CN116015478A - 一种远距离鬼成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于临地安防技术体系中涉水光学、水下安防的技术领域，具体涉及一种利用随机强度分布调制贝塞尔光束实现远距离鬼成像的方法。方法包括以下步骤：经光源发出的光，经过贝塞尔光束产生器件生成贝塞尔光束，贝塞尔光束再经过光场强度调制器件对贝塞尔光束进行调制，调制后的贝塞尔光束将具有强度调制的随机散斑光场特性，使用该光束对目标进行鬼成像。利用贝塞尔光束无衍射特性和强度调制的随机散斑光场特性，应用于水下远距离鬼成像的研究中，通过全新的思路实现了在水下这种高散射环境中的远距离鬼成像。

Description

一种远距离鬼成像方法

技术领域

本发明属于临地安防技术体系中涉水光学、水下安防的技术领域，尤其涉及一种基于强度调制贝塞尔光束的水下远距离鬼成像方法和系统。

背景技术

水下鬼成像技术是临地安防技术体系中涉水光学、水下安防的重要技术之一。鬼成像是基于量子纠缠或者经典光场涨落的关联特性，通过参考光场与目标探测光场之间的强度关联，非定域地获取目标物体信息的一种新型成像技术。鬼成像的概念首先是基于参量下转换产生空间纠缠光子对实现成像。对于传统鬼成像，光源发出光经过调制后，用分光镜将光分为两束，一束光照在目标物体上称为信号光路，后面放置无空间分辨率的光电探测器(桶探测器)，收集照射到目标物体后的反射或射的总光强。另一束直接照在相机上，称为参考光路。相机具有空间分辩率，对该光路的光束横截面进行扫描得到空间分布信息。经过多次测量，将多次目标物体的光强和多次对应的空间分布信息进行关联运算就可以恢复目标物体的像。之后研究表明，鬼成像所使用的光源可以是纠缠光源，也可以是热光源或赝热光源，即量子鬼成像和经典鬼成像，为开拓新的鬼成像方法提供了可能。2008年Shapiro提出了能够省略参考光路的计算鬼成像理论，通常使用空间光调制器或数字微镜器件进行相位或振幅调制，来产生预制调制光场，不需要CCD进行探测，直接使用桶探测器接收探测目标的光强信号，采用强度二阶关联算法，加权平均，最终反演出目标图像。

水下鬼成像是计算成像研究的最基本主题之一。在水下及类似高散射环境中成像时，传输的调制光场受到散射、衍射等效应的影响非常容易失真，光场分布容易被破坏，而计算鬼成像的成像距离和成像质量高度依赖于传输的调制光场。为保障调制光场不失真，具有无衍射特性的贝塞尔光束是选择之一。2012年Ronald E.Meyers等人(Appl.Phys.Lett.100，061126(2012))首次报道了使用不断位移的贝塞尔光场进行鬼成像，之后利用贝塞尔光束进行鬼成像鲜有报道，其中关键的问题是单纯使用贝塞尔光束，通过位移变换进行鬼成像，会在重构图像中产生很强的背景噪声，降低成像质量。

由此可见，在水下及类似高散射环境中，如何利用贝塞尔光束无衍射特性进行远距离鬼成像时亟待解决的关键问题。

发明内容

为解决在水下及类似高散射环境中，基于传统强度调制光场的计算鬼成像距离近的问题，以及基于位移变化贝塞尔光束的计算鬼成像质量不高的问题，本发明提出了一种基于强度调制贝塞尔光束的水下远距离鬼成像方法，结合贝塞尔光束无衍射特性和强度调制的随机散斑光场特性，使用强度调制随机散斑的贝塞尔光束，应用于水下远距离鬼成像中。在水下及类似的高散射环境中，相对于单独使用强度调制随机散斑，所述的方法具有成像距离远的优点；相对于单独使用利用位置偏移的贝塞尔光束，所述的方法具有成像质量高的优点。该方法以贝塞尔光场为载体，携带随机强度调制散斑，实现水下及类似的高散射环境中的远距离高质量鬼成像，将拓展鬼成像技术的应用范围。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

本发明公开的一种基于强度调制贝塞尔光束的水下远距离鬼成像方法和系统。所述基于强度调制贝塞尔光束的水下远距离鬼成像方法包括以下步骤：

步骤一：光源(1)产生具有一定发散角度的高斯光束或平面光束，强度调制贝塞尔光束产生器件(2)将所述高斯光束或平面光束生成随机强度调制的贝塞尔散斑光场；其中，所述强度调制贝塞尔光束产生器件(2)包括贝塞尔光束产生器和光场强度调制器，所述贝塞尔光束产生器生成随机强度调制的贝塞尔光束；所述光场强度调制器对所述随机强度调制的贝塞尔光束进行调制，生成随机强度调制的贝塞尔散斑光场；

步骤二：根据步骤一生成的随机强度调制的贝塞尔散斑光场，依次投射到目标(3)上，并采用不需要具有空间分辨能力的光电探测器(3)测量目标反射或透射的总光强信号，所述的总光强信号作为目标图像与光投影模式之间的内积；之后，将所述总光强信号传递到计算机(4)的数据同步与处理模块；

步骤三：在所述数据同步与处理模块中将步骤二得到的所述总光强信号与相应投射的所述随机强度调制的贝塞尔散斑光场进行计算重构，得到目标的图像，实现水下远距离鬼成像。

步骤三中所述的计算重构是基于强度调制贝塞尔光束的水下远距离鬼成像方法，采用如下关联计算公式：

其中，G(x，y)是被测目标(3)的图像，< 〉表示对N次测量取算数平均值，I(x，y)未载入到强度调制贝塞尔光束产生器件的第n个随机图的强度分布，B为光电探测器探测到的对应于I(x，y)的总光强值。

在其中一个实施例中，所述贝塞尔光束产生器使用锥透镜或空间光调制器，所述光场强度调制器使用数字微镜器件。

在其中一个实施例中，通过所述锥透镜改变所述高斯光束或平面光束波前分布，生产贝塞尔光束；或者，通过所述空间光调制器对高斯光束或平面光束进行相位调制，直接产生贝塞尔光束。

在其中一个实施例中，所述光场强度调制器采用数字微镜器件，在所述数字微镜器件表面产生随机空间强度涨落的光场，所述贝塞尔光束通过所述数字微镜器件后，生成随机强度调制的贝塞尔散斑光场。

本发明公开的一种述水下远距离鬼成像系统，包括光源，强度调制贝塞尔光束产生器件，所述强度调制贝塞尔光束产生器件包括锥透镜或空间光调制器用于产生贝塞尔光束，数字微镜器件用于对贝塞尔光束进行调制，光电探测器和计算机。

在其中一个实施例中，该光源为具有一定发散角度的高斯光束或平面光束，采用LED或激光。

在其中一个实施例中，所述强度调制贝塞尔光束产生器件包括贝塞尔光束产生器和光场强度调制器，其中贝塞尔光束产生器使用锥透镜或空间光调制器，所述光场强度调制器使用数字微镜器件。

在其中一个实施例中，所述光电探测器采用光电倍增管、光电二极管、光电导器件或电荷耦合器件。

在其中一个实施例中，所述计算机包括主控电路、二维调制光场产生模块、数据同步与处理模块。

本发明的有益效果是：本发明利用无衍射贝塞尔光束在水下及类似的高散射环境中，传播距离远、成像距离远的优点，该方法以贝塞尔光场为载体，携带随机强度调制散斑，实现水下及类似的高散射环境中的远距离高质量鬼成像，将极大拓展鬼成像技术的应用范围。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图中附图标记为：1-光源、2-强度调制贝塞尔光束产生器件、3-桶探测器、4-计算机。

图2为本发明实施例一的结构示意图；

图中附图标记为：21-光源、22-强度调制贝塞尔光束产生器件(包括：锥透镜和数字微镜器件)、23-桶探测器、24-计算机、25-位移平台。

图3为本发明实施例二的结构示意图；

图中附图标记为：31-光源、32-强度调制贝塞尔光束产生器件(包括：空间光调制器和数字微镜器件)、33-桶探测器、34-计算机。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种水下远距离鬼成像方法。参照图1，图1为本发明的系统结构示意图，1-光源、2-强度调制贝塞尔光束产生器件、3-桶探测器、4-计算机。

实施例一

如图2所示，当贝塞尔光束产生器使用锥透镜时，所述系统包括光源(21)、强度调制贝塞尔光束产生器件(22)、桶探测器(23)、计算机(24)、位移平台(25)。所述的强度调制贝塞尔光束产生器件(22)包括锥透镜和数字微镜器件。光源发出光，经锥透镜产生贝塞尔光束。光源和锥透镜需要固定在电动位移平台，位移平台在y-z平面围绕起始点为中心点随机移动，由此产生中心随机偏移的位移贝塞尔光场，位移范围不超出数字微镜器件的通光孔径。之后将位移贝塞尔光束瞄向数字微镜器件进行随机强度调制，获得空间涨落随机的贝塞尔分布光场。使用该光束瞄准目标，经过远距离传输后，传输介质可以是水下、空气、雾气、烟尘等环境，光束透过目标或经目标反射后，强度信号被桶探测器(23)接收，完成基于强度调制贝塞尔光束的水下远距离鬼成像方法。

调制方法是，高斯光束或平面光束通过锥透镜后，将改变光束波前分布，生产贝塞尔光场。光场强度调制器采用数字微镜器件，数字微镜器件表面产生空间强度涨落的光场，贝塞尔光束通过数字微镜器件后，生成随机强度调制的贝塞尔散斑光场。

这里由高斯光束或平面光束通过锥透镜后，可以认为其分布近似于理想贝塞尔光束的分布，因为理想贝塞尔光束的分布在径向方向是没有限制且无限延伸的，这在实际应用中是不存在的。对于这种近似于理想贝塞尔分布的光束，其光强表达式使用第一类贝塞尔函数：

其中，n是贝塞尔函数的阶数；ρ是平面上一点与原点的距离，在xoy平面上，

m是累加项数；Γ(x)是伽马函数，定义为：

贝塞尔光束经过数字微镜器件后，引入了随机强度分布Ir(x，y)，总的入射强度场为：

I(x，y)＝J_n(x，y)+I_r(x，y)

所述的计算机(24)包括主控电路、散斑产生模块、数据同步与处理模块。所属主控电路包括连接数字微镜器件和桶探测器(23)。所述的主控电路用于向数字微镜器件输入随机强制散斑，以及从桶探测器(23)收集目标强度信号。所述的散斑产生模块用于生成随机强度调制散斑。所述的数据同步与处理模块用于处理从桶探测器(23)收集目标强度信号，与匹配的随机强度调制散斑进行关联计算，获得重构图像。

实施例二

如图3所示，当贝塞尔光束产生器使用空间光调制器(32)时，所述系统包括光源(31)、强度调制贝塞尔光束产生器件(32)、桶探测器(33)、计算机(34)。所述的计算机(34)包括主控电路、贝塞尔光场产生模块、散斑产生模块、数据同步与处理模块。所述的强度调制贝塞尔光束产生器件(32)包括空间光调制器和数字微镜器件。光源发出光，经空间光调制器反射或投射后产生位移贝塞尔光束，再经数字微镜器件实现空间涨落随机的贝塞尔分布光场反射输出，使用该光束瞄准目标，经过远距离传输后，传输介质可以是水下、空气、雾气、烟尘等环境，光束透过目标或经目标反射后，强度信号被桶探测器(33)接收，完成基于强度调制贝塞尔光束的水下远距离鬼成像方法。

调制方法是，空间光调制器对高斯光束或平面光束进行相位调制，直接产生贝塞尔光场。光场强度调制器采用数字微镜器件，数字微镜器件表面产生空间强度涨落的光场，贝塞尔光束通过数字微镜器件后，生成随机强度调制的贝塞尔散斑光场。

所述的空间光调制器用于产生位移贝塞尔图像。所述的主控电路用于向数字微镜器件输入随机强制散斑，以及从桶探测器(33)收集目标强度信号。所述的散斑产生模块用于生成空间涨落随机的强度调制散斑。所述的数据同步与处理模块用于处理从桶探测器(33)收集目标强度信号，与匹配的空间涨落随机的强度调制散斑进行关联计算，获得重构图像。

上述实施例为本专利较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种水下远距离鬼成像方法，包括以下步骤：

步骤一：光源(1)产生具有一定发散角度的高斯光束或平面光束，强度调制贝塞尔光束产生器件(2)将所述高斯光束或平面光束生成随机强度调制的贝塞尔散斑光场；其中，所述强度调制贝塞尔光束产生器件(2)包括贝塞尔光束产生器和光场强度调制器，所述贝塞尔光束产生器生成随机强度调制的贝塞尔光束；所述光场强度调制器对所述随机强度调制的贝塞尔光束进行调制，生成随机强度调制的贝塞尔散斑光场；

步骤二：根据步骤一生成的随机强度调制的贝塞尔散斑光场，依次投射到目标(3)上，并采用不需要具有空间分辨能力的光电探测器(3)测量目标反射或透射的总光强信号，所述的总光强信号作为目标图像与光投影模式之间的内积；之后，将所述总光强信号传递到计算机(4)的数据同步与处理模块；

步骤三：在所述数据同步与处理模块中将步骤二得到的所述总光强信号与相应投射的所述随机强度调制的贝塞尔散斑光场进行计算重构，得到目标的图像，实现水下远距离鬼成像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所述贝塞尔光束产生器使用锥透镜或空间光调制器，所述光场强度调制器使用数字微镜器件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：通过所述锥透镜改变所述高斯光束或平面光束波前分布，生产贝塞尔光束；或者，通过所述空间光调制器对高斯光束或平面光束进行相位调制，直接产生贝塞尔光束。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光场强度调制器采用数字微镜器件，在所述数字微镜器件表面产生随机空间强度涨落的光场，所述贝塞尔光束通过所述数字微镜器件后，生成随机强度调制的贝塞尔散斑光场。

5.一种水下远距离鬼成像系统，包括光源(1)，强度调制贝塞尔光束产生器件(2)，所述强度调制贝塞尔光束产生器件(2)包括贝塞尔光束产生器用于产生贝塞尔光束和光场强度调制器对所述贝塞尔光束进行调制，光电探测器(3)和计算机(4)。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：该光源(1)为具有一定发散角度的高斯光束或平面光束，采用LED或激光。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：其中所述贝塞尔光束产生器使用锥透镜或空间光调制器，所述光场强度调制器使用数字微镜器件。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述光电探测器(3)采用光电倍增管、光电二极管、光电导器件或电荷耦合器件。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述计算机(4)包括主控电路、二维调制光场产生模块、数据同步与处理模块。

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