一种基于偏振关联成像的单像素成像系统

摘要

本发明公开了一种基于偏振关联成像的单像素成像系统，包括：光源、调制器、起偏器、透镜、检偏器、滤波片、单点光强探测器和同步控制与数据采集模块。发射端由光源入射在调制器上，产生光强分布随机涨落的光场，通过起偏器调制出射光的偏振，并发射至探测目标处；接收端由透镜汇聚目标物体反射回来的光，并通过检偏器和滤波片汇聚于单点光强探测器；同步模块和数据采集模块对发射端和接收端同步控制，并进行数据采集与关联算法解算。本发明利用光的偏振信息与强度关联实现目标的检测识别与成像，提高了传统关联成像的目标检测识别率和成像对比度，具有抗复杂背景干扰强等优势。

说明书

技术领域

本发明涉及目标检测识别与成像领域，尤其涉及一种基于偏振关联成像的单像 素成像系统。

背景技术

目标检测识别与成像在诸如军事探测、智能监控、生物医学等各个方面都有着 重要的应用。关联成像，或称鬼成像，作为一种新兴的成像手段，近年来得到了长 足的发展。相比于传统成像，它具有单像素成像，无需空间阵列探测器，抗散射介 质干扰能力强，提高成像分辨率等优势，在实际应用中发挥越来越重要的功用。然 而传统的关联成像接收目标和背景反射的总光强进行关联恢复。当目标处于复杂而 又宽广的背景下时，背景光强对目标光强干扰很大，甚至淹没了目标信息。另一方 面当同一探测下不同目标反射光强能力不同，反射光强的涨落由反射能力强的目标 所主导。在这些情况下传统的关联成像很难恢复出目标信息。

偏振作为光的另一个重要特性，由于不易被人眼所直接感知，在传统的检测或 成像方法中容易被忽略。然而在实际应用中需要探测的目标在物质组成成分、表面 粗糙度，含水量等各方面都与背景不尽相同。使得各自的偏振信息有较大的差别， 所以可以利用偏振信息提高检查与识别目标能力。基于偏振的探测及成像方式获得 了迅速的发展，应用范围不断扩大，成为信息获取领域中的热点。

因此，为了加入偏振信息，与关联成像相结合，本领域的技术人员致力于设计 一种基于偏振关联成像的单像素成像系统，无需空间阵列探测器，能够提高传统关 联成像目标检测识别率以及成像分辨率，抗散射介质和复杂背景干扰能力强。这种 技术在军事侦查，探测，遥感等领域中都有着重要的意义。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够提高 传统关联成像目标检测识别率以及成像分辨率，抗散射介质和复杂背景干扰能力强 的成像系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于偏振关联成像的单像素成像系统，包 括：光源、调制器、起偏器、透镜、检偏器、滤波片、单点光强探测器和同步控制 与数据采集模块，光源入射至调制器，产生光强分布随机涨落的光场；起偏器调制 出射光的偏振，并发射至目标物体处；透镜汇聚目标物体的反射光，再经检偏器调 制反射光的偏振，再经滤波片后，由单点光强探测器探测反射光的光强值；同步控 制与数据采集模块对调制器和单点探测器进行同步控制，并进行数据采集与关联算 法解算，实现目标的检测识别与成像。

进一步地，光源为单色连续或脉冲激光器、单色LED，普通光源（甚至日光） 聚束后通过滤波片选取窄带波长作为光源亦可。

进一步地，调制器采用空间光调制器（SLM）或数字微镜阵列（DMD）。

进一步地，起偏器采用线性偏振片产生线偏光，当需要产生圆偏光或者椭圆偏 振光时需要线性偏振片加上四分之一波片或线性偏振片加半波片加四分之一波片， 或者其它具有偏振效果的棱镜组合（例如，格兰泰勒棱镜）。检偏器采用与起偏 器相同的线性偏振片或线性偏振片加四分之一波片或线性偏振片加半波片加四分 之一波片或其它棱镜组合（例如，格兰泰勒棱镜）。

进一步地，透镜采用凸透镜或凹透镜。

进一步地，滤波片是与光源的波长对应的窄带滤波片。

进一步地，单点光强探测器采用光电二极管或光电倍增管（PMT）。

进一步地，成像系统进行多次测量叠加，把得到的光强值和光源的调制信息做 相应的关联运算得出物体成像，具体按照以下公式（1）计算：

G(x,y)=<(S_i-<S_i>)(P_i(x,y)-<P_i(x,y)>)>（1）

其中，G（x，y）为目标物体的像，N为测量次数，表示N次 测量的平均值，S_i为单点光强探测器探测的光场强值，P_i(x,y)为光场强度随机 图的分布。

在本发明的较佳实施方式中，测量次数N=20000，也可以采用N大于或等于1000 范围内的任意值，测量次数随目标物体所处的环境复杂程度而增加。

进一步地，同步控制与数据采集模块采用数据采集卡，并通过物理连线分别与 所述调制器及所述单点光强探测器连接进行数据采集，以进行同步控制。

进一步地，同步控制与数据采集模块亦可采用算法同步方式，调制器与单点光 强探测器相互独立，单点光强探测器采用比空间光调制器调制速率高的速率进行光 强值采集，再进行解同步操作。

本发明的基于偏振关联成像的单像素成像系统的工作过程如下：

1、用户预先生成对调制器进行随机强度调制的调制信息。

2、光源入射至调制器后，调制器根据已有的预置调制信息对光场进行一次调 制，生成所希望的空间光强度随机分布的光场。

3、出射光经过起偏器调制其光场偏振信息。

4、设置检偏器的检偏状态，经过目标物体反射后的光由透镜汇聚，通过检偏 器，检偏出对应光场。

5、单点光强探测器接收经透镜汇聚，并通过滤波片之后的光场进行光强测量。

6、重复2-5操作，总共进行N次测量，N的大小可以根据用户对图像清晰度 的需求，以及外界的影响决定。

7、把N次单点光强探测器测得到光强值和预存的调制信息按照公式（1）进 行关联运算，得到目标物体的像。

8、改变检偏器的检偏状态，重复2-7操作，可获得不同检偏状态下的目标恢 复信息，结合目标的偏振特性比较提取最优效果，并可以通过检偏状态完全相反的 两组数据进行偏振差分关联成像，实现背景抑制，提高成像对比度。

本发明的成像系统采用基于偏振关联成像的单像素成像系统，与现有技术相 比，本发明具有如下的有益效果：

1、可以通过偏振信息选择性的从复杂背景中提取目标光强涨落，抑制背景光， 进行关联成像，克服传统关联成像方式抗复杂背景能力低的缺点。

2、可以根据不同目标的偏振特性，同时或相继恢复出不同反射特性的目标， 克服传统关联成像无法恢复出弱反射目标的缺点。

3、使用可调制的预置光源，省掉了对光源的信息的测量，只需要测量信号路 的数据就可以成像，单点光强探测器采集速度高，采集数据量小，且探测器不需要 具有空间分辨能力，可以克服传统成像中某些红外波段阵列探测器昂贵或分辨率差 的缺点。

4、可以根据对物体清晰度的要求改变采样的次数，灵活性高。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明， 以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的基于偏振关联成像的单像素成像系统示意图；

图2是本发明实施例1的在复杂背景情况下基于线性偏振关联成像的单像素成 像系统示意图；

图3是本发明实施例2的在不同反射特性目标下基于线性偏振关联成像的单像 素成像系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技 术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。 这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于偏振关联成像的单像素成像系统，包括：光源1、调制 器2、起偏器3、透镜4、检偏器5、滤波片6、单点光强探测器7和同步控制与数 据采集模块8。发射端由光源1入射在调制器2上，产生光强分布随机涨落的光场， 通过起偏器3后调制出射光的偏振，并发射至探测目标物体9处；接收端由透镜4 汇聚目标物体9反射回来的光，并通过检偏器5和滤波片6汇聚于单点光强探测器 7；同步模块和数据采集模块8对发射端和接收端同步控制，并进行数据采集与关 联算法解算。

光源1的要求不严格，单色连续或脉冲激光器或单色LED，或普通光源（甚 至日光）聚束后通过滤波片选取窄带波长作为光源亦可。

调制器2用于产生光场强度分布是随机涨落的光场，需预设一组随机分布的光 场分布图作为参考路信号。类似的产品有空间光调制器（SLM）、数字微镜阵列 （DMD）等。

起偏器3可用线性偏振片或线性偏振片加上四分之一波片或线性偏振片加半 波片加四分之一波片产生各种类型偏振光，检偏器5可用与起偏器3相同的线性偏 振片或线性偏振片加上四分之一波片或线性偏振片加半波片加四分之一波片来检 偏，其他器件如格兰泰勒棱镜亦可作为起偏器3或检偏器5。当只需要利用线偏光 时，如图2和图3中所示，可只用线性偏振片11。

单点光强探测器7用于采集目标物体9反射回来经透镜4汇聚和滤波片6滤波 后的光场强度，可以用光电二极管或者光电倍增管（PMT）实现。

同步控制与数据采集模块8用于实现调制器2和单点光强探测器7的同步并进 行数据采集，保证每次调制和采集的光强对应起来。同步模块有两种做法：一种是 直接由物理连接线连接，进行精确控制；二是不用物理连接线，两端完全独立，采 集端单点光强探测器7用比调制光源调制速率高的速率进行采集，然后后期由相应 算法进行解同步操作。将单点探测器采集到的数据与预置随机光场分布做关联算法 即可恢复出目标信息。

实施例一

如图2所示，一种复杂背景情况下基于线性偏振关联成像的单像素系统，包括： 632.8nm连续He-Ne激光器12、数字微镜阵列（DMD）10、线性偏振片11（作为 起偏器）、透镜、线性偏振片11（作为检偏器）、632.8nm滤波片6、光电二极管13 以及同步控制与数据采集模块8。数字微镜阵列包含1024×768个微镜，预先生 成N=20000（N的取值大于或等于1000同样可以实施本实施例）幅光场随机图 P_i(x,y)，并以100帧/秒的速度对入射到数字微镜阵列（DMD）10的激光进行调制， 线性偏振片11（作为起偏器）设置为垂直偏振，使得出射光为光场随机分布的垂 直偏振光，并照射于目标物体9上。目标为一大块白色泡沫中有一支钥匙，泡沫的 反射光强涨落对钥匙的影响很大，几乎淹没了钥匙的反射光强涨落。传统关联成像 在这种情况下很难恢复出目标信息，成像模糊，基本无法识别出是钥匙。

接收端利用口径为50mm，焦距为75mm的透镜4进行汇聚，线性偏振片11 （作为检偏器）设置为与起偏器平行的偏振方向。目标钥匙发射回来的光大部分都 为垂直偏振，均能透过检偏器，而泡沫反射的光为各个方向的线偏振光，有一部分 能通过检偏器，大大抑制了背景的干扰。

单点光强探测器采用光电二极管13，由同步控制与数据采集模块8与数字微 镜阵列（DMD）10同步采集，采样频率为100Hz，采样点数为N=20000（N的取 值大于或等于1000同样可以实施本实施例），采样值为S_i，由光电二极管13得到 的测量值与预置光源的调制信息根据公式（1）进行关联运算就可以得出目标物体 的像G（x，y），可以识别出目标物体9是钥匙。随着N的增加，得到像会渐渐变 清晰。

另一方面，设置检偏器为与起偏器垂直的偏振方向。目标钥匙反射回来的光大 部分被抑制，而背景光仍然有一部分能通过检偏器，由单点探测器得到的测量值为 S_i^*，将S_i减去S_i^*，得到的能够消除大部分的背景，得到更为清晰，对比度更好 的图像，图像中钥匙与背景的边界更加清晰。

实施例二

如图3所示，本实施例为不同反射特性目标下基于线性偏振关联成像的单像素 成像系统。500nm波长LED光源14照射至数字微镜阵列，通过垂直偏振的线性偏 振片11照射在目标物体9上，目标由四个字母“SJTU”组成，其中S和T由锡箔 纸裁剪而成，J和U为白色硬纸板裁剪而成。在传统关联成像中，反射光场涨落由 S和T主导，J和U的信息被淹没以至于无法恢复。

接收端检偏器由偏振分束器（PBS）15分成两路，垂直偏振与水平偏振，并通 过两个光电二极管13采集光强，并经由后期数据模块进行处理与恢复图像。其它 设置于实施例一类似，不再赘述。其中采用传统关联成像恢复物体信息的恢复图中 显示S和T，而J和U无显示；采用偏振关联成像，与起偏器偏振方向水平的输出 端解算结果的恢复图相较与采用传统关联成像的恢复图，S和T更加清晰，J和U 仍无显示；与起偏器偏振方向垂直的输出端解算结果的恢复图中J和U清晰显示， S和T无显示。由此可知，偏振关联单像素成像系统不仅可以提高成像质量，而且 可以分别恢复出不同特性的目标，克服了传统关联成像的缺点。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需 创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中 技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验 可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。