CN116242252B

CN116242252B - 一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像方法

Info

Publication number: CN116242252B
Application number: CN202310524121.5A
Authority: CN
Inventors: 王歆; 施钧辉; 梁其传; 陈睿黾; 李驰野
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2023-05-11
Filing date: 2023-05-11
Publication date: 2023-08-15
Anticipated expiration: 2043-05-11
Also published as: CN116242252A

Abstract

本发明公开了一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像方法，应用于一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像装置，该装置包括按顺序直线同轴排列的宽谱光源、散射介质、光阑、面阵探测器，所述面阵探测器连接有一计算机，该方法利用成像系统的物像关系及宽谱光照明下散射介质后的光强信号分布规律，在对隐藏物体进行非侵入结构识别的同时还可以对其进行尺寸测量和三维定位；可以应用在散斑自相关成像实验中，系统结构简单，操作方便，在水下探测，透雾成像等方面都有很大应用前景。

Description

一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像方法

技术领域

本申请涉及透过散射介质成像技术领域，尤其涉及一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像方法。

背景技术

光透过雾、霾、云或生物组织等散射介质时，出射光场会出现紊乱，导致传统成像模糊甚至无效。针对这一问题，研究人员提出了多种解决方案，主要分为屏蔽散射光和使用散射光两类。屏蔽散射光的成像方式主要有空间、时间、相干门控等技术，此类技术借助弹道光的准直性、飞行时间或相干性来筛选出弹道光，弹道光的能量随着散射厚度衰减很快，只适用于比较薄的散射介质。使用散射光的成像方式主要有迭代波前整形技术、相位共轭技术，解卷积方法，散斑相关方法等等。其中，前三种方法需要侵入散射介质内部、提前标定系统等，对系统的稳定性和可侵入性要求较高，而散斑相关方法则不仅具有非侵入的特性，系统结构和操作步骤也都非常简单，近年来发展迅速。2012年，Bertolotti等人利用强度自相关，成功重建出荧光目标图像，2014年，Katz等首次使用单帧散斑自相关完成了对隐藏物体的成像，极大节省了信号采集时间。2017年，Cua等人利用背景不变性对不同时刻的散斑进行相减，获得物体信息突出的散斑图案，完成了对移动物体的重建。2018年，邵晓鹏团队则借助散斑互相关实现了对目标的横纵向还有旋转变化的探测。尽管散斑相关技术获得了快速发展，但是由于光轴信息等因素的限制，大多数成像实验都只局限于对物体结构的识别，没有测量物体的尺寸及位置等参数的有效方案，这极大限制了成像的应用范围。所以，亟需提出一种可以涵盖物体尺寸和位置信息的全新散斑自相关成像方法，以完善成像功能，提高应用价值。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像方法，以解决相关技术中存在的无法对目标进行三维定位和尺寸测量的技术问题。

本申请实施例提供一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像方法，应用于一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像装置，该装置包括按顺序直线同轴排列的宽谱光源、散射介质、光阑、面阵探测器，所述面阵探测器连接有一计算机，该方法包括：

标定所述光阑和面阵探测器的相对空间坐标；

将宽谱光源、待测物体、散射介质放入以搭建并调节光路，其中所述散射介质紧贴光阑放置；

对于调节后的光路，调节光阑的位置，以使得所述面阵探测器采样不同光阑位置下的光强信号，/>；

计算两个光强信号，/>各自的发散中心位置C1和C2；

分别计算两光阑位置与与其对应的光强信号发散中心的连线l ₁和l ₂，计算l ₁和l ₂两条直线之间的最短距离，并将该距离的线段中心位置作为待测物体的位置；

对光强分布执行自相关运算并对所得自相关执行相位恢复操作，得到隐藏物体的重建图像并计算重建图像的大小H(O')；

根据散斑自相关成像的物像放大规律，利用所述重建图像的大小、两个光阑的各自的位置、发散中心位置C1和C2以及待测物体的位置，计算出物体大小H(O)。

进一步地，所述待测物体的尺寸小于所述散射介质的记忆效应范围。

进一步地，所述的光阑固定于一位移台上，以进行得到光阑的位置调整。

进一步地，所述宽谱光源的带宽位于30-60nm之间。

进一步地，所述宽谱光源为热光源和相应带宽带通滤波片的组合。

进一步地，所述散射介质为毛玻璃、纸张或仿真生物制品。

进一步地，标定所述光阑和面阵探测器的相对空间坐标，包括：

对激光器进行准直并将其作为标定光源，将光阑和面阵探测器依次垂直放入光路中并让激光通过光阑中心后照射在感光面中心，调节距离使得光阑到探测器感光面的距离为v，固定并标记此时的光阑中心位置1为（0，0，0）、探测器感光面中心位置为（0，0，v），光阑所在的垂直于激光的平面为z=0坐标平面。

进一步地，将所述宽谱光源、待测物体、散射介质放入以搭建并调节光路，包括：

撤掉激光器，放入宽谱光源、待观测物体和散射介质，散射介质紧贴光阑放置，忽略散射介质和光阑之间的距离，调节光路使得光通过物体后形成的光斑覆盖光阑，且光斑直径控制在光阑直径三倍以上。

进一步地，物体大小的计算公式为H(O)=H(O')*u/v，其中u为物距，v为光阑到探测器感光面的距离。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请利用成像系统的物像关系及宽谱光照明下散射介质后的光强信号分布规律，在对隐藏物体进行非侵入结构识别的同时还可以对其进行尺寸测量和三维定位；可以应用在散斑自相关成像实验中，系统结构简单，操作方便，在水下探测，透雾成像等方面都有很大应用前景。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像方法的流程图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像的结构示意图。

附图标记：1、宽谱光源；2、待测物体；3、散射介质；4、光阑；5、面阵探测器；6、计算机。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

虽然物体位置不能直接测量，但是携带物体信息的光经过散射介质3后的光强分布是受其影响的。尤其是在宽谱非相干光照明下，由于点扩展函数与波长有关，探测面上的光强信号分布呈散斑发散特性，而发散中心几乎位于光轴上，所以应用发散中心等找出光轴，是有效计算物体位置的可能途径之一。

基于此，本申请提供了如图1所示的一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像方法，该方法应用于一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像装置，如图2所示，该装置包括按顺序直线同轴排列的宽谱光源1、散射介质3、光阑4、面阵探测器5，所述面阵探测器5连接有一计算机6，如图1所示，该方法包括：

（1）标定所述光阑4和面阵探测器5的相对空间坐标；

（2）将宽谱光源1、待测物体2、散射介质3放入以搭建并调节光路，其中所述散射介质3紧贴光阑4放置；

（3）对于调节后的光路，调节光阑4的位置，以使得所述面阵探测器5采样不同光阑4位置下的光强信号，/>；

（4）计算两个光强信号，/>各自的发散中心位置C1和C2；

（5）分别计算两光阑4位置与与其对应的光强信号发散中心的连线l ₁和l ₂，计算l ₁和l ₂两条直线之间的最短距离，并将该距离的线段中心位置作为待测物体2的位置；

（6）对光强分布执行自相关运算并对所得自相关执行相位恢复操作，得到隐藏物体的重建图像并计算重建图像的大小H(O')；

（7）根据散斑自相关成像的物像放大规律，利用所述重建图像的大小、两个光阑的各自的位置、发散中心位置C1和C2以及待测物体2的位置，计算出物体大小H(O)。

由上述实施例可知，本申请利用成像系统的物像关系及宽谱光照明下散射介质3后的光强信号分布规律，在对隐藏物体进行非侵入结构识别的同时还可以对其进行尺寸测量和三维定位；可以应用在散斑自相关成像实验中，系统结构简单，操作方便，在水下探测，透雾成像等方面都有很大应用前景。

在所述具有定位和尺寸测量功能的散射成像装置中：

所述的光阑4固定于一位移台上，以进行得到光阑4的位置调整，用于在每次探测时限制散斑颗粒大小和发散中心；

所述宽谱光源1的带宽位于30-60nm之间，用于产生具有散斑发散现象且满足采样条件的非相干光，或者，所述宽谱光源1为热光源和相应带宽带通滤波片的组合，以满足定位过程中图像重建的需求；

所述的面阵探测器5需要具有合适的感光面积，采样时散斑发散中心到感光面边缘距离不小于感光面在该方向尺寸的1/4；

所述散射介质3可以为毛玻璃、纸张和脂肪乳猪皮胶混合物等仿真生物制品等，在一实施例中为600目的毛玻璃。

具体地，物面上的物体被LED光源照射，从物面出射的光经过所述的散射介质3和光阑4后入射到所述的面阵探测器5，所述计算机6与所述面阵探测器5相连，用于存储所探测的光强信号并进行有关计算。

在步骤（1）的具体实施中，标定所述光阑4和面阵探测器5的相对空间坐标；

具体地，对激光器进行准直并将其作为标定光源，将光阑4和面阵探测器5依次垂直放入光路中并让激光通过光阑4中心后照射在感光面中心，调节距离使得光阑4到探测器感光面的距离为v，固定并标记此时的光阑4中心位置1为（0，0，0）、探测器感光面中心位置为（0，0，v），光阑4所在的垂直于激光的平面为z=0坐标平面。

在步骤（2）的具体实施中，将宽谱光源1、待测物体2、散射介质3放入以搭建并调节光路，其中所述散射介质3紧贴光阑4放置；

具体地，撤掉激光器，放入宽谱光源1、待观测物体和散射介质3，散射介质3紧贴光阑4放置，忽略散射介质3和光阑4之间的距离，调节光路使得光通过物体后形成的光斑覆盖光阑4，且光斑直径控制在光阑4直径三倍以上。

其中所述待测物体2的尺寸小于所述散射介质3的记忆效应范围；

在步骤（3）的具体实施中，对于调节后的光路，调节光阑4的位置，以使得所述面阵探测器5采样不同光阑4位置下的光强信号，/>；

具体地，对调节好的光路，面阵探测器5探测光强信号，并将其存储在计算机6上，调节光阑4使其横向平移距离d，记录此时的光阑4位置2（0，0，d），面阵探测器5探测光强信号/>，并将其存储在计算机6上；

所述步骤3中，光阑4位于不同位置时光阑4都需要被物体的出射光斑覆盖。

在步骤（4）的具体实施中，计算两个光强信号，/>各自的发散中心位置C1和C2；

具体地，利用强度分布统计，找出两个光强信号，/>各自的发散中心位置C1（x₁，y₁，v），C2（x₂，y₂，v），使这个坐标位置满足，对于采样图中的一系列阵列尺寸为100*100的子区域而言，以这个发散中心为中心的子区域内的所有像素点的强度和最大；

在步骤（5）的具体实施中，分别计算两光阑4位置与与其对应的光强信号发散中心的连线l ₁和l ₂，计算l ₁和l ₂两条直线之间的最短距离，并将该距离的线段中心位置作为待测物体2的位置；

具体地，由于物体和光阑4和发散中心在光轴上，如果光阑4位置改变，光轴也发生改变，因为物体不动，所以两个光轴的交点就大致对应物体的位置。在找发散中心从而找光轴的过程中，是存在计算和统计误差的，所以这时候两个光轴可能在三维的空间上不是完全相交的，但是存在某个位置，两个光轴离得非常近，即，存在第一光轴上面的一个点P，第二光轴上面的一个点Q，PQ两点的距离，也就是线段PQ的长度，就是两个光轴的最短距离了。而物体的位置就在两个光轴相距最近的位置附近，所以，可以利用这个线段的中心位置表示目标位置。具体的计算过程为常规技术手段，此处不作赘述。

待测物体2的位置为（x_o，y_o，-u），其中u表示物距，也就是物体到散射介质3的距离。

在步骤（6）的具体实施中，对光强分布执行自相关运算并对所得自相关执行相位恢复操作，得到待测物体2的重建图像并计算重建图像的大小H(O')；

具体地，自相关运算为本领域的常规技术手段，此处不作赘述。利用散斑图可以重建出物体的图像的原理是，采样图可以看作是目标和点扩展函数的卷积：

是点扩展函数，它的自相关相当于一个尖峰函数，/>为物体。更具体而言，/>在公式中代表物体，但进行计算时/>是具有一定放大倍率的目标，该放大倍率为像距比上物距。

根据卷积定理，的自相关简化为物体的自相关:

,

其中为自相关算子。根据Wiener-Khinchin定理，/>的功率谱近似等于/>的功率谱，

,

其中为傅里叶变换算子。然后，通过借助迭代相位检索算法，图像被重建出。

需要说明的是，在具体实施中也可以对光强分布I₂执行上述操作，但是因为波长更小的情况下散斑颗粒大小更小，对重建造成的展宽更小，所以用比较小的波长对应的光强分布图去重建图像更合理，因此本申请优选采用光强分布I₁。

在步骤（7）的具体实施中，根据散斑自相关成像的物像放大规律，利用所述重建图像的大小、两个光阑的各自的位置、发散中心位置C1和C2以及待测物体2的位置，计算出物体大小H(O)；

具体地，利用物距/像距=物体尺寸/成像尺寸的物像放大规律计算物体大小，物体大小的计算公式为H(O)=H(O')*u/v。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims

1.一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像方法，其特征在于，应用于一种具有定位和尺寸测量功能的散射成像装置，该装置包括按顺序直线同轴排列的宽谱光源、散射介质、光阑、面阵探测器，所述面阵探测器连接有一计算机，该方法包括：

标定所述光阑和面阵探测器的相对空间坐标；

将宽谱光源、待测物体、散射介质放入以搭建并调节光路，具体为：撤掉激光器，放入宽谱光源、待测物体和散射介质，所述待测物体设置在所述宽谱光源和散射介质之间，散射介质紧贴光阑放置，忽略散射介质和光阑之间的距离，调节光路使得光通过物体后形成的光斑覆盖光阑，且光斑直径控制在光阑直径三倍以上；

计算两个光强信号，/>各自的发散中心位置C1和C2；

分别计算两光阑位置与与其对应的光强信号发散中心位置的连线l ₁和l ₂，计算l ₁和l ₂两条直线之间的最短距离，并将该距离的线段中心位置作为待测物体的位置；

根据散斑自相关成像的物像放大规律，利用所述重建图像的大小、两个光阑的各自的位置、发散中心位置C1和C2以及待测物体的位置，计算出物体大小H(O) ，其中，物体大小的计算公式为H(O)=H(O')*u/v，其中u为物距，v为光阑到探测器感光面的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测物体的尺寸小于所述散射介质的记忆效应范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光阑固定于一位移台上，以进行得到光阑的位置调整。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述宽谱光源的带宽位于30-60nm之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述宽谱光源为热光源和相应带宽带通滤波片的组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述散射介质为毛玻璃、纸张或仿真生物制品。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，标定所述光阑和面阵探测器的相对空间坐标，包括：

对激光器进行准直并将其作为标定光源，将光阑和面阵探测器依次垂直放入光路中并让激光通过光阑中心后照射在探测器感光面中心，调节距离使得光阑到探测器感光面的距离为v，固定并标记此时的光阑中心位置1为（0，0，0）、探测器感光面中心位置为（0，0，v），光阑所在的垂直于激光的平面为z=0坐标平面。