CN110187498A - 一种真热光关联成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种真热光关联成像系统，该系统包括光学单元(I)和电学单元(II)；光学单元(I)包括真热光源(1)、光谱滤光部件(2)、分束器(3)和会聚收光部件(5)；电学单元(II)包括点探测器(6)、阵列探测器(7)、控制模块(8)、存储预处理模块(9)和计算模块(10)；所述真热光源(1)发出的光经光谱滤光部件(2)滤波后，经过分束器(3)分为两束；其中一束透过成像目标(4)由会聚收光部件(5)汇聚到点探测器(6)上，输出光子数至存储预处理模块(9)；另一束光照射在阵列探测器(7)上，输出光子数空间分布至存储预处理模块(9)；存储预处理模块(9)对数据进行预处理，计算模块(10)利用压缩感知算法进行图像重建。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及一种真热光关联成像系统。
背景技术
关联成像是一种计算成像方式，关联成像与传统透镜成像具有本质区别，它不需要阵列探测器探测物体信息，而使用单点探测器探测物体透射或反射光的总强度，并在另一参考光路用阵列探测器探测光源的强度信息，对两路光信号进行二阶强度关联运算即可获得物体的图像。由于关联成像只需点探测器探测目标信息，不仅大大简化了成像系统，而且总强度的探测与光的传播路径无关，从而具有穿透云雾、湍流和散射介质对目标成像的能力，因此关联成像成为近年来国内外的研究热点。
热光分为真热光和赝热光。常见的真热光有白炽灯、太阳光等，而赝热光是激光照射旋转毛玻璃产生的散斑光场，其统计性质与真热光场相似，但相干时间远大于真热光场相干时间，实现关联成像的难度更低。然而，实际应用中真热光关联成像具有独特的价值，因太阳光等真热光广泛存在于自然界中，真热光关联成像具有更好的环境适应性和灵活性。
关联成像在实际应用中的最大缺陷在于成像质量较差。传统的图像重建利用光场二阶关联运算得到目标图像，这是一种统计平均的计算方法，在有限的采样时间下无法获得准确的统计效果。近年来，赝热光关联成像的精确重建方法通过与压缩感知理论的结合得以建立。2004年Candès,Donoho和Tao等数学家提出压缩感知采样理论，指出可以对信号进行一系列线性采样，再通过最优化算法精确恢复出原始信号。并且，压缩感知在亚采样条件即采样次数小于信号数量时即可实现精确重建。赝热光关联成像中，散斑场强度分布、目标透过函数和物光路点探测器测量值之间即满足线性关系，因此可以利用压缩感知算法对赝热光关联成像数据进行重建，从而提高赝热光关联成像的成像质量。
然而，目前还没有适用于真热光关联成像的图像精确重建方法。这是由于真热光关联成像也具有很大的特殊性，使得赝热光关联成像与压缩感知的结合方式无法简单移植到真热光上，具体来说包括：(1)赝热光关联成像中，压缩感知精确重建以散斑场的强度分布信息为基础，但目前还没有对真热光场散斑的实验测量和研究，真热光场散斑的统计性质没有得到实验验证；(2)真热光关联成像中光信号均以单光子形式探测，且光场相干时间极短，在极短的采样时间内对目标透射或反射的光子数测量值一般为0-1分布，受散粒噪声影响无法直接建立信号光子数与目标图像间的线性关系，这与赝热光关联成像中使用强光照明或长时间信号累积具有很大区别，为解决这一问题，在压缩感知重建前需要额外的光子数预处理过程。
因此，目前的真热光关联成像仍然采用二阶关联的方式获取图像，通过对真热光场进行时间相关测量获得目标图像，由于二阶关联算法并不是精确求解的方法，基于时间相关测量的真热光关联成像在成像质量上无法达到实际应用要求。
综上所述，现有的真热光关联成像在成像质量上存在不足，为满足时间应用需求，亟需研究新型的真热光关联成像系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的真热光关联成像系统在成像质量上的不足，从而提供一种成像质量更高的真热光关联成像系统及其成像方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种真热光关联成像系统，用于对成像目标进行成像；所述系统包括光学单元和电学单元；所述光学单元包括真热光源、光谱滤光部件、分束器和会聚收光部件；所述电学单元包括点探测器、阵列探测器、控制模块、存储预处理模块和计算模块；
从所述真热光源发出的光经过光谱滤光部件滤波后，经过所述分束器分为两束；其中一束照射在成像目标上，透过成像目标的光由会聚收光部件汇聚到点探测器上，所述探测器输出透过成像目标的光信号的光子数至存储预处理模块；另一束光照射在阵列探测器上，所述阵列探测器输出光场的光子数空间分布至存储预处理模块；所述存储预处理模块接收和存储光子数和光子数空间分布并进行预处理，将预处理的结果传输给计算模块；所述计算模块利用压缩感知算法进行图像重建，获得成像目标的重建图像；所述控制模块用于控制点探测器和所述阵列探测器同步工作。
作为上述系统的一种改进，所述真热光源为自发辐射产生的光源。
作为上述系统的一种改进，所述光谱滤光部件为干涉滤光片、有色玻璃、光栅、棱镜、原子滤波器或法布里珀罗腔。
作为上述系统的一种改进，所述分束器为分束棱镜或分光平片。
作为上述系统的一种改进，所述会聚收光部件为透镜或透镜和衰减片的组合。
作为上述系统的一种改进，所述点探测器为盖革模式雪崩二极管或增强型电荷耦合器件。
作为上述系统的一种改进，所述阵列探测器为盖革模式雪崩二极管或增强型电荷耦合器件。
作为上述系统的一种改进，所述成像目标和所述分束器的距离，与所述阵列探测器和所述分束器的距离相等。
作为上述系统的一种改进，所述成像目标和所述分束器的距离与所述阵列探测器和所述分束器的距离之差，小于所述真热光源经过所述光谱滤光部件后所得光场的纵向相干长度。
作为上述系统的一种改进，所述控制模块向所述点探测器和所述阵列探测器发出探测时间的指令，并向所述点探测器和所述阵列探测器发出多组同步脉冲，所述点探测器和所述阵列探测器接收到同步脉冲后开始多组光信号探测，探测时间由所述控制模块发出的指令控制，将所获得数据传输至所述存储预处理模块。
作为上述系统的一种改进，所述存储预处理模块接收和存储光子数和光子数空间分布并进行预处理，具体包括：所述存储预处理模块接收和存储光子数和光子数空间分布；将光子数和光子数空间分布分为若干组，并将每组光子数和光子数空间分布相加，保证光子数平均值达到100光子以上，得到新的相对应的光子数和光子数空间分布。
作为上述系统的一种改进，所述计算模块采用下列算法中的任意一种实现压缩感知重建：匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、非定域TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l0重建算法、l1重建算法或l2重建算法。
作为上述系统的一种改进，所述计算模块实现压缩感知重建的算法为非定域TV算法。
本发明的优点在于：
1.本发明利用了压缩感知理论实现真热光关联成像，能够对图像进行精确求解，提高成像质量，解决了现有真热光关联成像质量差的问题；
2、压缩感知理论允许亚采样的采样数，本发明的测量次数小于获得图像的像素数，可以利用更短的时间获取真热光关联成像结果；
3、与现有真热光关联成像相比，本发明不要求探测器测量时间小于光场相干时间，降低了对系统时间控制精度的要求，提高了成像系统灵活性。
4、本发现中的真热光关联成像系统可以广泛在太阳光、白炽灯等条件下应用，对于对地观测、非视线成像等领域的发展有重要作用。
附图说明
图1是本发明的真热光关联成像系统的结构示意图；
图2是本发明的存储预处理模块进行数据预处理过程的示意图。
附图标识
I光学单元
1、真热光源 2、光谱滤光部件
3、分束器 4、成像目标
5、会聚收光部件
II电学单元
6、点探测器 7、阵列探测器
8、控制模块 9、存储预处理模块
10、计算模块
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的真热光关联成像系统利用了压缩感知(Compressive Sensing，简称CS)原理，所述的压缩感知原理是由Donoho、Tao和Candès等人提出的一个全新数学理论。按照压缩感知，通过对信号进行随机采样的方式，可以利用远低于奈奎斯特/香农采样定理要求的采样数实现对信号信息的采样，并通过数学算法完美地恢复原始信号，且具有很高的鲁棒性。压缩感知主要分为三步骤：压缩采样、稀疏变换与算法重建；其中，压缩采样，是指以少于信号数量的测量数对信号进行采样的过程y＝Ax，其中x为待测信号，A为测量矩阵，y为测量值。同时对信号的线性随机采样可以对探测维度进行压缩，只需要低于原始信号维度探测器即可获取信号的线性叠加信息。所述的稀疏变换是选取适当的稀疏基Ψ，使得x经Ψ作用所得值x’是稀疏的，即x在Ψ框架下可稀疏表达；所述的算法重建是在已知测量值y、测量矩阵A和稀疏基Ψ的条件下求解y＝AΨx'+e的过程，最后再由反演出x。
实施例1
参考图1，基于上述压缩感知原理，本发明提出了一种真热光关联成像系统，该系统包括光学单元I和电学单元II；其中，光学单元I包括真热光源1、光谱滤光部件2、分束器3和会聚收光部件5；电学单元II包括点探测器6、阵列探测器7、控制模块8、存储预处理模块9以及计算模块10；
从真热光源1发出的光经过光谱滤光部件2滤波后，经过分束器3分为两束；其中一束照射在成像目标4上，透过成像目标4的光由会聚收光部件5汇聚到点探测器6上，探测器6输出透过目标4的光信号的光子数至存储预处理模块9；另一束光照射在阵列探测器7上，阵列探测器7输出光场的光子数空间分布至存储预处理模块9；存储预处理模块9用于接收和存储光子数和光子数空间分布，并对数据进行预处理后传输给计算模块10；计算模块10利用压缩感知算法进行图像重建，获得成像目标4的重建图像；控制模块8用于控制点探测器6和阵列探测器7同步工作。
以上是对本发明的真热光关联成像系统的总体结构的描述，下面对真热光关联成像系统中各个部件的具体实现做进一步的描述。
真热光源1为成像系统的光源，真热光源指原子自发辐射产生的光。
光谱滤光部件2用于对真热光源进行滤波，减小真热光源光谱线宽，提高光源相干时间。光谱滤光部件2采用包括干涉滤光片、有色玻璃、光栅、棱镜、原子滤波器、法布里珀罗腔在内的具有滤光能力的器件实现。
分束器3用于将真热光源分为相同的两束，分束器3采用包括分束棱镜、分光平片在内的具有光学分束能力的器件实现。
会聚收光部件5包括透镜和衰减片，用于将透过待成像目标4的光信号收集到点探测器6上，衰减片用于调节光子数，在光子数较高时将光子数降低到适合点探测器6探测的水平。
点探测器6由盖革模式雪崩二极管(avalanche photodiode，简称APD)或增强型电荷耦合器件(Intensified Charge Coupled Device，简称ICCD)实现，用于探测经过成像目标4的光信号的光子数。
阵列探测器7由APD或ICCD实现，用于测量探测器所在平面的光子数分布。
待成像目标4和分束器3的距离，与阵列探测器7和分束器3的距离相等，或距离之差小于真热光源1经过光谱滤光部件2后所得光场的纵向相干长度。
点探测器6和阵列探测器7的曝光时间可以小于、等于或大于真热光源1经过光谱滤光部件2后所得光场的相干时间。
控制模块8确保点探测器6和阵列探测器7同步工作，包括：控制模块8向点探测器6和阵列探测器7发出探测时间的指令，并向点探测器6和阵列探测器7发出多组同步脉冲，点探测器6和阵列探测器7接收到同步脉冲后开始多组光信号探测，探测时间由控制模块8发出的指令控制，将所获得数据传输至存储预处理模块9。
如图2所示，存储预处理模块9存储点探测器6和阵列探测器7输出的光子数和光子数分布，并对数据进行预处理：分别将点探测器6和阵列探测器7的测量结果分为若干组，并将每组光子数和光子数分布相加，保证光子数平均值达到100光子以上，得到新的相对应的光子数和光子数分布数据，传输给计算模块10。
计算模块10利用存储预处理模块9的数据预处理结果重建出待成像目标4的图像。计算模块10采用下列算法中的任意一种实现压缩感知重建：匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、非定域TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l0重建算法、l1重建算法、l2重建算法。针对真热光关联成像的光子数泊松分布统计性质，使用非定域TV算法为最优选择。
以上是对本发明的真热光关联成像系统的结构说明。下面对该真热光关联成像系统的工作过程进行描述。
本发明的真热光关联成像系统在工作时包括以下步骤：
步骤1)光信号获取的步骤：
从真热光源1发出的光由光谱滤光部件2滤波，经过分束器3分为两束；其中一束照射在成像目标4上，透过成像目标4的光由会聚收光部件5收集到点探测器6探测，得到透过成像目标4的光信号的光子数；另一束光照射在阵列探测器7上，得到光场的光子数空间分布。
步骤2)探测器控制和同步工作的步骤；
控制模块8对整个真热光关联成像系统进行控制，包括对各部件的工作控制和同步信号发射，确保点探测器6和阵列探测器7同步工作。控制模块8发出若干同步脉冲，点探测器6和阵列探测器7获得相同数量的测量结果。
步骤3)压缩感知图像恢复的步骤；
将点探测器6和阵列探测器7的测量结果全部存入存储预处理模块9；存储预处理模块9对数据进行预处理，并传输给计算模块10，计算模块10利用压缩感知算法进行图像重建，获得成像目标4的重建图像。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (13)
1.一种真热光关联成像系统，用于对成像目标(4)进行成像；其特征在于，所述系统包括光学单元(I)和电学单元(II)；所述光学单元(I)包括真热光源(1)、光谱滤光部件(2)、分束器(3)和会聚收光部件(5)；所述电学单元(II)包括点探测器(6)、阵列探测器(7)、控制模块(8)、存储预处理模块(9)和计算模块(10)；
从所述真热光源(1)发出的光经过光谱滤光部件(2)滤波后，经过所述分束器(3)分为两束；其中一束照射在成像目标(4)上，透过成像目标(4)的光由会聚收光部件(5)汇聚到点探测器(6)上，所述探测器(6)输出透过成像目标(4)的光信号的光子数至存储预处理模块(9)；另一束光照射在阵列探测器(7)上，所述阵列探测器(7)输出光场的光子数空间分布至存储预处理模块(9)；所述存储预处理模块(9)接收和存储光子数和光子数空间分布并进行预处理，将预处理的结果传输给计算模块(10)；所述计算模块(10)利用压缩感知算法进行图像重建，获得成像目标(4)的重建图像；所述控制模块(8)用于控制点探测器(6)和所述阵列探测器(7)同步工作。
2.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述真热光源(1)为自发辐射产生的光源。
3.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述光谱滤光部件(2)为干涉滤光片、有色玻璃、光栅、棱镜、原子滤波器或法布里珀罗腔。
4.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述分束器(3)为分束棱镜或分光平片。
5.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述会聚收光部件(5)为透镜或透镜和衰减片的组合。
6.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述点探测器(6)为盖革模式雪崩二极管或增强型电荷耦合器件。
7.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述阵列探测器(7)为盖革模式雪崩二极管阵列或增强型电荷耦合器件。
8.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述成像目标(4)和所述分束器(3)的距离，与所述阵列探测器(7)和所述分束器(3)的距离相等。
9.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述成像目标(4)和所述分束器(3)的距离与所述阵列探测器(7)和所述分束器(3)的距离之差，小于所述真热光源(1)经过所述光谱滤光部件(2)后所得光场的纵向相干长度。
10.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述控制模块(8)向所述点探测器(6)和所述阵列探测器(7)发出探测时间的指令，并向所述点探测器(6)和所述阵列探测器(7)发出多组同步脉冲，所述点探测器(6)和所述阵列探测器(7)接收到同步脉冲后开始多组光信号探测，探测时间由所述控制模块(8)发出的指令控制，将所获得数据传输至所述存储预处理模块(9)。
11.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述存储预处理模块(9)接收和存储光子数和光子数空间分布并进行预处理，具体包括：所述存储预处理模块(9)接收和存储光子数和光子数空间分布；将光子数和光子数空间分布分为若干组，并将每组光子数和光子数空间分布相加，保证光子数平均值达到100光子以上，得到新的相对应的光子数和光子数空间分布。
12.根据权利要求1所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述计算模块(10)采用下列算法中的任意一种实现压缩感知重建：匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、非定域TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l0重建算法、l1重建算法或l2重建算法。
13.根据权利要求12所述的真热光关联成像系统，其特征在于，所述计算模块(10)实现压缩感知重建的算法为非定域TV算法。
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