CN115777073A - 具有稀疏照明的相干光学传感器 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于目标图像重构的方法。该方法包括以下步骤：发射在不同的时间段具有不同的恒定频率的阶跃频率波形；将阶跃频率波形调制到各自具有第一频率和第二频率的频率范围内，其中，各个阶跃频率波形基于范围函数从第一频率增加至第二频率，其中，调制的阶跃频率波形以某种稀疏因子布置。该方法还包括：将调制的阶跃频率波形发送到目标并且接受从目标反射的调制的阶跃频率波形的反射；使调制的阶跃频率波形与调制的阶跃频率波形的反射干涉，以生成调制的阶跃频率波形与调制的阶跃频率波形的反射之间的干涉的差拍信号；以及从差拍信号重构目标的图像。

Description

具有稀疏照明的相干光学传感器

技术领域

本发明总体上涉及相干光学传感器，更具体地，涉及一种具有稀疏照明的相干光学传感器。

背景技术

相干光学传感器用于为诸如医学成像、工业成像等的应用构建对象的3-D图像。这些传感器的固有限制在于其分辨率受到用于对对象进行照明的源的带宽限制。传统传感器使用与多个检测器组合的随机变化的高带宽源或者与单个接收器组合的在频域中扫掠的时变高带宽光学源。这两种解决方案均得到高分辨率，但是由于在前一种情况下制造检测器以及在后一种情况下制造源的复杂度，具有极高的成本。问题：降低相干光学传感器的成本。

光学相干断层成像(OCT)通常使用扫掠源激光器以高分辨率实现。不幸的是该激光器是极其昂贵的组件，使得OCT对于许多应用而言是昂贵到令人望而却步的技术。因此需要开发一种使得能够使用更便宜的光学源的相干感测系统。

发明内容

本公开的一些实施方式基于这样的认识：多个低带宽源啁啾的组合可实现高带宽。通过相干地组合低带宽啁啾，我们可针对稀疏目标实现等同于高带宽系统的性能。

本公开的一些实施方式基于这样的认识：通过使用与相位调制组合的单频光学源(例如，二极管激光器)，相当比例的期望照明带宽可被覆盖，从而允许某些目标的稀疏恢复。此外，在一些情况下，这种系统所需的光学频率的数量可能足够少，使得所有激光器和调制装置可被集成到单个光子集成电路(PIC)中。避免非线性装置、机械扫掠组件以及传统扫掠源的其它常见特征将是避免这些扫掠源的高成本的关键因素。

根据本公开的一些实施方式，相干光学感测系统利用适合于空间稀疏目标的稀疏照明来实现。据发现，性能相当于传统光学相干断层成像(OCT)，同时对光学源性能的约束可大大减少。由于与先前提出的阶跃频率调制相干传感器(例如，美国专利申请No.16/226723)相比源的带宽占用可减小，所以可实现等同性能而未调制载波的数量显著减少，因此降低源成本。另选地，总带宽可显著扩展，而不会增加未调制载波的数量，因此显著改进轴上分辨率而不会增加成本。结果，可利用大大降低的成本实现用于具有稀疏目标的工业应用改进传感器。

一些实施方式的目的是提供一种传感器，其被配置为根据从场景中的目标反射的频率调制信号重构场景的图像。这种图像在本文中被称为目标图像。一些实施方式的目的是提供这样一种传感器，其使用在频域中发射线性扫掠波形的线性扫掠源的功能，而没有制造理想线性扫掠源的成本和/或当前线性扫掠源的实际实现中的非线性所导致的缺陷。一些实施方式的目的是增加这些扫掠源的带宽，而没有通常与高带宽扫掠源关联的制造成本的高增长。

一方面，这些目标看起来过于乐观。然而，一些实施方式旨在利用阶跃频率扫掠源代替线性扫掠源，因为阶跃频率扫掠源可覆盖几乎任意高的带宽，而没有与带宽的增加关联的任何成本增加或具有适度的成本增加。然而，为了在频率调制图像重构中使用阶跃频率扫掠源，一些实施方式克服了多个挑战。

一些实施方式基于这样的理解：阶跃频率扫掠源本身不适合于频率调制图像重构。阶跃频率扫掠源在不同的时间段发射具有不同恒定频率的波形，但每个时间段仅单个频率。本质上，阶跃频率扫掠源所发射的波形是可由阶跃函数表示的阶跃频率波形，该阶跃函数是仅具有有限多段的分段常数函数。由于这些性质，仅所覆盖带宽中的少量频率被定义(具有值)，这使图像重构劣化。

此外，根据本公开的一些实施方式，提供了一种目标图像重构方法。该方法可包括以下步骤：发射在不同的时间段具有不同的恒定频率的阶跃频率波形；将阶跃频率波形调制到各自具有第一频率和第二频率的频率范围内，其中，各个阶跃频率波形基于范围函数从第一频率增加至第二频率，其中，调制的阶跃频率波形以某种稀疏因子布置；将调制的阶跃频率波形发送到目标并且接受从目标反射的调制的阶跃频率波形的反射；使调制的阶跃频率波形与调制的阶跃频率波形的反射干涉，以生成调制的阶跃频率波形与调制的阶跃频率波形的反射之间的干涉的差拍信号；以及从差拍信号重构目标的图像。

此外，本公开的一些实施方式提供了一种用于目标图像重构的系统。在这种情况下，该系统可包括：阶跃频率发送器，其被配置为在不同的时间段发射具有不同的恒定频率的阶跃频率波形；调制器，其被配置为将阶跃频率波形调制到频率范围内，各个阶跃频率波形具有第一频率和第二频率，其中，各个阶跃频率波形基于范围函数从第一频率增加至第二频率，其中，调制的阶跃频率波形在不同的时间段按稀疏因子布置；收发器，其被配置为将调制的阶跃频率波形发送到目标并且接受从目标反射的调制的阶跃频率波形的反射；混合器，其被配置为使调制的阶跃频率波形与调制的阶跃频率波形的反射干涉，以生成调制的阶跃频率波形与调制的阶跃频率波形的反射之间的干涉的差拍信号；以及信号处理器，其被配置为从差拍信号重构目标的图像。

附图说明

将参照附图进一步说明当前公开的实施方式。所示的附图未必按比例，而是重点通常放在示出当前公开的实施方式的原理。

[图1A]图1A示出根据本公开的一些实施方式的谱稀疏相干感测系统的示意图。

[图1B]图1B示出根据本公开的一些实施方式的阶跃频率源的频率对时间示意图。

[图1C]图1C示出根据本公开的实施方式的调制之后的阶跃频率源的频率对时间示意图。

[图1D]图1D示出根据本发明的一些实施方式的稀疏照明相干传感器的示例性示意图。

[图2A]图2A示出从一系列低分辨率测量重构高分辨率图像的过程的示意图。

[图2B]图2B示出根据本公开的实施方式的从许多低分辨率测量重构高分辨率图像的示例信号流。

[图2C]图2C示出根据本发明的一些实施方式的正被处理以生成高分辨率图像的低分辨率测量的示例性集合。

[图3]图3示出根据本公开的实施方式的系统的示意图，例示了反射波形在混合器中与未调制阶跃频率源混合。

[图4A]图4A示出根据本公开的实施方式的示例系统，其中通过将调制波形与未调制阶跃频率源混合来生成参考信号。

[图4B]图4B示出根据本公开的实施方式的示例系统，其中通过例如将参考信号存储在存储器中来使用数字参考信号发生器。

[图5]图5示出根据本公开的实施方式的从反射信号和参考信号的集合重构目标的图像的示意图。

[图6A]图6A示出根据本公开的实施方式的具有调制的阶跃频率源的示例架构。

[图6B]图6B示出根据本公开的实施方式的对阶跃频率未调制源应用调制的过程的示例。

[图7]图7是包含根据本公开的实施方式的系统的系统的框图。

[图8A]图8A是根据本公开的实施方式的测试金属样本的实验重构结果的示例。

[图8B]图8B示出根据本公开的实施方式的使用基于傅里叶变换的处理然后是基本峰值检测的重构结果。

尽管上述附图阐述了当前公开的实施方式，但是如讨论中指出的，也可以想到其它实施方式。本公开作为表示而非限制呈现了例示性实施方式。本领域技术人员可设计出落在当前公开的实施方式的原理的范围和精神内的众多其它修改和实施方式。

具体实施方式

以下参照附图描述本公开的各种实施方式。将注意的是，附图未按比例绘制，相似结构或功能的元件贯穿附图由相似的标号表示。还应该注意，附图仅旨在方便描述本发明的特定实施方式。它们并非旨在作为本发明的穷尽描述或者对本发明的范围的限制。另外，结合本发明的特定实施方式描述的方面未必限于该实施方式，可在本发明的任何其它实施方式中实践。

本公开的一些实施方式基于这样的认识：谱稀疏相干感测系统可被配置为执行一种方法，该方法包括以下步骤：在不同的时间段发射具有不同的恒定频率的阶跃频率波形，将阶跃频率波形调制到各自具有第一频率和第二频率的频率范围内。在这种情况下，各个阶跃频率波形基于范围函数从第一频率增加至第二频率，其中，调制的阶跃频率波形在不同的时间段按稀疏因子布置。该方法还包括以下步骤：将调制的阶跃频率波形发送到目标并且接受从目标反射的调制的阶跃频率波形的反射；使调制的阶跃频率波形与调制的阶跃频率波形的反射干涉，以生成调制的阶跃频率波形与调制的阶跃频率波形的反射之间的干涉的差拍信号；以及从差拍信号重构目标的图像。

目标的范围可通过对光源的频率进行线性啁啾，并且使从目标反射后的返回光与自身干涉来估计。由于两个光束的干涉，目标的距离与拍频成比例。通常，通过进行时域信号的快速傅里叶变换并获取大小来实现线性啁啾图像域。覆盖B与可达到的分辨率Δz成反比，并且使用阿贝分辨率标准，这可被量化为

其中c是空气中的光速。为了保持空间分辨率，同时减小扫描带宽，可使用线性阶跃啁啾，其中在啁啾与通过FFT重构的各个低分辨率图像之间使用恒定频率差。然后，通过将各自与正确相位相乘，求和，然后获取大小来获得高分辨率图像。然而，在这种情况下，无歧义成像范围R_U现在由啁啾

之间的间距限制，其中Δf是啁啾之间的线性间距。因此，为了实现高分辨率，同时还保持带宽占用较低，无歧义范围需要较小，使得其不适合于许多应用。还可与先前针对线性阶跃啁啾描述的线性重构一起使用啁啾之间的随机间距。在这种情况下，重构可受益于FFT的快速处理时间，而无歧义范围R_U现在仅由检测器的采样率限制，如

其中f_s是检测器的采样率，s是啁啾率。这种方法的主要局限是重构图像中的旁瓣。占用带宽越小，旁瓣越大，因此在图像域中提供噪声和失真，因为旁瓣看起来就像目标。应该注意，尽管低BW啁啾可用于匹配滤波测距，但这不允许两个紧密目标被同时成像。

为了避免无歧义范围和成像分辨率之间的权衡，可使用随机间隔的阶跃频率啁啾。随机性是伪随机的，并且在执行成像之前选择。对于线性啁啾，分辨率由

确定，并且无歧义范围为

其中Δf是啁啾之间的频率间距。各个接收波形具有常数项和单频AWGN。关于场景的先验信息不做假设，通过匹配滤波执行重构。用于评估分辨率精度的一个度量可以是峰值最大旁瓣比。使用该度量是因为它具有易分析形式，并且与错误概率有关(在概率框架内)。峰值的基本阈值可用于确定存在于成像区域内的目标的数量。估计误检的错误概率的基本概率框架可给出如下。

索引i的单个低带宽啁啾的重构图像由下式给出

因此重构高分辨率图像由下式给出

这得到峰值最大旁瓣比：

图1A示出根据本公开的一些实施方式的谱稀疏相干感测系统100的示意图。系统100被配置为根据从场景中的目标反射的频率调制信号重构场景的图像。系统100使用阶跃频率源110。这种图像在本文中被称为目标图像。

阶跃频率源110被配置为生成阶跃频率波形115，阶跃频率波形115然后被发送到调制器120。调制器120被配置为生成调制的阶跃频率波形125。调制的阶跃频率波形125被提供给目标130和混合器140，并且从目标130生成调制波形135的反射。该反射然后在混合器140中与调制的阶跃频率波形125混合以生成干涉145，干涉145然后在信号处理器150中被处理。信号处理器150被配置为生成目标图像155。

图1B示出根据本公开的一些实施方式的阶跃频率源110的频率对时间示意图。阶跃频率源110被配置为依次生成/发送各个频率121、122、123、124和125。在这种情况下，频率不包括交叠。一些实施方式基于这样的认识：给定适当图像重构技术，可仅利用稀疏照明谱完整地且准确地感测空间稀疏目标。此外，所发射的照明阶跃频率波形121、122、123、124和125在不同的时间段为不同的恒定频率，并且阶跃频率波形121、122、123、124和125在频率范围上调制。在这种情况下，各个频率范围具有第一频率和第二频率，并且各个阶跃频率波形基于范围函数从第一频率增加至第二频率。在一些情况下，范围函数可以是作为时间的函数的线性函数(即，啁啾)。此外，调制的阶跃频率波形121、122、123、124和125以某种稀疏因子布置。

本发明的一些实施方式基于这样的认识：具有调制器120和调制信号的阶跃频率源(或阶跃啁啾光源)110可具有显著低于等带宽的连续扫掠源的成本，同时针对空间稀疏目标提供等同性能。包含充当阶跃频率源110的多个分立激光器和调制器120以提供带宽的一些扩展的光学系统可在没有任何物理移动组件的情况下在单光子集成电路上实现。这继而允许使用现代半导体制造、处理和封装技术，并且与需要大量机械组装、对准和校准的传统装置相比成本显著降低。

在一些实施方式中，阶跃频率源110可通过将多个单频激光器连接并与相位调制器复用来实现。检测器采样率可在大约100MHz和1GHz之间。例如，采样率可为400MHz，啁啾率可在大约10¹⁶Hz/s和大约10¹⁷Hz/s之间。啁啾带宽可在大约10GHz和50GHz之间。在一些情况下，啁啾带宽可为15GHz。可使用接收波形的傅里叶变换的大小来执行图像重构。

通常，调制器120是被配置为对传入信号进行调制的装置。例如，一些实施方式使用Mach-Zehnder调制器(MZM)，其是表现出电光效应的信号控制元件用于对光束进行调制的光学装置。在一个实施方式中，对光束的相位和/或幅度施加调制。利用Mach-Zehnder调制器可实现几十吉赫兹的调制带宽。

在一个实施方式中，阶跃频率波形对于各个阶跃具有恒定高度，使得任两个邻近频率之间的差恒定。在此实施方式中，被配置为在由阶跃频率波形的阶跃限定的范围内扩展恒定频率的单个调制器可对整个阶跃频率波形进行调制以占用整个带宽。以这种方式，单个阶跃频率扫掠源(可利用多个恒定频率源实现)和单个调制器可生成覆盖几乎任意大的带宽134的调制信号。

图1C示出调制后的阶跃频率源135的频率对时间示意图。各个频率131被调制以提供扩展的带宽133。可以可选地执行调制，使得频率随时间132不断地且线性地增加，以生成线性啁啾。总测量带宽134被定义为整个调制波形135上的最大频率和最小频率之间的差。我们可将稀疏因子定义为波长数量乘以每波长的带宽，除以总测量带宽。例如，稀疏因子可被确定为使得频率范围之和小于目标的测量上的总带宽。

图1D示出根据本发明的一些实施方式的稀疏照明相干传感器(系统)100的示例性示意图。稀疏照明相干传感器100可包括阶跃频率源161、调制器110、循环器17、透镜或天线175、数字信号处理器195和相干传感器190。阶跃频率源161向调制器110发送波形165。调制波形111然后被发送至循环器170，然后被发送至透镜或天线175，透镜或天线175然后将波形180发送至目标185。然后由透镜或天线175收集反射，然后穿过循环器170。反射信号135然后在相干传感器190中与一部分调制波形115混合，然后在数字信号处理器195中被处理。

在一些情况下，循环器170是无源不可逆三端口或四端口装置，其中进入任何端口的微波或射频信号被旋转地发送到下一端口。在一个实现方式中，循环器170是被设计为使得进入任何端口的信号从下一端口出射的3端口循环器。这意味着如果信号进入端口1，则它从端口2发射，但是如果一些发射的信号被反射回循环器，则它不会从端口1出来，而是从端口3出射。在使用光学信号(例如，使用激光器作为阶跃频率源161)的实施方式中，循环器170是光学循环器。

根据本公开的实施方式，从循环器170的第二端口发射的调制波形被发送到透镜或天线175。成像头是提供用于光耦合到传感器中和耦合出传感器并且将光引导到目标上的装置。调制波形然后经由自由空间通道180被发送到目标185。来自目标的反射然后被透镜或天线175收集，然后在循环器170的端口2和3之间发送。反射信号135然后在混合器190中与未调制阶跃频率波形115混合，然后被信号处理器150处理。在一些情况下，信号处理器150可以是数字信号处理器195。

图2A示出使用系统100从一系列低分辨率测量重构高分辨率图像的过程的示意图，各个低分辨率测量对应于带宽等于调制的单个阶跃频率上的测量。低带宽测量被上采样201以提供上采样的低分辨率测量205的集合。测量然后经历与其相应阶跃频率202的相对频率对应的频移，以生成频移测量206的集合。低分辨率测量然后被求和203，以生成单个高分辨率测量207。该高分辨率测量207然后经历傅里叶变换204，以生成高分辨率图像208。

图2B示出根据本公开的一些实施方式的从许多低分辨率测量重构高分辨率图像的示例信号流。根据本发明的一些实施方式，低分辨率测量对应于低分辨率图像的谱。多个低分辨率测量210、211、212被上采样并且根据对应阶跃频率源频率的相对频率被频率转换220、221、222。这些操纵的低分辨率测量然后被求和225，然后经历傅里叶变换226以生成高分辨率图像227。

图2C示出根据本发明的一些实施方式的正被处理以生成高分辨率图像的低分辨率测量的示例性集合。在这种情况下，可通过包括以下步骤来执行重构图像：使用来自未调制波形的各个阶跃频率的低带宽测量来生成低带宽测量集合；在频域中通过零填充来增加低带宽测量集合中的每一个的采样率，以生成过采样测量集合；对与其相对光学频率对应的各个低带宽测量应用频移，以生成频移测量集合；对频移测量求和以生成单个高带宽测量；以及利用傅里叶变换来变换高带宽测量以生成目标图像。在这种情况下，目标图像的分辨率可大于各个低分辨率图像的分辨率。

例如，多个低分辨率测量260、270、280可针对测量的一小部分或整个轴向测量在频域中被上采样，并且根据对应阶跃频率源频率的相对频率被频率转换261、271、281。这些操纵的低分辨率测量然后被求和290，然后经历傅里叶变换以生成高分辨率图像295。

一些实施方式基于另一认识：调制参数的知识可用于目标图像重构。调制参数的示例包括调制信号、系统脉冲响应以及表示调制序列相对于测量设备的相对相位的调制序列定时。具体地，从目标反射的波形受到包括感兴趣过程和辅助过程的过程数量影响。感兴趣过程是从目标图像反射。该过程以允许重构目标图像的方式影响波形。辅助过程包括波形生成和波形调制的方式。生成的影响通过使调制的阶跃频率波形的反射与原始未调制的阶跃频率波形干涉来降低。然而，还需要考虑目标图像重构期间调制的影响。

调制参数具有与处理的波形的传播原理不同的原理。因此，在目标图像重构中直接考虑这些参数会是困难的。然而，一些实施方式基于这样的认识：在目标图像重构中考虑调制的一个方式是有参考信号来指示未调制和调制的阶跃频率波形的干涉，从而允许以与处理波形的形式相似的形式接收调制参数。该参考信号可有助于分离调制对调制的阶跃频率波形的反射的影响。

此外，根据本公开的实施方式的系统可通过包括以下步骤来执行：生成指示未调制的阶跃频率波形和调制的阶跃频率波形的干涉的参考信号；以及使用差拍信号和参考信号来重构目标图像。在一些情况下，重构步骤可包括以下步骤：针对未调制的阶跃频率波形的各个恒定频率在频域中使差拍信号和参考信号互相关以生成相关信号，使得各个恒定频率存在一个相关信号；在频域中以其相应频率的顺序组合相关信号，以在频域中生成目标的频率图像；以及使用傅里叶变换来变换频率图像以生成目标图像。此外，在数字域中执行干涉。

图3示出例示了根据本公开的一些实施方式的系统的示例示意图。在这种情况下，反射波形302在混合器305中与未调制的阶跃频率源301混合。所得差拍信号315连同参考信号发生器310中生成的参考信号320一起被发送到信号处理器330。

本发明的一些实施方式基于这样的认识：尽管图像重构需要发送的调制波形和接收的波形的去卷积，但是这可在数字域中无惩罚地进行。此外，本发明的一些实施方式基于这样的认识：如果反射波形与阶跃频率波形混合以形成差拍信号，并且调制波形与阶跃频率源混合以形成参考信号，则调制信号可以是所有频率分量中具有所需带宽和相等功率的任何波形。

图4A示出通过将调制波形与未调制阶跃频率源混合来生成参考信号的示例系统。反射波形302在混合器305中与未调制阶跃频率源301混合。所得差拍信号315然后在数字化器415中被数字化，然后被发送到数字信号处理器430。同时，调制波形401在混合器402中与未调制阶跃频率源301混合。所得参考信号320然后在数字化器425中被数字化，然后被发送到数字信号处理器430。

图4B示出例如通过将参考信号存储在存储器中来使用数字参考信号发生器的另一示例系统。反射波形302在混合器305中与未调制阶跃频率源301混合。所得差拍信号315然后在数字化器415中被数字化，然后被发送到数字信号处理器430。同时，数字参考信号435被发送到数字信号处理器430。

图5示出利用对应参考信号从低分辨率差拍信号的集合重构高分辨率目标图像的示例。差拍信号505和参考信号500用于计算互相关510，从而得到低分辨率图像515。然后使用诸如快速傅里叶变换(FFT)520的傅里叶变换来生成目标图像的低带宽谱。图像谱然后被上采样并且被频率转换以创建总谱527的单阶跃频率分量。分量谱527然后被求和530以生成高带宽谱535，然后使用逆傅里叶变换540来创建高分辨率图像550。

图6A示出具有调制的阶跃频率源的示例架构。N个单频载波601、602和603的集合利用被配置为生成具有阶跃频率的输出615的1xN开关610来切换。该开关由开关控制器611控制，开关控制器611使用由定时信号612提供的开关定时。阶跃频率源615由调制器620调制，调制器620根据调制信号621来调制以生成调制波形625。调制信号621具有也同步到定时信号612的定时。

图6B示出对阶跃频率未调制源应用调制的过程的示例。在640中示出初始阶跃频率源。使用单频源集合，瞬时频率在某一时间段645内恒定。在这种情况下，总带宽647的有效占用接近零。650示出要应用于阶跃频率的调制信号。调制信号覆盖固定带宽655，以与阶跃源频移645相同的周期重复。在这种情况下，带宽被完全占用，但仅限于调制带宽。在650中，瞬时频率不断地改变。660示出调制的阶跃频率波形的示意图。阶跃频率源的各个分量被调制以实现增加一些的带宽645，而调制的阶跃频率源的总带宽以一定的非零稀疏性被部分地占用。

图7是根据本公开的实施方式的包含图1D的数字信号处理器(系统)195的系统的框图，其可使用替代计算机或硬件处理器来实现。计算机1111包括通过总线1156连接的硬件处理器1140、计算机可读存储器1112、存储部1158以及具有显示器1152和键盘1151的用户接口1149。计算机可读存储器1112存储用于生成目标图像155的图像重构算法。处理器1140被配置为与计算机可读存储器1112结合使用经由接口提供的信号来生成目标图像。当参照图1A时，接口145已从混合器140接收到信号，在混合器140中将反射信号135和未调制阶跃频率波形125混合。

例如，在接收到用户从用户接口1149的表面(键盘表面1151)的输入时，与硬件处理器1140和计算机可读存储器1112通信的用户接口1149获取信号数据示例并将其存储在计算机可读存储器1112中。

根据应用，计算机1111可包括电源1154，电源1154可以可选地位于计算机1111的外部。适于连接到显示装置1148的用户输入接口1157可通过总线1156链接，其中，显示装置1148可包括计算机监视器、相机、电视、投影仪或移动装置等。打印机接口1159也可通过总线1156连接并且适于连接到打印装置1132，其中，打印装置1132可包括液体喷墨打印机、固体墨水打印机、大型商用打印机、热打印机、UV打印机或染料升华打印机等。网络接口控制器(NIC)1154适于通过总线1156连接到网络1136，其中，时间序列数据或其它数据等可呈现在计算机1111外部的第三方显示装置、第三方成像装置和/或第三方打印装置上。

仍参照图7，信号数据或其它数据等可经由网络1136的通信信道发送和/或存储在存储系统1158内以用于存储和/或进一步处理。可以想到，信号数据可最初被存储在外部存储器中并且稍后由硬件处理器获取以供处理，或者将信号数据存储在硬件处理器的存储器中以在稍后的某一时间处理。硬件处理器存储器包括所存储的可由用于执行弹性恢复系统/方法的硬件处理器或计算机执行的可执行程序、配电系统操作数据以及与该配电系统相同类型的历史配电系统数据和与配电系统或与该配电系统相似类型的配电系统的弹性恢复有关的其它数据。

此外，信号数据或其它数据可从接收器1146(或外部接收器1138)无线地或硬连线地接收，或者经由发送器1147(或外部发送器1139)无线地或硬连线地发送，接收器1146和发送器1147二者通过总线1156连接。计算机1111可经由输入接口1108连接到外部感测装置1144和外部输入/输出装置1141。例如，外部感测装置1144可包括收集所收集的配电系统的信号数据之前-期间-之后的数据的传感器。例如，灾难诱发故障线段和故障类型和故障影响客户。计算机1111可连接到其它外部计算机1142。输出接口1109可用于从硬件处理器1140输出处理的数据。要注意，在接收到用户从用户接口1149的表面1152的输入时，与硬件处理器1140和非暂时性计算机可读存储介质1112通信的用户接口1149获取区域数据并将其存储在非暂时性计算机可读存储介质1112中。

图8A是对于全啁啾(即，传统FMCW)、阶跃啁啾(即，谱稀疏FMCW)和多峰值情况，使用基于傅里叶变换的处理然后是使用3dB阈值(基于最大峰值)的基本峰值检测的测试金属样本的实验重构结果的示例。十字指示测试金属样本的所检测到的超过一个峰值及其对应位置(测试图案/形态图案)。标准偏差为1.3μm，成像参数为400MHz采样率，大致从1580nm至1610nm扫描，啁啾率为8.398e16 Hz/s，啁啾带宽为15GHz，重构分辨率为1.8um，64个频率。该图清楚地指示对于空间稀疏目标(例如所测量的那个)，谱稀疏照明可实现与基于传统FMCW的OCT相同的性能。获得良好的精度，同时系统显示出以宽(大约1mm)间距同时检测多个峰值的能力。

图8B示出使用基于傅里叶变换的处理然后是使用3dB阈值(基于最大峰值)的基本峰值检测的重构结果，其参数与针对图8A描述的那些相同。该图示出所提出的谱稀疏照明系统可针对空间稀疏目标(例如这里示出的那个)实现与传统FMCW OCT相等的轴上分辨率。以大约40微米间距清楚地检测多个反射，并且与FMCW OCT相比，谱稀疏OCT显示出可忽略的性能惩罚。

如所示，具有稀疏照明的相干光学感测系统适合于空间稀疏目标。这表明性能与传统光学相干断层成像(OCT)相当，同时对光学源性能的约束以及因此源成本可大大降低。

本公开的上述实施方式可按许多方式中的任一种来实现。例如，实施方式可使用硬件、软件或其组合来实现。当以软件实现时，软件代码可在任何合适的处理器或处理器集合(无论设置在单个计算机中还是分布于多个计算机之间)上执行。这些处理器可被实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或更多个处理器。然而，处理器可使用任何合适格式的电路来实现。

另外，本发明的实施方式可被具体实现为一种方法，已提供其示例。作为该方法的一部分执行的动作可按照任何合适的方式排序。因此，可构造以与所示不同的次序执行动作的实施方式，其可包括同时执行一些动作，尽管在例示性实施方式中作为顺序动作示出。

在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”的序数词修饰权利要求元素本身并不暗示一个权利要求元素相比于另一权利要求元素的任何优先或次序或者方法动作执行的时间次序，而是仅用作标签以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称(但使用序数词)的另一元素相区分，以区分权利要求元素。

尽管作为优选实施方式的示例描述了本发明，但是将理解，在本发明的精神和范围内可进行各种其它调整和修改。

因此，所附权利要求的目的涵盖落在本发明的真实精神和范围内的所有这些变化和修改。

Claims (16)

1.一种用于目标图像重构的方法，该方法包括以下步骤：

在不同的时间段发射具有不同的恒定频率的阶跃频率波形；

将所述阶跃频率波形调制到各自具有第一频率和第二频率的频率范围中，其中，各个所述阶跃频率波形基于范围函数从所述第一频率增加到所述第二频率，其中，经调制的阶跃频率波形具有稀疏因子；

将所述经调制的阶跃频率波形发送到目标并且接受从所述目标反射的所述经调制的阶跃频率波形的反射；

使所述经调制的阶跃频率波形与所述经调制的阶跃频率波形的所述反射干涉，以生成所述经调制的阶跃频率波形与所述经调制的阶跃频率波形的所述反射之间的干涉的差拍信号；以及

从所述差拍信号重构所述目标的图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所发射的照明阶跃频率波形在不同的时间段具有不同的恒定频率；

所述阶跃频率波形在各自具有第一频率和第二频率的频率范围上被调制，其中，各个所述阶跃频率波形基于范围函数从所述第一频率增加到所述第二频率，其中，所述经调制的阶跃频率波形以所述稀疏因子布置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述稀疏因子被确定为使得所述频率范围之和小于所述目标的测量上的总带宽。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，重构所述目标的图像的步骤包括以下步骤：

使用来自所述未调制波形的各个阶跃频率的低带宽测量来生成低带宽测量的集合；

通过在所述频域中进行零填充来增加所述低带宽测量的集合中的每一个低带宽测量的所述采样率，以生成过采样测量的集合；

对与其相对光学频率对应的各个所述低带宽测量应用频移，以生成频移测量的集合；

对所述频移测量求和，以生成单个高带宽测量；

利用傅里叶变换来变换所述高带宽测量以生成目标图像，其中，所述目标图像的分辨率大于各个所述低分辨率图像的分辨率。

5.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

生成指示所述未调制阶跃频率波形和所述经调制的阶跃频率波形的干涉的参考信号；以及

使用所述差拍信号和所述参考信号来重构目标图像。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，重构所述目标图像的步骤包括以下步骤：

针对所述未调制阶跃频率波形的各个恒定频率在频域中使所述差拍信号和所述参考信号互相关以生成相关信号，使得针对各个恒定频率存在一个相关信号；

在所述频域中以其相应频率的顺序组合所述相关信号，以在所述频域中生成所述目标的频率图像；以及

使用傅里叶变换来变换所述频率图像以生成所述目标图像。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在数字域中执行使所述经调制的阶跃频率波形与所述经调制的阶跃频率波形的所述反射干涉的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述范围函数是作为时间的函数的线性函数。

9.一种用于目标图像重构的系统，该系统包括：

阶跃频率发送器，该阶跃频率发送器被配置为在不同的时间段发射具有不同的恒定频率的阶跃频率波形；

调制器，该调制器被配置为将所述阶跃频率波形调制到频率范围中，各个所述阶跃频率波形具有第一频率和第二频率，其中，各个所述阶跃频率波形基于范围函数从所述第一频率增加到所述第二频率，其中，经调制的阶跃频率波形的布置具有稀疏因子；

收发器，该收发器被配置为将所述经调制的阶跃频率波形发送到目标并且接受从所述目标反射的所述经调制的阶跃频率波形的反射；

混合器，该混合器被配置为使所述经调制的阶跃频率波形与所述经调制的阶跃频率波形的所述反射干涉，以生成所述经调制的阶跃频率波形与所述经调制的阶跃频率波形的所述反射之间的干涉的差拍信号；以及

信号处理器，该信号处理器被配置为从所述差拍信号重构所述目标的图像。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所发射的照明阶跃频率波形在不同的时间段具有不同的恒定频率，其中，所述阶跃频率波形在频率范围上被调制，各个所述阶跃频率波形具有第一频率和第二频率，其中，各个所述阶跃频率波形基于范围函数从所述第一频率增加到所述第二频率，其中，经调制的阶跃频率波形的布置具有所述稀疏因子。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述稀疏因子被确定为使得所述频率范围之和小于所述目标的测量上的总带宽。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述信号处理器执行以下步骤：

使用来自所述未调制波形的各个阶跃频率的低带宽测量来生成低带宽测量的集合；

通过在所述频域中进行零填充来增加所述低带宽测量的集合中的每一个低带宽测量的所述采样率，以生成过采样测量的集合；

对与其相对光学频率对应的各个所述低带宽测量应用频移，以生成频移测量的集合；

对所述频移测量求和，以生成单个高带宽测量；

利用傅里叶变换来变换所述高带宽测量以生成目标图像，其中，所述目标图像的分辨率大于各个所述低分辨率图像的分辨率。

13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述信号处理器还执行以下步骤：

生成指示所述未调制阶跃频率波形和所述经调制的阶跃频率波形的干涉的参考信号；以及

使用所述差拍信号和所述参考信号来重构目标图像。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，重构所述目标图像的步骤包括以下步骤：

针对所述未调制阶跃频率波形的各个恒定频率在频域中使所述差拍信号和所述参考信号互相关以生成相关信号，使得针对各个恒定频率存在一个相关信号；

在所述频域中以其相应频率的顺序组合所述相关信号，以在所述频域中生成所述目标的频率图像；以及

使用傅里叶变换来变换所述频率图像以生成所述目标图像。

15.根据权利要求9所述的系统，其中，在数字域中执行使所述经调制的阶跃频率波形与所述经调制的阶跃频率波形的所述反射干涉的步骤。

16.根据权利要求9所述的系统，其中，所述范围函数是作为时间的函数的线性函数。

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