CN112051239A - 基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法。包括以下步骤：测量散射介质的退相干时间；选择探测器的曝光时间；选择采样时间间隔；获取多帧具有不同点扩散函数的散斑图像；拼接多帧散斑图像获得一幅组合图像；利用组合图像重建目标图像。本发明利用点扩散函数的随机性以及平移不变性，将多帧散斑图拼接来获得一个具有更高的自相关信噪比的拼接图，近似替代与拼接图面积相等的单帧大面积采样，解决了散斑自相关成像环境中，探测器感光面积受限带来的采样不足导致无法重建目标图像的问题。

Description

基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法
技术领域
本发明涉及基于散射系统的成像方法，特别是一种基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法。
背景技术
散射成像是一种新兴的成像方式。它可以在某些传统成像无法应用的情况下对目标进行成像。从上个世纪末开始，已经出现了许多散射成像方法，比如时间门控法，波前整形技术，透射矩阵测量法，相位共轭技术，数字全息技术，反褶积法和散斑自相关方法等。其中，散斑自相关方法具有结构简单，响应快，以及非侵入等优点，具有很好的应用前景。
散斑自相关方法是基于韦纳辛钦定理和散射介质的记忆效应，来重建目标大小的方法。其原理是：在散射介质的记忆效应范围内的目标，目标(O)上的任意点在散射介质后形成的散斑(PSF)具有平移不变性。当目标被非相干光照明时，其透过散射介质之后形成的散斑(I)可以看成是目标上所有点产生的散斑的叠加，也可以表达成目标和系统的点扩散函数的卷积：I＝O*PSF。由于点扩散函数的自相关是一个类尖峰函数，所以散斑图案的自相关近似等价于目标自相关，根据韦纳辛钦定理，目标的功率谱等于目标的自相关的傅里叶变换的模：
Figure BDA0002085795620000011
所以可以通过采用图得到目标的功率谱：
Figure BDA0002085795620000012
然后利用相位恢复算法迭代，就可以获得重建结果。
然而，散斑自相关方法需要满足的前提是单帧内有足够的采样，否则散斑图案的自相关相对于目标自相关有一个严重的不可忽略的噪声，导致重建失败。这就要求实验中，探测器相对于散射介质的张角远大于目标相对于散射介质的张角。所以目前应用该方法的实验模型，像距(探测器到散射介质的距离)受到目标大小，探测器大小，以及物距(目标到散射介质的距离)的限制，一般都小于物距或者与物距大小接近，导致散斑自相关方法在一些像距更大的情况下失效。消除这种局限性的非侵入式方法，一是采用感光面积更大的探测器，二是在探测器前加入大口径透镜，但是这些措施占空大，成本高。
探测器所在的整个空间平面内的散斑图案，其可以被分割成很多具有非相干点扩散函数的互不相干的子图，所以整个空间平面可以看成是这些非相干的子图的拼接。而动态散射介质具有随着时间逐渐变化的点扩散函数，非相干的点扩散函数对应着非相干的散斑图案。把时间和空间系综联系起来，是一种常用的问题分析途径。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法，以实现用感光面积较小的探测器在较大距离内实现正确成像。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法，所述动态散射介质成像系统包括动态散射介质，探测器和计算机，所述的探测器与所述的计算机相连；其特征在于，该成像方法包括以下步骤：
步骤1、测量散射介质的退相干时间，具体是：
S1.1在动态散射介质的一侧放置点光源，一侧放置探测器，获得一幅散斑作为参考点扩散函数；
S1.2采样时序上多张点扩散函数，并计算每个点扩散函数与参考点扩散函数的相关系数；
S1.3选择相关系数等于0.5时的采样时刻与参考点扩散函数的采样时刻之间的时间间隔的两倍作为退相干时间；
步骤2、选择探测器的曝光时间，具体是：
将待测物体放置在动态散射系统的视场内，选择照明光源为空间非相干窄带光源，调整曝光时间，使信号光强最大值接近但不超过探测器的满阱容量；如果此时曝光时间没有足够小于退相干时间，那么可以适当缩短曝光时间，但光强最大值应该不少于探测器满阱容量的25％；
步骤3、选择采样时间间隔，具体是：
采样时间间隔以大于两倍的退相干时间为宜，以保证不同采样时刻的点扩散函数完全不相关；
步骤4、获取多帧具有不同点扩散函数的散斑图像，具体是：
利用已定曝光时间和采样时间间隔，在同一采样位置连续采样多帧散斑图，并存储于计算机上；
步骤5、拼接多帧散斑图像获得一幅组合图像，具体是：
将多帧散斑图拼接成一张组合图像，且每行每列的散斑图数相同，由于系综上的时空等效性，该组合图像可以近似等效于与其面积相等的单帧大面积采样；
步骤6、利用组合图像重建目标图像，具体是：
S6.1根据维纳-辛钦定理以及记忆效应范围内的点扩散函数平移不变性，通过组合的图像获得目标的功率谱；
S6.2利用功率谱，通过相位恢复算法迭代获得重建的目标图像。
所述的散斑图案的产生过程是：非相干窄带光源照明目标，所述的动态散射介质被从目标发出的光照射后，在所述的探测器感光面上产生散斑图案。所述的探测器的感光面相对于散射介质的张角应该不小于目标相对于散射介质的张角。
所述的动态散射介质也可以是能够改变位置的毛玻璃等静态散射介质。此时，上述过程中的退相干时间无需测量，通过机械控制散射介质以保证每次采样时散射介质被照射的横向位置不同。
本发明的技术效果：
本发明利用时间空间的系综等效性，可以在探测器采样面积受限的情况下实现对目标的重建，并且能直观地给出近似等效于大采样面积的散斑图案。
本发明可以应用在散斑自相关成像方法中，所需系统结构简单，操作方便，成本低，应用范围广。
附图说明
图1为动态射介质成像系统的结构示意图；
图中标记如下：
1-动态散射介质2-探测器3-计算机a-物面
图2为拼接原始采样图获得组合图像的示意图。
具体实施方式
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。但不应以此限制本发明的保护范围。图1为动态射介质成像系统的结构示意图，包括动态散射介质1，探测器2，计算机3。物面a上的目标被非相干窄带光源照射，从物面发出的光经过所述的动态散射介质1后入射到所述的探测器2，所述计算机3与所述探测器相连，存储所拍的图案并进行有关计算。
本实施例基于动态散射系统和散斑自相关方法，包括以下步骤：
步骤1、测量散射介质的退相干时间，具体是：
S1.1在动态散射介质1的一侧放置点光源，一侧放置探测器2，获得一幅散斑作为参考点扩散函数；
S1.2采样时序上多张点扩散函数，并计算每个点扩散函数与参考点扩散函数的相关系数，这里采用的相关系数的计算公式是：
Figure BDA0002085795620000041
其中Amn和Bmn是所选点扩散函数散斑和参考点扩散函数散斑的单个像素强度，
Figure BDA0002085795620000042
和
Figure BDA0002085795620000043
是平均强度；
S1.3选择相关系数等于0.5时的采样时刻与参考点扩散函数的采样时刻之间的时间间隔的两倍作为退相干时间；
步骤2、选择探测器2曝光时间，具体是：
将待测物体放置在动态散射系统的视场内，选择照明光源为空间非相干窄带光源，调整曝光时间，使信号光强最大值接近但不超过探测器的满阱容量；如果此时曝光时间没有足够小于退相干时间，那么可以适当缩短曝光时间，但光强最大值应该不少于探测器满阱容量的25％；
步骤3、选择采样时间间隔，具体是：
采样时间间隔以大于两倍的退相干时间为宜，以保证不同采样时刻的点扩散函数完全不相关；
步骤4、获取多帧具有不同点扩散函数的散斑图像，具体是：
利用已定曝光时间和采样时间间隔，在同一采样位置连续采样多帧散斑图，并存储于计算机3上；
步骤5、拼接多帧散斑图像获得一幅组合图像，具体方法可以参考图2，具体是：
将多帧散斑图拼接成一张组合图像，且每行每列的散斑图数相同，由于系综上的时空等效性，该组合图像可以近似等效于与其面积相等的单帧大面积采样；
步骤6、利用组合图像重建目标图像，具体是：
S6.1根据维纳-辛钦定理：
Figure BDA0002085795620000051
以及记忆效应范围内的点扩散函数平移不变性，通过组合的图像获得目标的功率谱；
S6.2利用功率谱，通过相位恢复算法迭代获得重建的目标图像。
综上所述，本发明是一种基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法，将此方法与散射成像系统以及散斑自相关方法相结合，不仅具有原有的系统以及成像方法的优势，并且能够在探测器采样面积受限导致采样无法满足成像要求的情况下，获得近似等效于大采样面积的散斑图，从而促成对目标的正确重建。

Claims (3)

1.一种基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、测量散射介质的退相干时间，具体是：
S1.1在动态散射介质(1)的一侧放置点光源，另一侧放置探测器(2)，获得一幅散斑作为参考点扩散函数；
S1.2采样时序上多张点扩散函数，并计算每个点扩散函数与参考点扩散函数的相关系数；
S1.3选择相关系数等于0.5时的采样时刻与参考点扩散函数的采样时刻之间的时间间隔的两倍作为退相干时间；
步骤2、选择探测器(2)的曝光时间，具体是：
将待测物体放置在动态散射系统的视场内，选择照明光源为空间非相干窄带光源，调整曝光时间，使信号光强最大值接近但不超过探测器的满阱容量；如果此时曝光时间没有足够小于退相干时间，可以缩短曝光时间，但光强最大值不少于探测器满阱容量的25％；
步骤3、选择采样时间间隔，具体是：
采样时间间隔以大于两倍的退相干时间为宜，以保证不同采样时刻的点扩散函数完全不相关；
步骤4、获取多帧具有不同点扩散函数的散斑图像，具体是：
利用选定的曝光时间和采样时间间隔，在同一采样位置连续采样多帧散斑图，并存储于计算机(3)上；
步骤5、拼接多帧散斑图像获得一幅组合图像，具体是：
将多帧散斑图拼接成一张组合图像，且每行每列的散斑图数相同；
步骤6、利用组合图像重建目标图像，具体是：
S6.1根据维纳-辛钦定理以及记忆效应范围内的点扩散函数平移不变性，通过组合的图像获得目标的功率谱；
S6.2利用功率谱，通过相位恢复算法迭代获得重建的目标图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法，其特征在于：所述的动态散射系统，动态散射介质(1)是体散射介质或具有点扩散函数时变特性的散射介质。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态散射系统的在探测面积受限情况下的成像方法，其特征在于：所述的探测器(2)相对于散射介质的张角不小于目标相对于散射介质的张角。
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