，从而突破传统光学分辨率极限，实现km级别cm量级的分辨率，同时只要存在光场涨落，即使日光亦可对目标成像，以上优点使得鬼成像在遥感、医疗、工业等民用与军用领域具有广泛的应用前景。
2013年,一篇发表在《science》期刊上的题为“3D computational imaging withsingle-pixel detectors”的文章首次提出了使用多个单像素探测器的三维计算鬼成像方案3D Computational Ghost Imaging，即3DCGI，该方案通过四个空间分离的单像素探测器分别恢复出物体的二维图像，然后利用得到的四幅二维图像中的不同明暗变化信息还原出物体表面的三维结构，大幅促进了鬼成像在实际场景中的应用。由此，关于三维鬼成像的研究逐渐兴起，随着对鬼成像结构与关键技术的深入研究，已经为三维鬼成像实用化做了良好铺垫。现有的切片式三维鬼成像方法被认为是较有前景方法，其主要是利用均匀的时域切片法实现纵深分割，同时利用切片位置对应的强度信息，实现二维鬼成像重构，最终将不同切片(纵深)对应的二维鬼成像合并，实现三维场景重构，从而获得目标的三维形貌。但是，由于均匀的切片难以准确与纵向关键位置完全对应，因此导致目标关键信息丢失，影响三维鬼成像的成像质量；若通过增加切片数量获取精细采样，则会导致产生大量冗余数据，影响三维鬼成像的成像效率。
发明内容
为了解决三维鬼成像成像质量与成像效率难以兼顾的问题，本发明公开的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法要解决的技术问题是：通过分析回波波形与纵向立体目标在时域上的对应关系，根据回波波形峰值时刻确定目标位置，并在此位置进行切片成像，从而在减少切片数目的同时准确获取目标关键信息，实现三维鬼成像成像质量与成像效率的兼顾。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，基于具有目标导向性切片三维鬼成像系统实现，所述基于具有目标导向性切片三维鬼成像系统包括脉冲激光器、分束镜、起始信号探测器、空间光调制器件、单像素探测器、FPGA核心控制电路及处理模块。由FPGA核心控制电路触发脉冲激光器发出脉冲激光，经分束镜上分成两部分，一部分被起始信号探测器接收得到信号起始时刻，另一部分照射至空间光调制器件，光束经过空间光调制器件反射后照射至被测目标，经被测目标反射或散射的回波信号被单像素探测器接收并送入处理模块中进行分析处理。
作为优选，为了提高光束质量和光能利用率，还包括准直透镜和液体透镜，准直透镜位于脉冲激光器和分束镜之间，液体透镜位于分束镜与空间光调制器件之间。
包括如下步骤：
步骤一，利用单像素探测器接收由目标反射的回波信号，通过分析回波波形特征获取峰值时刻，对比起始信号得到各峰值对应的飞行时间tn，计算出对应目标的纵向距离Ln＝ctn/2，c代表光速；
作为优选，当空间光调制器件选数字微镜设备时，为实现时域高精准切片，获取回波信号峰值时刻时，空间光调制器件不施加调制信号，光束经空间光调制器反射到目标上，从而保证此时单像素探测器接收到的回波信号能够准确反映目标纵向信息，用于步骤二实现时域高精准切片。
步骤二，根据步骤一获得的回波波形峰值位置，在回波波形峰值位置处对接收信号进行时域切片，根据单像素探测器测得信号与散斑光场代表的空间光强分布进行关联计算，得到不同切片的二维鬼成像。
激光经空间光调制器件调制后得到散斑光场，经被测目标反射或散射后被单像素探测器接收，根据步骤一中提取的回波波形峰值位置对接收信号进行时域切片，提取切片时刻的强度信息并计算对应切片平面的光场分布，不断改变施加在空间光调制器件上的调制信号，产生M个不同的散斑光场，针对每个切片能够采集到M组不同的强度信息及对应切片平面的光强分布，将所述M组强度信息及光强分布进行关联计算，即能够得到对应切片的二维鬼成像为：
gn(x,y)＝<I1n·I2n(x,y)>-<I1n><I2n(x,y)> (1)
公式(1)中，gn(x,y)为目标的第n个切片的重建函数，I1n为第n个切片时刻测得到强度信息，I2n(x,y)为根据数字微镜设备调制信号计算的第n个切片平面的光强分布，<·>为M次测量的均值运算；
作为优选，当空间光调制器件选数字微镜设备时，为了保证数字微镜设备与单像素探测器的工作同步，对接收信号进行时域切片时，在触发激光器发射脉冲激光的同时对数字微镜设备施加随机散斑调制信号，使得每个到达目标的脉冲信号和散斑光场对应一致，进而得到不同切片的二维鬼成像。
步骤三，将步骤二得到的不同切片的二维鬼成像照对应的目标纵向位置进行合并，实现三维场景重构，从而获得目标的三维形貌，即实现三维鬼成像。
有益效果：
1、本发明公开的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，通过分析回波波形特征获取峰值时刻，对比起始信号得到各峰值对应的飞行时间，计算出对应目标的纵向距离；从而准确在目标位置处进行切片鬼成像，实现对目标关键信息的有效提取，从而提高三维鬼成像的成像质量；
2、本发明公开的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，通过分析回波波形与纵向立体目标在时域上的对应关系，根据回波波形峰值时刻确定目标位置，并在此位置进行切片成像，从而在减少切片数目的同时准确获取目标关键信息，实现冗余数据的压缩，进而实现三维鬼成像成像质量与成像效率的兼顾。
附图说明
图1为实施例中具有目标导向性切片三维鬼成像系统图
图2为均匀切片方式与具有目标导向型切片方式对比图，其中图2a为均匀切片方式，图2b为目标导向型切片
图3为峰值时刻与目标纵向位置关系
图4为本发明公开的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法的流程图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例：
传统切片式三维鬼成像方法是通过对目标回波信号采用均匀间隔的时域切片方式完成的，如图2(a)所示，图中的t1，t2，t3，…，tn之间的间隔相同，这种方式由于均匀的切片难以准确与纵向关键位置信息完全对应，可能导致目标关键信息的丢失，若通过提高切片数量获取精细采样，虽然避免了信息丢失的问题，但会因切片数目太多而导致数据冗余，从而影响成像效率。具有目标导向性的切片方法如图2(b)所示，通过单像素探测器获取场景的回波波形，标记关键纵深位置(峰值位置)，即图中t1，t2，t3，…，tn。通过对比图2中(a)(b)两图，可以看出图(b)中的切片采样方式更具有针对性，在保证提取所有关键信息的同时，极大地压缩了采样切片数目，即在满足成像质量要求的同时在成像的实时性上也有显著提高。本实施例公开的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法中的切片位置是由实际场景决定的，通过对应切片位置的二维鬼成像，就能够快速获取目标的三维重构图像，促进鬼成像方法的实际应用。
具有目标导向性切片三维鬼成像系统主要包括：脉冲激光二极管，准直透镜，分束镜，起始信号探测器，液体透镜，数字微镜设备数字微镜设备，单像素探测器APD，FPGA核心控制电路及电子计算机。如图1所示搭建三维鬼成像系统，通过液体透镜驱动程序调节液体透镜焦距，控制光斑入射数字微镜设备的口径，使两者匹配，实现对激光光能和数字微镜设备的充分利用。
具有目标导向性切片三维鬼成像方法整个实现过程分为两个部分：(1)分析目标回波信号，提取峰值时刻，确定鬼成像切片位置；(2)通过控制数字微镜设备调制光场分布，通过关联计算实现各切片二维鬼成像并合成三维图像。
本实施例公开的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，具体实现步骤如下：
步骤一，利用单像素探测器接收由目标反射的回波信号，通过分析回波波形特征获取峰值时刻，对比起始信号得到各峰值对应的飞行时间，计算出对应目标的纵向距离。
在如图1所示的系统中，峰值位置的确定可由以下过程实现：由激光二极管发出脉冲激光，经准直透镜、分光镜后分为两部分，一部分被起始信号探测器接收得到信号起始时刻，另一部分通过液体透镜照射至数字微镜设备，此时数字微镜设备未施加任何调制信号，能够看作一个平面反射镜，光束经过数字微镜设备反射后照射至目标，经目标反射或散射的回波信号被单像素探测器接收，回波信号通过信号预处理电路，包括跨阻放大、增益控制、低通滤波后送入峰值鉴别器，将鉴别出的各峰值时刻与起始信号探测器测得的起始时刻相减，即可得出目标中各关键信息位置到系统的飞行时间tn(n＝1，2，···，N)，计算出对应位置的纵向距离Ln＝ctn/2，如图3所示。
步骤二，根据步骤一获得的回波波形峰值位置，在回波波形峰值位置处对接收信号进行时域切片，根据单像素探测器测得信号与散斑光场代表的空间光强分布进行关联计算，得到不同切片的二维鬼成像。
在确定切片位置后，目标的三维重构构成如图4所示，其具体实现过程为：由激光二极管发出脉冲激光，经准直透镜、分光镜后分为两部分，一部分被起始信号探测器接收得到信号起始时刻t0，另一部分通过液体透镜照射至数字微镜设备，在数字微镜设备上施加散斑调制信号，光束经过数字微镜设备反射后得到随机散斑图样，照射至目标，计算到数字微镜设备距离为Ln处的第n个切片位置的光强分布为I2n(x,y)，经目标反射或散射的回波信号被单像素探测器接收，采集回波信号上t0+tn时刻的光强值为I1n。在触发激光器产生新的激光脉冲时，同步调整数字微镜设备上的调制信号，改变散斑结构，此时可计算出第n个切片位置新的光强分布I’2n(x,y)，采集到回波信号上第n个切片位置新的光强值I’1n。重复上述操作，获得M组切片位置的光强分布和光强值，对其进行关联计算，即能够得到第n个切片的二维鬼成像：
gn(x,y)＝<I1n·I2n(x,y)>-<I1n><I2n(x,y)> (2)
步骤三，将步骤二得到的不同切片的二维鬼成像照对应的目标纵向位置进行合并，实现三维场景重构，从而获得目标的三维形貌，即实现三维鬼成像。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，基于具有目标导向性切片三维鬼成像系统实现，所述基于具有目标导向性切片三维鬼成像系统包括脉冲激光器、分束镜、起始信号探测器、空间光调制器件、单像素探测器、FPGA核心控制电路及处理模块；由FPGA核心控制电路触发脉冲激光器发出脉冲激光，经分束镜上分成两部分，一部分被起始信号探测器接收得到信号起始时刻，另一部分照射至空间光调制器件，光束经过空间光调制器件反射后照射至被测目标，经被测目标反射或散射的回波信号被单像素探测器接收并送入处理模块中进行分析处理；其特征在于：包括如下步骤，
步骤一，利用单像素探测器接收由目标反射的回波信号，通过分析回波波形特征获取峰值时刻，对比起始信号得到各峰值对应的飞行时间tn，计算出对应目标的纵向距离Ln＝ctn/2，c代表光速；
步骤二，根据步骤一获得的回波波形峰值位置，在回波波形峰值位置处对接收信号进行时域切片，根据单像素探测器测得信号与散斑光场代表的空间光强分布进行关联计算，得到不同切片的二维鬼成像；
步骤三，将步骤二得到的不同切片的二维鬼成像照对应的目标纵向位置进行合并，实现三维场景重构，从而获得目标的三维形貌，即实现三维鬼成像。
2.如权利要求1所述的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，
激光经空间光调制器件调制后得到散斑光场，经被测目标反射或散射后被单像素探测器接收，根据步骤一中提取的回波波形峰值位置对接收信号进行时域切片，提取切片时刻的强度信息并计算对应切片平面的光场分布，不断改变施加在空间光调制器件上的调制信号，产生M个不同的散斑光场，针对每个切片能够采集到M组不同的强度信息及对应切片平面的光强分布，将所述M组强度信息及光强分布进行关联计算，即能够得到对应切片的二维鬼成像为：
gn(x,y)＝<I1n·I2n(x,y)>-<I1n><I2n(x,y)> (1)
公式(1)中，gn(x,y)为目标的第n个切片的重建函数，I1n为第n个切片时刻测得到强度信息，I2n(x,y)为根据数字微镜设备调制信号计算的第n个切片平面的光强分布，<·>为M次测量的均值运算。
3.如权利要求1或2所述的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，其特征在于：为了提高光束质量和光能利用率，还包括准直透镜和液体透镜，准直透镜位于脉冲激光器和分束镜之间，液体透镜位于分束镜与空间光调制器件之间。
4.如权利要求1或2所述的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，其特征在于：当空间光调制器件选数字微镜设备时，为实现时域高精准切片，获取回波信号峰值时刻时，空间光调制器件不施加调制信号，光束经空间光调制器反射到目标上，从而保证此时单像素探测器接收到的回波信号能够准确反映目标纵向信息，用于步骤二实现时域高精准切片。
5.如权利要求1或2所述的一种具有目标导向性切片的三维鬼成像方法，其特征在于：当空间光调制器件选数字微镜设备时，为了保证数字微镜设备与单像素探测器的工作同步，对接收信号进行时域切片时，在触发激光器发射脉冲激光的同时对数字微镜设备施加随机散斑调制信号，使得每个到达目标的脉冲信号和散斑光场对应一致，进而得到不同切片的二维鬼成像。
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