CN116560080B - 一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置及方法，其中单像素成像装置包括沿光路依次设置的皮秒激光器、光学扩束器、空间光调制器、短焦投影镜、空间光滤波器、聚光镜、单光子雪崩探测器，散射介质和待成像物体置于空间光滤波器和聚光镜之间的光路上，还包括与单光子雪崩探测器电连接的快速时间门控制器、与快速时间门控制器电连接的时间相关单光子计数器，还包括分别与皮秒激光器、空间光调制器、时间相关单光子计数器、快速时间门控制器电连接的工控机。与现有技术相比，本发明实现了无需先验和求逆扩散方程的透过厚散射单光子单像素成像，并且系统结构简单，成像速度快；无需该先验数据即可实现透过散射介质成像。

Description

一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置及方法

技术领域

本发明涉及散射成像技术领域，尤其是涉及一种基于图像度规的透过厚散射介质单光子单像素成像方法及装置。

背景技术

基于空间点到点的成像模式是日常生活中最容易见到也最好理解成像原理的一种成像模式。这种成像模式具有分辨率高，成像速度快，系统紧凑，易于携带等多种优点。无人机摄像头、手机照相头、车载摄像头、照相机、CCD（电荷耦合器件）等多种行业与应用均基于该成像模式实现了快速且紧凑的成像获取系统。尽管如此，在雾天、雨天或者需要对散射介质内物体成像时，光子在该类介质中传播时，时间、空间、偏振等信息发生改变或者混叠，基于空间点到点的成像模式很容易失效。然而在诸如生物医学、车载导航系统等多种基础及应用科学中，透过/深入散射介质成像具有极其重要的研究与应用价值。目前当深入散射介质内几厘米内成像时，扩散光全息（DOT）技术是使用最广泛的散射成像技术。然而该技术与其它透过/深入散射介质一样，要么需要对散射介质的透过系数、吸收系数等散射系数有较高的估计精度，或者甚至需要提取获取散射系数作为先验。此外，该技术还需要在同样的散射介质中存在一个参考测量，该参考测量常常难以获取或者无法获取。简言之，现有的其它散射成像技术对散射介质的散射系数先验具有很强依赖，该先验的精确程度对成像质量具有决定性作用。当散射介质变化或者散射介质的先验难以获取时，该类成像模式失效。

目前比较典型的深入/透过散射介质成像技术分为基于逆扩散方程或者基于单像素成像等几种。求解逆扩散方程问题常常是病态的，难以求解的，常需要使用先验或者将问题转化为其它形式。DOT就是一种典型的基于逆扩散传播方程的深入散射介质成像技术。它将求解逆扩散方程问题在合理假设下简化为解逆卷积问题，简化了求解过程。也有将飞行时间技术（TOF）与DOT技术像结合，简化了解逆传播方程的，然而像其它透过/深入散射介质一样，仍需要先验。现有基于单像素的散射介质成像方法将待成像物体与散斑花样之间假设为透明介质，这显然不具备实用性。但需要指出的时，单像素成像的显著优点之一是探测光路的作用是将经物体后的散射光子汇聚到一个点探测器上，因此探测光路即便存在散射介质也不会对单像素成像质量造成太大影响。因此一般认为的散射介质有效厚度在单像素成像过程中被大大缩减。

可见，如何构建一种无需先验的透过厚散射单光子单像素成像方法，且需要克服先验数据大多无法获取或者获取过程繁杂的困境，是目前最亟需解决的技术障碍。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于图像度规的透过厚散射介质单光子单像素成像方法及装置，实现了无需先验和求解逆扩散方程的透过厚散射单光子单像素成像，并且系统结构简单，成像速度快；无需该先验数据即可实现透过散射介质成像。

申请人在构思伊始时认为，时间门控技术在弹道光子大量存在时，被证明在薄的散射介质内有效，可实现无需先验的散射介质成像。然而当散射介质厚度增加，弹道光子数大量减少甚至消失时，通过时间门控技术选取少数次散射的光子也被证明可以提升成像分辨率。因此，时间门控技术在散射成像中具有较大应用潜力。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明第一方面提供了一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置，包括沿光路依次设置的皮秒激光器、光学扩束器、空间光调制器、短焦投影镜、空间光滤波器、聚光镜、单光子雪崩探测器，散射介质和待成像物体置于所述空间光滤波器和聚光镜之间的光路上，

还包括与所述单光子雪崩探测器电连接的快速时间门控制器、与所述快速时间门控制器电连接的时间相关单光子计数器，

还包括分别与所述皮秒激光器、空间光调制器、时间相关单光子计数器、快速时间门控制器电连接的工控机，

还包括分别与所述工控机和空间光调制器电连接的同步控制器；

所述工控机调控空间光调制器的曝光时间并加载预设的空间光调制花样，所述同步控制器调控空间光调制器翻转过程，以改变空间光调制花样。

进一步地，所述工控机控制所述快速时间门控制器的参数设置；

所述快速时间门控制器输出的信号抵达时间相关单光子计数器作为信号输入；

所述皮秒激光器输出的同步信号输入时间相关单光子计数器作为光子计数同步信号。

进一步地，所述工控机控制空间光调制器开始翻转后，时间相关单光子计数器同步开始数据采集。

本发明第二方面提供一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，包括以下步骤：

利用皮秒级别的高时间分辨率与单光子灵敏度的单光子雪崩探测器，探测经厚散射介质与物体后的微弱信号光子，采用时间门控方式提取在散射介质中经少数次散射的光子，在假设散射介质的各向同性性质变化不大时，利用单像素成像方法求解模糊图像，将散射介质对成像的有效影响厚度由全部散射介质厚度降低为散射介质与待成像物体之间的厚度，散射介质的有效厚度降为原来的一半，并利用解逆卷积与基于图像度规的图像评估方法，实现快速且无需散射介质先验和求解逆扩散方程的透过厚散射介质单光子单像素成像。

进一步地，具体包括以下步骤：

S1：搭建上述单像素成像装置；

S2：设置测量参数，所述测量参数包括曝光时间和空间光调制花样；

S3：通过工控机控制空间光调制器花样翻转与TCSPC采集，对多个空间光调制花样Ai对应的时间波形信号Yi获取；

S4：将S3中获取的时间波形信号Yi进行处理，选取波形刚开始出现到波形迅速上升之间的区段信号求和作为此次测量的有效测量信号Yi；

S5：求解含总变分泛化的二次优化问题得到待成像目标的模糊图像，实现模糊图像重建；

S6：将高斯核作为厚散射介质的模糊核，求解去模糊图像，实现去模糊图像重建。

进一步地，S2中，设置曝光时间参数及加载空间光调制花样。需指出工控机控制空间光调制器空间调制花样、花样曝光时间、TCSPC采集，工控机通过同步控制器控制花样曝光时间与TCSPC采集时间同步。

进一步地，S2中，皮秒激光器输出高重频短脉宽的脉冲激光，经光学扩束器后，空间激光光斑横向尺寸由小尺寸扩束至能覆盖空间光调制器可调制区域，空间光调制器上加载了空间光调制花样，每隔一段时间，该空间光调制花样发生变化，短焦成像镜将空间调制器上衍射的光束放大成像至散射介质，以覆盖成像目标所在区域并有足够的留余空间，在短焦成像镜的后焦平面上放置有空间光滤波器，滤除经空间光调制器后的高频光及杂光干扰，空间调制光照射到散射介质后，光子在散射介质中发生散射，极少一部分光子未在散射介质中发生散射，保持着入射时的传播方向、偏振等信息，绝大多数光子与在介质中发生散射与待测成像物体、散射介质发生散射，传播方向、偏振发生较大改变，并在透过散射介质后，原先不同时刻、不同空间、不同传播方向的光子发生时空混叠，造成模糊，出射后的光子经聚光镜汇聚后由无空间分辨率的单光子雪崩探测器接收（SPAD），经单光子雪崩探测器接收后，光信号转换为电信号，由时间相关单光子计数器（TCSPC）采集统计计数，在空间光花样保持时间内，相关单光子计数器累加出信号光的时域波形，该波形数据由工控机完成存储及后续处理。

进一步地，S3中，空间光调制花样Ai对应的时间波形信号Yi获取包括以下过程：

皮秒激光器出射高重频脉冲激光，经光学扩束器后，光束尺寸能够覆盖空间光调制器，在空间光调制器处光束空间调制完成；

短焦投影镜将空间调制后的光场投影到散射介质，经散射介质和待成像物体后出射光子由聚光镜汇聚到单光子雪崩探测器上；

单光子雪崩探测器将单光子信号转换为电信号，并传输至时间门控制器中，快速时间门控制器输出单光子计数信号后由时间相关单光子计数器完成光子计数统计，多次测量，完成数据的全部采集。

进一步地，S4中，测量信号时间门控处理，具体如下：

利用时间门控技术，选取光信号脉冲波形刚出现到上升陡峭时间段的部分光信号作为该空间光调制花样Ai对应的单像素测量信号Yi，其中i表示第i次测量，A表示空间光调制花样，Y表示单像素测量信号。总的测量次数为M，待测成像的目标图像像素数为N。矩阵A的大小为M×N，适量Y的大小为N×1。

进一步地，S5中，实现模糊图像重建过程具体为：利用时间门技术提取有效的测量数据Y，将测量数据Y和空间光调制花样数据A作为输入，利用总变分泛化的二阶优化方法完成模糊图像重建。

进一步地，S5中，利用总变分泛化的二阶优化方法完成模糊图像重建时，求解形如下式的含总变分泛化的二次优化问题，以此得到待成像目标的模糊图像：

其中表示待测物体的模糊图像，/>表示泛化参数，/>表示Frobenius范数，表示总变分范数。

进一步地，S6中，去模糊图像重建过程具体为：

将重建的模糊图像作为输入，不同尺寸的高斯核作为解逆卷积的卷积核，得到相应的一系列解逆卷积图像；

通过求解图像的高斯拉普拉斯算子下的横向纵向的局域绝对对比度总和，将该总和最大的图像作为待成像物体的去模糊图像重建后的图像数据。

进一步地，S6中，求解去模糊图像的过程为：

选用一系列大小的高斯核作为逆卷积核获取目标去模糊图像，将局域绝对对比对总和作为图像度规，选取图像度规值最大时对应的图像作为去模糊重建图像；

图像局域绝对对比度总和Q表达式为：

其中表示待测目标重建图像，/>和/>分别为水平像素和竖直像素，/>和分别表示水平和竖直方向的高斯拉普拉斯算符。

本发明的基本构思原理为：

单像素成像方法可以有效降低散射介质的有效厚度，尤其是厚散射介质，其可将成像物体后到单光子雪崩探测器（SPAD）间的散射介质认为是透明介质。考虑到光子在厚散射介质中经多次散射与吸收后，信号光子数很少，因此需要采用具有单光子灵敏度的单光子雪崩探测器（SPAD）。在时间分辨率的时间相关单光子计数器（TCSPC）的帮助下，时间门控技术可将少数次散射光子与多次散射光子准确区分，因此可实现少数次散射光子的准确提取。

对于生物组织等弱散射介质，其对成像造成的影响是图像模糊。考虑到高斯核可以认为是该类散射的模糊卷积核，因此在去图像模糊时，可将高斯核利用作为逆卷积核求解逆卷积，得到目标图像。最后，利用图像的局域绝对对比度总和作为图像度规，实现无需目标图像先验的图像质量评估，选择不同尺寸卷积核下的局域绝对对比度总和最大的图像作为目标图像。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1）本技术方案构建了图像度规的透过厚散射介质单光子单像素成像方法及装置，实现了无需先验的透过厚散射单光子单像素成像，并且系统结构简单，成像速度快。

2）传统透过或者深入散射介质成像需要散射介质的透过系数、吸收系数在内的先验数据，该先验数据大多无法获取或者获取过程繁杂，本发明无需该先验数据即可实现透过散射介质成像。

3）传统透过散射介质成像方法针对薄散射介质或者需要求解逆传播方程。本发明针对厚散射介质，且无需计算量大、花费时间长的求解逆传播方程，具有成像速度快，计算量小的优点。

4）针对散射介质各项同性性质存在一定差异情形，本发明仍可取得较好的成像效果。

附图说明

图1为本技术方案中透过厚散射介质单光子单像素成像装置的结构示意图；

图2为本技术方案中透过厚散射介质单光子单像素成像方法的流程示意图；

图3为本技术方案中在散射介质中高斯模糊核尺寸与光场在散射介质中传播深度的关系图，上图为时间相关单光子计数器累加得到的回波时域信号强度与时间关系，下图为高斯模糊核尺寸与传播深度关系；

图4为本技术方案中散射介质非齐次性对高斯卷积核近似的影响，上图为散射介质非齐次性分别为0%（Homogeneous），±10%，±20%，±30%和±40%时的高斯卷积核近似，其中大图为真实的卷积核，小图为仿真得到的高斯近似卷积核。中图为归一后的真实卷积核与高斯近似卷积核的误差。下图为中横截线上真实卷积核与高斯近似卷积核。其中真实卷积核由实线表示，高斯近似卷积核由虚线表示。

图5为在散射介质10mm深度处时间门控宽度和散射介质非齐次性对高斯近似卷积核的影响。从上到下依次为散射介质非均匀性分别为0%（Homogeneous），±10%，±20%，±30%和±40%，从左至右时间门控宽度为100ps，200ps，300ps，400ps，5ns（DC）。其中实线表示中横截线上的真实卷积核，虚线为高斯近似卷积核，子图中右上角数字表示归一化误差。

图6为在散射介质40mm深度处时间门控宽度和散射介质非齐次性对高斯近似卷积核的影响。从上到下依次为散射介质非均匀性分别为0%（Homogeneous），±10%，±20%，±30%和±40%，从左至右时间门控宽度为800ps，1000ps，1200ps，1500ps，5ns（DC）。其中实线表示中横截线上的真实卷积核，虚线为高斯近似卷积核，子图中右上角数字表示归一化误差。

图中：1-皮秒激光器 2-光学扩束器 3-空间光调制器 4-短焦投影镜 5-空间光滤波器 6-散射介质 7-待成像物体 8-聚光镜 9-单光子雪崩探测器（SPAD）10-快速时间门控制器 11-时间相关单光子计数器（TCSPC） 12-工控机 13-同步控制器。

具体实施方式

在整体上，本发明利用皮秒级别的高时间分辨率与高光子灵敏度的单光子雪崩探测器，探测经厚散射介质与物体后的微弱信号光，采用时间门控技术提取少数次散射的光子，在假设散射介质的各向同性性质变化不大时，利用单像素成像方法求解模糊图像，降低散射介质的有效成像影响厚度，并利用解逆卷积与基于图像度规方法，实现快速且无需散射介质先验和求解逆扩散方程的透过厚散射介质单光子单像素成像。

具体地，首先利用光学扩束器将皮秒激光器出射的小尺寸光束扩束至能覆盖空间光调制器件靶面，在空间光调制器件靶面上加载有空间光调制花样，经该空间光调制器件后，空间调制光束在短焦透镜后焦平面上空间滤波，滤除空间高频杂光干扰，空间光成放大像成像至后散射介质。待成像物体置于散射介质内部。经散射介质和目标后，透射的散射光由聚光镜收集后汇聚到没有空间分辨率的单光子雪崩探测器上。此时单光子级别的光信号转换为电信号，并由时间相关单光子计数器采集，完成信号光波形恢复。空间光调制花样在一段曝光时间后，变换为另一空间光调制花样继续曝光同样时间。如此完成所需次数的空间光调制花样对应的曝光时间与光信号采集。在目标图像重建的过程中，利用时间门技术提取信号光波形从无到上升沿之间的一段信号作为该空间光调制花样对应的测量信号。后续采用解总变分方法泛化的二阶优化问题得到目标的模糊图像。该模糊图像经解逆卷积后，可得到目标的去模糊图像。通过选择散射介质的模糊核的尺寸，选择图像局域绝对对比度最高的作为目标重建图像。这样就实现了透过厚散射介质中的单光子单像素成像。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的结构/模块名称、控制模式、算法、工艺过程或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

实施例1

基于图像度规的透过厚散射介质单光子单像素成像装置的具体实施：

参阅图1，图1是本发明提供的一套基于图像度规的透过厚散射介质单光子单像素成像装置的结构示意图，透过厚散射介质单光子单像素成像装置包括沿光路依次设置的皮秒激光器1、光学扩束器2、空间光调制器3、短焦投影镜4、空间光滤波器5、聚光镜8、单光子雪崩探测器9，散射介质6和待成像物体7置于所述空间光滤波器5和聚光镜8之间的光路上，还包括与所述单光子雪崩探测器9电连接的快速时间门控制器10、与所述快速时间门控制器10电连接的时间相关单光子计数器11，还包括分别与所述皮秒激光器1、空间光调制器3、时间相关单光子计数器11、快速时间门控制器10电连接的工控机12，还包括分别与所述工控机12和空间光调制器3电连接的同步控制器13。

工控机12调控空间光调制器3的曝光时间并加载预设的空间光调制花样，所述同步控制器13调控空间光调制器3翻转过程，以改变空间光调制花样。工控机12控制所述快速时间门控制器10的参数设置；快速时间门控制器10输出的信号抵到时间相关单光子计数器11作为信号输入；皮秒激光器1输出的同步信号输入时间相关单光子计数器11作为计数同步信号。工控机12控制空间光调制器3开始翻转后，时间相关单光子计数器11同步开始数据采集。

具体选型时，工控机12可选用主流工控机设备，能满足本方案中各器件和设备的控制即可 ；快速时间门控制器10可选用MPD fast gated module ；同步控制器13可选用Arduino UNO开发板。

实施例2

对于已经搭建好的基于图像度规的透过厚散射介质单光子单像素成像装置的使用：

具体使用时，首先搭建好装置系统，工控机12通过数据线将需要准备好的空间调制花样加载到散射介质6上。工控机12通过控制线控制空间光调制器3的曝光时间和加载的空间光调制花样，工控机12通过控制线控制同步控制器13。同步控制器13通过控制线控制空间光调制器3翻转以改变空间光调制花样。

工控机12通过控制线控制快速时间门控制器10的参数设置。快速时间门控制器10输出的信号经由数据线抵到时间相关单光子计数器11作为信号输入，皮秒激光器1输出的同步信号经由数据线输入时间相关单光子计数器11作为计数同步信号。在测量过程中，工控机12控制空间光调制器3翻转后时间相关单光子计数器11开始数据采集。

皮秒激光器1出射高重频脉冲激光，经光学扩束器2后，光束尺寸足以覆盖空间光调制器3，在空间光调制器3处光束空间调制完成，短焦投影镜4将空间调制后的光场投影到散射介质6，经散射介质6和待成像物体7后出射光子由聚光镜8汇聚到单光子雪崩探测器9上，单光子雪崩探测器9将单光子信号转换为电信号，经由数据线到达快速时间门控制器10中，快速时间门控制器10输出单光子计数信号经数据线后由时间相关单光子计数器11完成光子计数统计。多次测量，完成数据的全部采集。

数据处理阶段，首先利用时间门技术提取有效的测量数据Y，将测量数据Y和空间光调制花样数据A作为输入，利用总变分泛化的二阶优化方法完成模糊图像重建。将重建的模糊图像作为输入，不同尺寸的高斯核作为解逆卷积的卷积核，得到相应的一系列解逆卷积图像。通过求解图像的高斯拉普拉斯算子下的横向纵向的局域绝对对比度总和，将该总和最大的图像作为待成像物体7的去模糊图像重建后的图像数据。

实施例3

当已经搭建了完整的图像度规的透过厚散射介质单光子单像素成像装置时，参见图2，本技术方案中透过厚散射介质单光子单像素成像方法为：

步骤1、构建光路。打开皮秒激光器1、光学扩束器2、空间光调制器3、短焦投影镜4、空间光滤波器5、聚光镜8、单光子雪崩探测器9，使之处于准备工作状态。

步骤2、设置测量参数，该参数具体包括：曝光时间，空间光调制花样。

步骤3、数据采集。通过工控机控制空间光调制器花样翻转与时间相关单光子计数器（TCSPC）采集。实现对多个空间光调制花样Ai对应的时间波形信号Yi获取。

具体地，皮秒激光器1出射高重频脉冲激光，经光学扩束器2后，光束尺寸能够覆盖空间光调制器3，在空间光调制器3处光束空间调制完成；短焦投影镜4将空间调制后的光场投影到散射介质6，经散射介质6和待成像物体7后出射光子由聚光镜8汇聚到单光子雪崩探测器9上；单光子雪崩探测器9将单光子信号转换为电信号，并传输至时间门控制器10中，快速时间门控制器10输出单光子计数信号后由时间相关单光子计数器11完成光子计数统计，多次测量，完成数据的全部采集。

步骤4、测量信号时间门控处理。选择步骤3中获取的时间波形信号Yi选取波形刚开始出现到波形迅速上升之间的一段信号求和作为此次测量的有效测量信号Yi。

步骤5、模糊图像重建。利用时间门技术提取有效的测量数据Y，将测量数据Y和空间光调制花样数据A作为输入，利用总变分泛化的二阶优化方法完成模糊图像重建。

求解形如下式的含总变分泛化的二次优化问题得到待成像目标的模糊图像：

其中表示待测物体的模糊图像，/>表示泛化参数，/>表示Frobenius范数，表示总变分范数。

步骤6、去模糊图像重建。

将重建的模糊图像作为输入，不同尺寸的高斯核作为解逆卷积的卷积核，得到相应的一系列解逆卷积图像；通过求解图像的高斯拉普拉斯算子下的横向纵向的局域绝对对比度总和，将该总和最大的图像作为待成像物体的去模糊图像重建后的图像数据。

具体地，将高斯核作为厚散射介质的模糊核，求解去模糊图像。模糊核尺寸随目标深度的关系如图3所示。此外，为验证高斯卷积核的有效性，利用蒙特卡洛方法仿真了散射介质均匀性、时间门宽度、散射介质深度等因素对高斯卷积核的影响，其仿真结果如图4、图5，图6所示。从图4可以看到，在散射介质非齐次性由0%（Homogenous）到均匀性变差到±40%时，卷积核仍能很好的由高斯函数来近似。从图5和图6可以观察到在选取合适时间门控下散射介质的非齐次性在散射介质不同深度处对高斯近似卷积核的误差影响较小。需要指出的是，由于无法知道待成像目标深度，选用一系列大小的高斯核作为逆卷积核获取目标去模糊图像。最后将局域绝对对比对总和作为图像度规，选取该值最大时对应的图像作为去模糊重建图像。图像局域绝对对比度总和表达式为：

其中表示待测目标重建图像，/>和/>分别为水平像素和竖直像素，/>和分别表示水平和竖直方向的高斯拉普拉斯算符。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的皮秒激光器（1）、光学扩束器（2）、空间光调制器（3）、短焦投影镜（4）、空间光滤波器（5）、聚光镜（8）、单光子雪崩探测器（9），散射介质（6）和待成像物体（7）设于所述空间光滤波器（5）和聚光镜（8）之间的光路上，

还包括与所述单光子雪崩探测器（9）电连接的快速时间门控制器（10）、与所述快速时间门控制器（10）电连接的时间相关单光子计数器（11），以此采用时间门控方式提取在散射介质中经少数次散射的光子，利用皮秒级别的高时间分辨率皮秒激光器（1）与单光子灵敏度的单光子雪崩探测器（9），探测经厚散射介质与物体后的微弱信号光子，

还包括分别与所述皮秒激光器（1）、空间光调制器（3）、时间相关单光子计数器（11）、快速时间门控制器（10）电连接的工控机（12），

还包括分别与所述工控机（12）和空间光调制器（3）电连接的同步控制器（13）；

所述工控机（12）调控空间光调制器（3）的曝光时间并加载预设的空间光调制花样，所述同步控制器（13）调控空间光调制器（3）翻转过程，以改变空间光调制花样；

所述工控机（12）控制所述快速时间门控制器（10）的参数设置；

所述快速时间门控制器（10）输出的信号抵达时间相关单光子计数器（11）作为信号输入；

所述皮秒激光器（1）输出的同步信号输入时间相关单光子计数器（11）作为光子计数同步信号；

所述工控机（12）控制空间光调制器（3）开始翻转后，时间相关单光子计数器（11）同步开始数据采集。

2.一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：搭建如权利要求1中所述单像素成像装置；

S2：设置测量参数，所述测量参数包括曝光时间和空间光调制花样；

S3：通过工控机（12）控制空间光调制器（3）花样翻转与TCSPC采集，对多个空间光调制花样Ai对应的时间波形信号Yi获取；

S4：将S3中获取的时间波形信号Yi进行处理，选取波形刚开始出现到波形迅速上升之间的区段信号求和作为此次测量的有效测量信号Yi；

S5：求解含总变分泛化的二次优化问题得到待成像目标的模糊图像，实现模糊图像重建；

S6：将高斯核作为厚散射介质的模糊核，求解去模糊图像，实现去模糊图像重建。

3.根据权利要求2所述的一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，其特征在于，S3中，空间光调制花样Ai对应的时间波形信号Yi获取包括以下过程：

皮秒激光器（1）出射高重频脉冲激光，经光学扩束器（2）后，光束尺寸能够覆盖空间光调制器（3），在空间光调制器（3）处光束空间调制完成；

短焦投影镜（4）将空间调制后的光场投影到散射介质（6），经散射介质（6）和待成像物体（7）后出射光子由聚光镜（8）汇聚到单光子雪崩探测器（9）上；

单光子雪崩探测器（9）将单光子信号转换为电信号，并传输至时间门控制器（10）中，快速时间门控制器（10）输出单光子计数信号后由时间相关单光子计数器（11）完成光子计数统计，多次测量，完成数据的全部采集。

4.根据权利要求2所述的一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，其特征在于，S5中，实现模糊图像重建过程具体为：利用时间门技术提取有效的测量数据Y，将测量数据Y和空间光调制花样数据A作为输入，利用总变分泛化的二阶优化方法完成模糊图像重建。

5.根据权利要求2所述的一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，其特征在于，S5中，利用总变分泛化的二阶优化方法完成模糊图像重建时，求解形如下式的含总变分泛化的二次优化问题，以此得到待成像目标的模糊图像：

，其中/>表示待测物体的模糊图像，/>表示泛化参数，表示Frobenius范数，/>表示总变分范数。

6.根据权利要求2所述的一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，其特征在于，S6中，去模糊图像重建过程具体为：

将重建的模糊图像作为输入，不同尺寸的高斯核作为解逆卷积的卷积核，得到相应的一系列解逆卷积图像；

通过求解图像的高斯拉普拉斯算子下的横向纵向的局域绝对对比度总和，将该总和最大的图像作为待成像物体的去模糊图像重建后的图像数据。

7.根据权利要求2所述的一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，其特征在于，S6中，求解去模糊图像的过程为：

选用一系列大小的高斯核作为逆卷积核获取目标去模糊图像，将局域绝对对比对总和作为图像度规，选取图像度规值最大时对应的图像作为去模糊重建图像；

图像局域绝对对比度总和Q表达式为：

，其中/>表示待测目标重建图像，/>和/>分别为水平像素和竖直像素，/>和/>分别表示水平和竖直方向的高斯拉普拉斯算符。