CN114813643A

CN114813643A - 一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法及系统

Info

Publication number: CN114813643A
Application number: CN202210258421.9A
Authority: CN
Inventors: 郝群; 曹杰; 林利兴; 陈传训; 崔焕�; 周栋
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2022-07-29

Abstract

本发明公开一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法及系统，方法包括以下步骤：获取激光光束，基于所述激光光束，获得赝热光场；基于所述赝热光场，获得探测光场和参考光场；基于环境中的散射介质和所述探测光场，获得待测物体光强；基于预置散射介质和所述参考光场，获得散斑光强；基于所述待测物体光强和所述散斑光强，获得重构的待测物体图像。本发明为了实现穿散射介质关联成像，提出了一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，具有成本低，系统复杂度低的特点。

Description

一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法及系统

技术领域

本发明属于计算成像技术领域，尤其涉及一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法及系统

背景技术

生活中常见的雾、霾、沙尘等散射介质会改变光的传播路径，导致基于“点对点成像机制”的传统成像方式成像质量下降。穿透散射介质成像，在遥感、医学成像、浓烟环境中的成像等场景中扮演重要的角色，具有巨大的应用潜力。

现有的穿散射介质成像技术中，反馈优化波前法时效性不高，系统复杂；基于传输矩阵的重聚焦技术系统复杂且稳定性要求较高；基于光学记忆效应的散斑自相关成像技术的成像视场较小，受到散射介质记忆效应范围的限制。

关联成像，是一种非局域性的成像技术。赝热照明光场通过分束器分成探测光场和参考光场，探测光通过探测光路与物体相互作用后的总光强值被桶探测器探测，参考光场通过参考光路，其光场分布被CCD记录，进行多次测量，最后对测得的信号进行二阶关联运算即可重构出目标的图像。这种成像机制具有“离物成像”的优势，为实现穿散射介质成像提供了新思路。

相关研究人员在理论、实验方面进行了许多探索，研究结果表明，与传统之间成像相比，关联成像对位于目标物体与桶探测器之间的散射介质具有抵抗能力。然而，位于分束器与物体之间的散射介质会对使探测光场的光场分布与参考光路中CCD相机采集的参考光场分布相关性降低甚至失去相关性，从而对关联成像的成像结果造成干扰。针对这个问题，国内外也有很多相关报道，但是都存在一些劣势，比如有的仍需知道散射介质的传输矩阵、有的需要知道待成像目标的形状等先验信息等。目前报道的方法都未较好的利用关联成像的非局域特性，本文提出“将参考臂中关于分束器对称的位置引入与探测臂中存在的相同特性的散射介质”的方案，实现了预置散射介质对参考光场进行调制后进行二阶关联计算，进而实现穿散射介质关联成像。

发明内容

本发明公开一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法及系统。基于关联成像非局域性的成像机制，在参考光路中，关于分束器对称的位置预置一种与存在于探测光路中的散射介质散射特性相同的散射介质，再进行二阶关联重构，实现穿散射介质关联成像。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，包括以下步骤：

获取激光光束，基于所述激光光束，获得赝热光场；

基于所述赝热光场，获得探测光场和参考光场；

基于环境中的散射介质和所述探测光场，模拟探测光场通过环境中散射介质的场景，并获得透过待测物体的总光强；

基于预置散射介质和所述参考光场，获得参考散斑光场；

基于所述透过待测物体的总光强和所述参考散斑光场，通过二阶关联算法重构出待测物体图像。

可选地，获得透过待测物体的总光强的过程为：所述探测光场通过所述环境中的散射介质后，再照明待测物体，获得所述透过待测物体的总光强。

可选地，所述透过待测物体总光强的分布计算公式为：

可选地，获得参考散斑光场的过程为：所述参考光场通过所述预置散射介质后，获得所述参考散斑光场。

可选地，所述参考散斑光场的计算公式为：

可选地，重构待测物体图像的过程为：对所述透过待测物体的总光强和所述参考散斑光场进行二阶关联计算，重构出待测物体图像。

可选地，所述二阶关联计算公式为：

H＝<a′-<A′》<b′-<B′》。

另一方面，本发明提供了一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像系统，包括：激光器、旋转毛玻璃、分束器、环境中的散射介质、预置散射介质、桶探测器、CCD相机和成像模块；

所述激光器用于产生激光光束；

所述旋转毛玻璃用于基于所述激光光束，获得赝热光场；

所述分束器用于基于所述赝热光场，获得探测光场和参考光场；

所述环境中的散射介质用于模拟所述探测光场通过散射介质时的场景，通过散射介质后的探测光场照明待测物体后，获得透过待测物体总光强；

所述预置散射介质用于基于所述预置散射介质和所述参考光场，获得参考散斑光场；

所述桶探测器用于探测所述透过待测物体的总光强；

所述CCD相机用于采集所述参考散斑光场；

所述成像模块用于基于所述透过待测物体的总光强和所述参考散斑光场，重构出待测物体图像。

与现有技术相比，本发明技术效果：

本发明为了实现穿散射介质关联成像，提出了一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，具有成本低，系统复杂度低的特点。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明所述的关联成像的装置示意图。

图2是本发明所述的当分束器与待测物体之间存在散射介质时的装置示意图。

图3是本发明所述的在参考光路中预置与探测光路中的散射介质具有相同散射特性的散射介质时的装置示意图。

图4是成像结果对比图。其中：(a)是光路中无散射介质时的成像结果，可以重构出待测物体图像；(b)是分束器与物体之间存在散射介质时的成像结果，无法重构出待测物体图像；(c)是本发明所述的方法下的成像结果，可以重构出待测物体图像。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

现有技术中，如图1所示，当光路中不存在散射介质时，激光透过旋转毛玻璃后生成赝热光场，然后通过分束器分为探测光场和参考光场。探测光场在探测光路中照明待测物体后，透射的总光强值被桶探测器探测，参考光场在参考光路中被CCD相机采集。设待测物体H的尺寸为m×n，每一个像素位置记为O(x,y)，以矩阵形式可作一列进行表示：

H＝[O(1,1) O(2,1) ... O(m,n)]^T

参考光路中CCD相机采集的散斑图像尺寸也为m×n，每一个像素位置的光强值记为I_R(x,y)，第k次探测到的参考光场分布以矩阵形式可作一行表示：

探测光场照明待测物体后，透过的总光强值被桶探测器探测，第k次测量结果满足如下数学关系式：

b^(k)＝a^(k)H

进行K次测量后，采集到的所有参考光场的光场分布可表示为：

采集到的对应桶探测值可表示为：

B＝[b⁽¹⁾ b⁽²⁾ ... b^(K)]^T

满足数学关系式：

B＝AH

通过以下数学运算可解算出待测物体图像矩阵：

H＝A^-1B

如图2所示，当分束器与物体之间存在散射介质时，散射介质对光场的调制过程可用该散射介质的传输矩阵F进行表示。激光透过旋转毛玻璃后生成赝热光场，然后通过分束器分为探测光场和参考光场。探测光场在探测光路中通过散射介质后，第k次测量时，每个像素位置光强I′_T(x,y)＝I_T(x,y)·F，K次测量后可表示为：

桶探测器采集到的透过待测物体的总共强，即桶探测值为：

B′＝(A·F)H＝GH

而利用CCD相机K次测量后，采集到的所有参考光场的光场分布与该桶探测值进行关联计算后，重构出的结果为：

H′＝A^-1B′＝A^-1·GH＝FH≠H

即无法重构出待测目标物体。

如图3所示，本发明提供一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，方法流程为：获取激光光束，基于激光光束，获得赝热光场；基于赝热光场，获得探测光场和参考光场；基于环境中的散射介质，模拟所述探测光场通过散射介质时的场景，通过散射介质后的探测光场照明待测物体后，获得透过待测物体总光强；基于预置散射介质，参考光场通过该预置的散射介质,获得参考散斑光场。基于透过待测物体的总光强和参考散斑光场，通过二阶关联算法重构出待测物体图像。

具体的，在参考光路中预置与探测光路中散射介质散射特性相同的散射介质，该散射介质对参考光场的调制也可用散射介质传输矩阵F表示，参考光场通过该预置散射介质后，第k次测量时每个像素位置光强I′_R(x,y)＝I_R(x,y)·F，K次测量后可表示为A′＝AF，即：

利用CCD相机K次测量后，采集到的所有参考散斑光场与该桶探测值进行关联计算后，重构出的结果为：

H″＝A^′-1B′＝A^′-1·(A·F)H＝(AF)^-1·(A·F)H＝H

即通过对测得的两部分信号进行二阶关联计算：H＝<a′-<A′>><b′-<B′>>可以重构出待测物体图像，实现穿透散射介质关联成像。

实施例2

现有技术中，如图1所示，关联成像的装置示意图，主要的组成部分包括：532nm激光器、旋转毛玻璃、50：50分束器、CCD相机、待测物体镂空双缝以及桶探测器。

激光器发出激光打在旋转毛玻璃上产生赝热光场，通过分束器分为两部分，一部分为探测光场，另一部分为参考光场。待测物体与分束器距离为Z₁，CCD相机与分束器距离也为Z₁，桶探测器探测面紧贴待测物体。探测光场在探测光路中传播距离Z₁后与待测物体物体相互作用，作用后光场的总光强值被桶探测器探测。参考光场在参考光路中传播距离Z₁后被CCD相机采集。经过780次采样，将采集到的信号进行二阶关联计算，重构结果如图4(a)。

如图2所示，当分束器与待测物体之间存在散射介质时的装置示意图。盛放散射介质的容器(散射介质1)与分束器的距离为Z₂，探测光场与散射介质1作用后，再与待测物体物体相互作用，作用后的总光强值被桶探测器探测。参考光场传播距离Z₁后被CCD相机采集。经过780次采样，将采集到的信号进行二阶关联计算，重构结果如图4(b)。

如图3所示，本发明提供一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像系统，包括：532nm激光器、旋转毛玻璃、50：50分束器、环境中的散射介质、预置散射介质模块、待测物体镂空双缝、桶探测器和CCD相机；

当分束器与待测物体之间存在散射介质时，本发明所述的在参考光路中预置与探测光路中的散射介质具有相同散射特性的散射介质时的装置示意图。盛放预置散射介质2的容器，即预置散射介质模块与分束器的距离也为Z₂，参考光场与预置的散射2相互作用后，传播到CCD像面所在位置时的光场分布被CCD相机采集。经过780次采样，将采集到的信号进行二阶关联计算H＝<a′-<A′>><b′-<B′>>，重构结果如图4(c)，尺寸为128×128。

进一步的，计算重构结果的衬噪比(CNR)和可见度(V)，作为评价指标。衬噪比的计算公式为：

可见度的计算公式为：

其中，H(x_in)和H(x_out)分别代表镂空双缝透射区域和反射区域；

如图4所示为成像结果对比图。重构结果的衬噪比和可见度以(CNR,V)的形式标记在每副图像的下方。其中：(a)是光路中无散射介质时的成像结果，可以重构出待测物体图像；(b)是分束器与物体之间存在散射介质时的成像结果，无法重构出待测物体图像，衬噪比和可见度明显减小；(c)是本发明所述的方法下的成像结果，可以重构出待测物体图像，衬噪比和可见度与(b)相比有所提高。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取激光光束，基于所述激光光束，获得赝热光场；

基于所述赝热光场，获得探测光场和参考光场；

基于预置散射介质和所述参考光场，获得参考散斑光场；

2.根据权利要求1所述的基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，其特征在于，获得透过待测物体总光强的过程为：所述探测光场通过所述探测光路中存在的散射介质后，再照明待测物体获得透过所述待测物体的总光强。

3.根据权利要求2所述的基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，其特征在于，所述透过待测物体总光强的分布计算公式为：

4.根据权利要求3所述的基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，其特征在于，获得参考散斑光场的过程为：所述参考光场通过所述预置散射介质后，获得所述参考散斑光场。

5.根据权利要求4所述的基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，其特征在于，所述参考散斑光场的计算公式为：

6.根据权利要求5所述的基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，其特征在于，重构待测物体图像的过程为：对所述透过待测物体总光强和所述参考散斑光场进行二阶关联计算，重构出待测物体图像。

7.根据权利要求6所述的基于预置散射介质的穿散射介质关联成像方法，其特征在于，所述二阶关联计算公式为：

H＝<a′-<A′>><b′-<B′>>。

8.一种基于预置散射介质的穿散射介质关联成像系统，其特征在于，包括：激光器、旋转毛玻璃、分束器、环境中的散射介质、预置散射介质、桶探测器、CCD相机和成像模块；

所述激光器用于产生激光光束；

所述旋转毛玻璃用于基于所述激光光束，获得赝热光场；

所述桶探测器用于探测所述透过待测物体的总光强；

所述CCD相机用于采集所述参考散斑光场；

所述成像模块用于基于所述透过待测物体的总光强和所述参考散斑光场，通过二阶关联算法重构出待测物体图像。