CN116634291A - 一种相位畸变补偿的水下远距离鬼成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实时调制补偿散斑光场相位畸变的水下远距离鬼成像方法。该方法中，光源发出的光经过DMD进行强度调制产生散斑光场，而后经过SLM进行相位调制，经过分光镜后分为两路，一路直接进入相机，记录实时散斑光场信息；另一路经过水下等散射介质后对目标进行成像。该路散射光场经目标反射后，返回到分光镜，被另一侧的相机接收。通过分析比对两个相机接收到散斑光场的强度信息，并反演出相位信息，将相位畸变反馈给空间光调制器，对数字微镜器调制产生散斑光场的每一个微镜像素单元进行实时相位补偿。之后重复上述成像过程，计算相机(8)接收到的返回散斑光场每个像素的和，与调制后散斑光场进行关联计算，最终获得目标的像。该方法通过实时采集并计算光场畸变相位，矫正散斑光场相位的全新方式，实现在水下等散射环境中的远距离鬼成像。
Description
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，尤其涉及一种实时调制补偿散斑光场相位畸变的水下远距离鬼成像方法。
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。1995年，Pittman等人首先根据学者Klyshko的理论，基于参量下转换产生空间纠缠光子对实现了鬼成像。2002年，Bennink等人使用经典热光源实现了鬼成像，证明了非纠缠的热光源也可以实现鬼成像。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，直接使用光电探测器，也叫桶探测器，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重要课题之一，鬼成像的成像距离和成像质量依赖于传输的调制光场。在水下等高散射和湍流环境中成像时，传输的调制散斑光场受到散射、衍射等效应的影响而产生相位畸变，造成散斑光场失真，分布被破坏，降低鬼成像的成像距离和成像质量。
为了补偿光在水下传输过程中产生的相位畸变，目前已有的方式都是基于实验室，分别在光发出的位置和探测目标的位置各放一台相机，通过对比两台相机探测到的图像，分析相位变化，做出相应的相位畸变补偿。但是这种方法存在两个问题：一方面，实际情况下的探测目标均为非合作目标，因此无法知道光传输到实际探测目标区域所产生的相位畸变；另一方面，该方法都是要预先探测标定水域后才能实际使用，并且不能实现实时相位畸变补偿。因此，如何实时快速补偿散斑光场在水下传输过程中产生的相位畸变，是提高水下远距离鬼成像质量的重要问题。
发明内容
为解决在水下等高散射介质及湍流环境中，随着光场在水下传播距离的增加，带来的相位畸变也不断增加，造成利用鬼成像计算方法获得的重构图像质量逐渐变差，本发明提出了一种实时调制补偿散斑光场相位畸变的水下远距离鬼成像方法。利用数字微镜器对光源发出的光进行强度调制产生散斑光场，利用空间光调制器件对散斑光场每一个微镜像素单元进行相位调制，使用第一个相机记录实时散斑光场信息，使用第二个相机记录经过水下等散射介质及目标反射后的散斑光场信息。通过分析比对两个相机接收到散斑光场的强度信息，并反演出相位信息，将畸变相位反馈给空间光调制器，对数字微镜器调制产生散斑光场的每一个微镜像素单元进行实时相位补偿。该方法能够实时采集并计算水下等散射介质及湍流环境对散斑光场所造成的相位畸变，实现水下等散射介质及湍流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：
一种实时相位畸变补偿的水下远距离鬼成像系统，包括光源1、数字微镜器件2、空间光调制器3、分光镜4、2台相机及工控机9。
所述光源1用于发射主动探测光，可以是半导体光源，也可以是激光光源；数字微镜器件2用于对光源发出的光场进行随机强度调制，产生随机分布的散斑光场；空间光调制器3用于对散斑光场进行畸变相位预补偿，并根据2台相机反馈的信息进行实时相位矫正；分光镜4首先用于将经过空间光调制器3相位补偿过的光分成两束，一束被第一台相机5接收，另一束光对准被测目标7，经被测目标7反射后的光返回到分光镜4的另一侧，被第二台相机8接收；第一台相机5用于获取并计算得到光场的初始相位信息，第二台相机8一方面用于获取并计算得到光场的实际相位信息，另一方面用于记录实时探测目标7返回光的强度值。第一台相机5和第二台相机8所采集到的数据传递给所述工控机9，工控机9则控制、传输信息给数字微镜器件2、空间光调制器3。
作为一种替代方案，所述随机分布的散斑光场也可以直接通过光源和空间光调制器3生成。
基于上述系统的一种实时调制相位补偿散斑光场畸变的水下远距离鬼成像方法，包括以下步骤：
步骤一：首先将光源1发出的光E0(x,y)，经过数字微镜器件2进行随机强度调制，生成随机散斑光场E1(x,y)，然后投射到空间光调制器3进行相位调制，生成相位调制后的散斑光束：
相位变换函数为：
光场分布为：E(x，y)＝E1(x，y)exp[jΦ(x，y)]。
其中，SLM相邻像素在x，y方向上的间距分别用Δx、Δy来表示，M，N和α，β分别为x，y方向上的像素数和有效像素所占比例，且a，β∈(0，1)，Φ(x，y)表示光场相位分布。表示SLM每个单元像素的抽样，/>表示单个有效像素窗口，/>表示空间光调制器大小对衍射像的限制。
步骤二：使用分光镜4对散斑光束进行分束得到散斑光束一和散斑光束二，散斑光束一在近距离处被第一台相机5接收，散斑光束二经过水下等散射介质远距离传输后抵达目标7，经过被测目标7反射后，原路或以一定夹角α返回到分束镜4，经分束镜4反射后，被第二相机8接收。该过程中产生的畸变相位分布为ψ(x，y)。角度大小以实际相机通过孔径为参考依据，经被测目标反射后的光束在角度范围内必须能够被相机接收。
步骤三：将畸变相位分布为ψ(x，y)的逆分布ψ-1(x，y)引入SLM，补偿水下等散射介质造成的相位畸变，散斑光场分布变为：E′(x，y)＝E1(x，y)exp[jΦ(x，y)ψ-1(x，y)]。重复步骤二，将第二相机8各像素点探测到的信号相叠加，获得光电探测器强度值B。
步骤四：通过二阶关联计算公式可得目标图像，二阶鬼成像公式为：
其中，G(x,y)是被测目标的图像表达式，<B>表示对B的N次测量取算数平均值，N为1，2，3，…，到无穷大的某一个自然数，E′(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E′(x，y)的总光强值。所述的步骤一到步骤四执行一次为完成一次测量，测量被重复N次，直到被测目标的图像表达式G(x,y)满足要求时，停止循环。
本发明的有益效果是：本发明基于鬼成像原理，使用相机替代鬼成像中的光电探测器，通过将相机上每个像素值相加，获得被测目标的总光强值。同时，利用相机采集并计算得到光场的实际相位信息，经过与另一台相机采集的初始相位信息进行对比后，获得需要补偿的畸变相位信息，并导入空间光调制器。
根据鬼成像原理，通常需要测量数十次到数千次总光强值才能重构图像，而每一次强度信号采集到过程中，环境相位信息随时都可能会发生变化，利用这种系统设置，能够同时实现实时总光强值采集，并获取水下等散射介质及湍流环境下的畸变相位补偿，能够显著增加成像距离和成像质量，具有结构简单、实现便捷的优点，适用于水下及类似的高散射环境中，低信噪比情况下的远距离鬼成像，在实现水下鬼成像设备上有很大的应用前景。
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-数字微镜器件(DMD)、3-反射式空间光调制器(SLM)、4-分光镜、5-相机一、6-水下等散射介质及湍流环境、7-目标、8-相机二、9-工控机。
图2为本发明实施例一的结构示意图，经目标反射回的散射光束与出射光束存在一定角度；
图中附图标记为：1-光源、2-数字微镜器件(DMD)、3-反射式空间光调制器(SLM)、4-分光镜、5-相机一、6-水下等散射介质及湍流环境、7-目标、8-相机二、9-工控机。
图3为本发明实施例二的结构示意图；
图中附图标记为：1-光源、2-反射镜、3-反射式空间光调制器(SLM)、4-分光镜、5-相机一、6-水下等散射介质及湍流环境、7-目标、8-相机二、9-工控机。
图4是实施例中步骤一随机散斑光场E1(x,y)示意图；
图5是实施例中步骤一成相位调制后的散斑光束示意图；
图6是实施例中步骤二产生的畸变相位分布ψ(x,y)示意图；
图7是实施例中步骤三时对应的相位畸变逆分布示意图；
图8是实施例中得到的目标图像。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和有点，以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例一
本实施例中的实时调制相位补偿散斑光场畸变的水下远距离鬼成像方法，如图2所示，图中所使用的光源为平面光束，数字微镜器件(DMD)和空间光调制器(SLM)均为反射式，被测目标为反射式目标。包括以下步骤：
步骤一：将光源发出的平面光束E0(x,y)，经过DMD进行随机强度调制，参阅图4，生成随机散斑光场E1(x,y)，然后投射到SLM进行相位调制，生成相位调制后的散斑光束，参阅图5。
相位变换函数为：
光场分布为：E(x，y)＝E1(x，y)exp[jΦ(x，y)]。
步骤二：使用分光镜对散斑光束进行分束，散斑光束一在近距离处被相机一接收，其相位分布经SLM调制后的相位分布Φ(x，y)，散斑光束二经过水下等散射介质远距离传输后抵达目标。由于目标的非均匀性，经过被测目标反射后，散射光束以一定夹角返回到分束镜，经分束镜反射后，被相机二接收。该过程中产生的畸变相位分布为ψ(x，y)，参阅图6。
步骤三：将畸变相位分布为ψ(x，y)的逆分布ψ-1(x，y)引入SLM，该实时对应的相位畸变逆分布参阅图7，补偿水下等散射介质造成的相位畸变。散斑光场分布变为：E′(x，y)＝E1(x，y)exp[jΦ(x，y)ψ-1(x，y)]。重复步骤二，将相机二各像素点探测到的信号相叠加，获得光电探测器(8)强度值B。
步骤四：通过二阶关联计算公式可得目标图像，二阶鬼成像公式为：
所述的步骤一到步骤四执行一次为完成一次测量，测量被重复N次，直到被测目标的图像表达式G(x,y)满足要求时，停止循环。本实施例中，当N取值为500，即测量被重复500次时，参阅图8，得到的目标图像可以看出比较清晰的“G”鬼成像结果，测量结束。
通过上述过程，对散斑和光电探测器值使用二阶鬼成像算法可以得到未知物体的图像，该成像结构具有一定的抗噪声性能，适用于低信噪比的环境。因此通过这种实时调制相位补偿散斑光场畸变的水下远距离鬼成像方法，可以提高环境适应能力，拓展鬼成像的应用范围。
实施例二
如图3所示，相比于图2，使用一个普通的全反镜替代数字微镜器件(DMD)，仅使用一个空间光调制器(SLM)同时生成具有可调相位分布的散斑光场，相较于实施例一，更近一步简化了系统结构，降低了成本。
综上所属，采用本发明进行实时调制相位补偿散斑光场畸变的水下远距离鬼成像方法对位置相位物体图像进行恢复时，能够有效消除环境造成的相位畸变，并且有一定的抗噪声性能，可有效提高成像距离和成像质量，同时适用于浑浊水环境，应用前景广泛。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，仍可作出改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种实时相位畸变补偿的水下远距离鬼成像系统，其特征在于，包括光源1、数字微镜器件2、空间光调制器3、分光镜4、2台相机及工控机9；
所述光源1用于发射主动探测光；数字微镜器件2用于对光源发出的光场进行随机强度调制，产生随机分布的散斑光场；空间光调制器3用于对散斑光场进行畸变相位预补偿，并根据2台相机反馈的信息进行实时相位矫正；分光镜4首先用于将经过空间光调制器3相位补偿过的光分成两束，一束被第一台相机5接收，另一束光对准被测目标7，经被测目标7反射后的光返回到分光镜4的另一侧，被第二台相机8接收；第一台相机5用于获取并计算得到光场的初始相位信息，第二台相机8一方面用于获取并计算得到光场的实际相位信息，另一方面用于记录实时探测目标7返回光的强度值。第；台相机5和第二台相机8所采集到的数据传递给所述工控机9，工控机9则控制、传输信息给数字微镜器件2、空间光调制器3。
2.一种如权利要求1所述的实时相位畸变补偿的水下远距离鬼成像系统，其特征在于，所述随机分布的散斑光场也可以直接通过光源1和空间光调制器3生成。
3.基于如权利要求1所述系统的一种实时调制相位补偿散斑光场畸变的水下远距离鬼成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将光源1发出的光E0(x,y)，经过数字微镜器件2进行随机强度调制，生成随机散斑光场E1(x,y)，然后投射到空间光调制器3进行相位调制，生成相位调制后的散斑光束：
相位变换函数为：
光场分布为：E(x，y)＝E1(x，y)exp[jΦ(x，y)]；
其中，SLM相邻像素在x，y方向上的间距分别用Δx、Δy来表示，M，N和α，β分别为x，y方向上的像素数和有效像素所占比例，且α，β∈(0,1)，Φ(x，y)表示光场相位分布；表示SLM每个单元像素的抽样，/>表示单个有效像素窗口，/>表示空间光调制器大小对衍射像的限制；
步骤二：使用分光镜4对散斑光束进行分束得到散斑光束一和散斑光束二，散斑光束一在近距离处被第一台相机5接收，散斑光束二经过水下等散射介质远距离传输后抵达目标7，经过被测目标7反射后，原路或以一定夹角α返回到分束镜4，经分束镜4反射后，被第二相机8接收；该过程中产生的畸变相位分布为ψ(x，y)；角度大小以实际相机通过孔径为参考依据，经被测目标反射后的光束在角度范围内必须能够被相机接收；
步骤三：将畸变相位分布为ψ(x，y)的逆分布ψ-1(x，y)引入SLM，补偿水下等散射介质造成的相位畸变，散斑光场分布变为：E′(x，y)＝E1(x，y)exp[jΦ(x，y)ψ-1(x，y)]；重复步骤二，将第二相机8各像素点探测到的信号相叠加，获得光电探测器强度值B；
步骤四：通过二阶关联计算公式可得目标图像，二阶鬼成像公式为：
其中，G(x,y)是被测目标的图像表达式，<B>表示对B的N次测量取算数平均值，N为1，2，3，…，到无穷大的某一个自然数，E′(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E′(x，y)的总光强值；所述的步骤一到步骤四执行一次为完成一次测量，测量被重复N次，直到被测目标的图像表达式G(x,y)满足要求时，停止循环。
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