CN110132901A - 合成孔径穿散射介质成像的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种合成孔径穿散射介质成像的系统和方法，属于光电成像领域。该成像系统包括激光照明模块和图像采集模块，两者相互配合实现原始数据采集。成像方法基于自相关原理，为了突破记忆效应对目标物整体的限制，系统采用合成孔径的方法对目标物进行采集。得到原始图像之后，通过自相关原理和HIO算法对原始图像进行处理，以得到相对清晰的单幅图像的恢复图像，最后通过图像拼接算法得到最终的目标物穿散射介质恢复图像。本发明结构简单易实现，通过一次系统搭建可以进行长时间的稳定工作。后续运算过程简单，可以得到突破记忆效应的质量相对较高的穿散射介质图像，有效减小了散射介质在成像过程中对目标物的影响，有效提高了成像质量。

Description

合成孔径穿散射介质成像的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种合成孔径穿散射介质成像的系统和方法，属于光电成像领域。

背景技术

散射介质广泛存在于生活中，大到大气层，小到人体组织液，散射介质的存在给我们正常观察事物带来了极大的困扰。但是，由于客观原因，散射介质的存在是无法去除的，因此，若是想要减小散射介质对观察事物的影响，只能从成像系统和图像处理两方面入手。寻找一个合适的系统并且找到一个与其相匹配的算法成为穿散射介质成像研究的关键。

近几年，穿散射介质成像的研究在不断的进行着，并且在天文学，生物医学，探测领域和人们的日常生活中得到了广泛的应用，并且先后提出了光学相干断层扫描，波前整形技术，偏振散斑分析技术和自适应光学技术等方法来减小散射介质对成像质量的影响以得到在有散射介质的干扰下相对清晰的实验图像。由于这些技术需要的光学系统相对复杂，实验条件要求较高，甚至有的技术只能在特定的实验环境下才能实现穿散射介质成像，因此这些技术的发展一直受到限制，并且无法得到非常良好的效果，而且由于这些技术自身的限制导致其普适性偏差，很难应用到各行各业中，所以，我们需要一种系统简单并且限制条件较少的方法来实现穿散射介质成像，以便于该种方法可以在各个领域中得到更好的应用。

自相关方法的研究为穿散射介质成像领域带来了新的生机，利用自相关的方法可以在系统相对简单的情况下得到效果不错的穿散射介质图像。由于散斑图像的特性，利用自相关的手段可以有效地减弱其对图像整体的影响从而可以得到相对清晰的穿散射介质图像。这种方法最早由Ori Katz的团队提出，并且应用于观察生物细胞，并且得到了非常不错的效果。之后许多团队也以自相关原理为基础，针对穿过散射介质成像进行了许多研究，融入了更好的图像恢复算法，使得该方法在成像的清晰度方面不断进步。

中国发明专利CN105005053中给出了一种基于自相关原理的穿散射介质成像装置。但是，利用自相关的方法实现穿散射介质成像这个方法本身是有限制的，同时，这个限制严重阻碍了该技术的发展，这个限制源于记忆效应的影响。记忆效应给出，在一定的角度范围内，散斑图像的相关程度极高，但是出了这个范围，散射介质的相关程度将极速下降，以至于没有办法确定散射介质是否能通过图像整体的自相关滤除。由于记忆效应的限制，利用自相关穿散射介质成像的方法只能限制在一个很小的角度或者一个很小的范围内，超出这个范围将无法单纯的利用自相关去完成穿散射介质成像。

发明内容

本发明的目的是针对现有穿散射介质成像中，基于自相关原理的技术受到记忆效应的限制，进而限制了采集图像的大小，导致原本的基于自相关原理的成像方法适用范围窄的问题，提供合成孔径穿散射介质成像的系统和方法；本发明旨在利用简单的成像系统，在操作相对便利的前提下，实现对超出记忆效应限制的目标物进行成像，并且在目标物可分辨的情况下，尽可能的提高系统成像的清晰度，减少系统成像误差。

本发明同时提出一种针对上述系统的图象恢复方法，首先，基于自相关原理对得到的子图像经行处理得到子图像在记忆效应限制下的自相关图案。之后，确定图像恢复迭代算法的优化条件以及迭代终止条件对子图像的自相关图案进行复原。最终通过合成孔径原理进行图像拼接，以得到突破记忆效应限制的穿散射介质图像。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

合成孔径穿散射介质成像方法，具体步骤如下：

步骤一、图像采集；

首先确定系统各部分参数。基于系统结构设置基本参数，参数包括：激光器波长λ，4f系统透镜焦距f，DMD微镜尺寸d，目标物和散射介质之间的距离u，散射介质等效厚度L。

其次，确定系统记忆效应限制范围和像素个数。由于通过DMD所采集到的子图像需要在记忆效应范围之内，所以，对于子图像尺寸Δx要满足公式Δx≤uλ/πL，以便于最终的图像可以有效的突破记忆效应的限制，子图像尺寸直接对应着DMD靶面的大小、DMD中微镜的个数和CCD探测器的像素个数。得到子图像大小之后，就可以确定对DMD的控制，得到实验所需要的子图像成像范围。

确定子图像成像大小后采集多幅子图像，所采集的所有子图像共同构成所需采集的整体图像；

步骤二、子图像的恢复

采集得到的子图像为I_(m,n)(x,y)，其中(x,y)表示每一幅子图像中的像素点坐标，(m,n)表示子图像在整体被采集图像中所占的位置。之后对得到的子图像做自相关运算，其中表示二维自相关运算，R_(m,n)(x,y)表示标号为(m,n)位置的子图像的自相关结果。利用自相关运算得到的结果为：

其中FT{·}为傅里叶变换算符，FT^-1{·}为逆傅里叶变换算符，通过式(1)可以得到功率谱函数S_meas(k_x,k_y)＝|FT{R_(m,n)(x,y)}|，其中(k_x,k_y)为原坐标为(x,y)通过功率谱函数公式变化的结果坐标。最终，将功率谱函数带入迭代恢复算法中(iterative Fienup-type算法)得到子图像I_(m,n)(x,y)的最终恢复图像。

重复本步骤即能够得到每幅子图像的最终恢复图像；

步骤三、图像拼接

步骤二得到的每幅最终恢复图像中包含了原图中各个部分的幅值信息，但是由于采集过程中的震动和其他影响，直接拼接的效果可能并不理想。利用特征点检测算法(Point-registration)将每幅最终恢复图像拼接，消除微小错位的影响，以达到最好的拼接效果，最终恢复图像突破记忆效应的限制。

合成孔径穿散射介质成像系统，包括：CCD探测器、准直激光光源、扩束镜、数字微镜阵列(DMD)、衍射光栅、散射介质、一级4f系统以及二级4f系统；

准直激光光源通过扩束镜，将激光扩束为直径足够的光束并且照射目标物体，投射光穿过散射介质，之后经过衍射光栅进行系统入射角调整进入一级4f系统并且在DMD面上呈现倒立实像，实像经过DMD进行大小限制，保证每次出射光满足记忆效应的范围，之后经过二级4f系统最终到达CCD靶面进行图像采集。

所述一级4f系统包括第一凸透镜和第二凸透镜；

所述二级4f系统包括第三凸透镜和第四凸透镜；

所述第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜和第四凸透镜的焦距同为f。

一级4f系统、二级4f系统和DMD对单一孔径的成像大小加以限制。

其中，一级4f系统由两片等焦距透镜构成，用于实现物与DMD平面的共轭，衍射光栅为了改变光束入射角度，使得一级4f系统更好的实现物与DMD的共轭。同理，二级4f系统同样是有两片等焦距透镜构成，为了实现DMD平面与系统像平面的共轭，通过两级4f系统后，系统像平面上呈现物体的正立实像，并且此实像可以通过DMD控制分割为所需要的大小，以实现后续的图像采集和处理。

有益效果

1、本发明在以自相关原理为基础的穿散射介质成像的方法上突破了记忆效应的限制，使得以该方法为基础的传统成像系统对目标物大小的限制消失，更广泛的应用于各种穿散射介质的探测领域。

2、本发明结合DMD确定了一套新型的图像采集系统，在该系统和相应算法的配合下，可以简单方便的实现对带有散射介质干扰的图像进行采集和处理，并且最终得到相对清晰的恢复图像。

附图说明

图1是本发明的系统光路示意图例；

图2是本系统图像采集及处理，复原的流程图；

图3是实验过程中的采集图像及处理的结果；图3a为每幅自图像的采集结果，图3b为每幅采集到的子图像的恢复结果，图3c为每幅自图像恢复图的拼接图像，也就是最终的结果图像。

其中，1—准直激光光源，2—扩束镜，3—目标物，4—散射介质，5—衍射光栅，6—数字微镜阵列(DMD)，7—CCD探测器，8—第一凸透镜、9—第二凸透镜、10—第三凸透镜、11—第四凸透镜。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种合成孔径穿散射介质成像系统，包括：准直激光光源1，扩束镜2，目标物3，散射介质4，衍射光栅5，数字微镜阵列(DMD)6，CCD7，第一凸透镜8，第二凸透镜9，第三凸透镜10，第四凸透镜11，凸透镜焦距同为f，其中第一凸透镜8，第二凸透镜9和第三凸透镜10，第四凸透镜11构成了两组4f系统，同时，两组4f系统和数字微镜阵列6构成了合成孔径系统。通过该系统将目标物分割成记忆效应范围内的大小依次采集，最后再通过算法进行复原及拼接得出最终的复原图像。

上述组成部件构成的光路为:激光器1通过扩束镜2照射目标物3，并通过散射介质4形成含有目标物及散斑信息的出射光，该出射光经过衍射光栅5发生折射，改变光线入射角以配合DMD的数字微镜偏转角度。之后，光束经过一级4f系统到达DMD，特定部分光束经过反射后经过二级4f系统最终到达CCD靶面，被CCD记录下来。最终实验者将在计算机上进行对采集图像的观测。

本实例中散射介质的等效光学厚度L＝0.1mm，合成孔径穿散射介质系统采集图像及处理的流程如图2所示。

步骤1：确定系统各部分参数。

目标物距离散射介质u＝100mm，激光器波长λ＝644nm，DMD像素尺寸为4μm，4f系统透镜焦距f＝100mm。

步骤2：确定系统记忆效应限制范围和像素个数。

根据Δx≤uλ/πL和各个参数的设置，可以得出Δx_max＝205μm。单幅子图像采集的时候DMD成像范围小于Δx_max，由系统参数可以得出，单次成像时DMD像素个数取为50×50，之后使用DMD控制软件对其加以控制，使得微镜偏转个数符合系统中各参数的设定以得到合适的子图像。

步骤3：图像采集

系统搭建完毕后，按步骤2中的方法，使用DMD将预设子图像范围内的经过散射介质的出射光反射入光路，使得CCD依次对各个子图像进行采集。

步骤4：单幅图像的恢复

通过步骤3得到子图像如图3a所示，对采集到的子图像做自相关运算，并将单幅子图像的自相关结果带入迭代恢复算法中(iterative Fienup-type算法)，得到穿散射介质子图像的复原图如图3b所示，其中图3a，3b中的每个小区域代表着一个子图像。

步骤5：图像拼接

通过步骤4得到单幅自图像的复原结果，最后使用特征点检测的图像拼接算法(Point-registration)对子图像进行拼接，得到最终的恢复图像(图3c)。

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 (4)

1.合成孔径穿散射介质成像方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、图像采集；

首先确定系统各部分参数；基于系统结构设置基本参数，参数包括：激光器波长λ，4f系统透镜焦距f，DMD微镜尺寸d，目标物和散射介质之间的距离u，散射介质等效厚度L；

其次，确定系统记忆效应限制范围和像素个数；由于通过DMD所采集到的子图像需要在记忆效应范围之内，所以，对于子图像尺寸Δx要满足公式Δx≤uλ/πL，以便于最终的图像能够有效的突破记忆效应的限制，其中Δx表示子图像大小，u表示目标物和散射介质之间的距离，λ表示激光器波长，L表示散射介质等效厚度。子图像尺寸直接对应着DMD靶面的大小、DMD中微镜的个数和CCD探测器的像素个数；得到子图像大小之后，就能够确定对DMD的控制，得到实验所需要的子图像成像范围；然后采集多幅子图像，采集的所有子图像共同构成所需采集的整体图像；

步骤二、子图像的恢复

采集得到的子图像为I_(m，n)(x，y)，其中(x，y)表示每一幅子图像中的像素点坐标，(m，n)表示子图像在整体被采集图像中所占的位置；之后对得到的子图像做自相关运算，其中表示二维自相关运算，R_(m，n)(x，y)表示标号为(m，n)位置的子图像的自相关结果；利用自相关运算得到的结果为：

其中FT{·}为傅里叶变换算符，FT^-1{·}为逆傅里叶变换算符，通过式(1)可以得到功率谱函数S_meas(k_x，k_y)＝|FT{R_(m，n)(x，y)}|，其中(k_x，k_y)为原坐标为(x，y)通过功率谱函数公式变化的结果坐标；最终，将功率谱函数带入迭代恢复算法中(iterative Fienup-type算法)得到子图像I_(m，n)(x，y)的最终恢复图像；

重复本步骤即能够得到每幅子图像的最终恢复图像；

步骤三、图像拼接

步骤二得到的每幅最终恢复图像中包含了原图中各个部分的幅值信息，但是由于采集过程中的震动和其他影响，直接拼接的效果可能并不理想；利用特征点检测算法将每幅最终恢复图像拼接，消除微小错位的影响，以达到最好的拼接效果，最终恢复图像突破记忆效应的限制。

2.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括：CCD探测器、准直激光光源、扩束镜、数字微镜阵列、衍射光栅、散射介质、一级4f系统以及二级4f系统；

准直激光光源通过扩束镜，将激光扩束为直径足够的光束并且照射目标物体，投射光穿过散射介质，之后经过衍射光栅进行系统入射角调整进入一级4f系统并且在DMD面上呈现倒立实像，实像经过数字微镜阵列进行大小限制，保证每次出射光满足记忆效应的范围，之后经过二级4f系统最终到达CCD靶面进行图像采集。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于：所述一级4f系统包括第一凸透镜和第二凸透镜；所述二级4f系统包括第三凸透镜和第四凸透镜；所述第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜和第四凸透镜的焦距同为f。

4.如权利要求2所述装置，其特征在于：一级4f系统、二级4f系统和数字微镜阵列对单一孔径的成像大小加以限制。