基于低通滤波的超分辨率关联成像系统及成像方法

摘要

本发明涉及一种基于低通滤波的超分辨率关联成像系统及成像方法，参考臂光路和探测臂光路都使用具有空间分辨能力的CCD、EMCCD或CMOS面阵列探测器，对通过探测臂光路的探测目标或者由其反射散射的光场强度分布和参考臂光路的光场强度分布按照一定的时间序列同步进行一定时间的曝光拍摄，将曝光数据依次接入对应的空间滤波器，为参考臂空间滤波器和探测臂空间滤波器设定一个合适的阈值，根据阈值将每个时序点获得的面阵数据信号依次通过参考臂空间滤波器或探测臂空间滤波器进行低通滤波运算，最后将参考臂光路和探测臂光路获得的这两组面阵数据按照传统热光关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨率关联成像。

说明书

技术领域

本发明涉及超分辨率关联成像领域，特别涉及一种基于低通滤波的超分辨率关联成像系统和方法。

背景技术

关联成像技术（也称“鬼”成像）是一种利用热光场或量子光场的高阶时空强度关联性质，在非定域上实现对物体信息重建的一种新型成像技术。其中，近年来迅猛发展热光源的关联成像技术具有很多不同于传统的透镜成像或照相技术的优势，比如，可不用透镜而成像且原则上适合电磁波谱中任意波长，可不受大气湍流扰动、空气混浊或其它散射介质的影响，可以在大气湍流、云雾遮挡的情况下依然获得物体清晰的成像，这是传统经典成像无法做到的。并且热光源（例如太阳光）与我们日常生活息息相关，相比较量子光源，更容易获得，因此，研究方向和热点趋向于基于热光源的关联成像技术。正是由于该项技术具有传统透镜成像技术所不可替代的作用和优势，所以在国防、军事、遥感，通讯、生物医学等众多成像技术领域都具有巨大的潜在应用价值。

虽然关联成像技术在相同的条件下比传统成像具有更高的成像分辨率，但是依然受制于成像系统的衍射极限，同时关联成像技术的成像分辨率与对比度是相互制约的关系，通常情况下，高分辨率的成像会导致对比度很低，这是关联成像技术的不足之处。

发明内容

本发明的一个目的是将空间低通滤波技术应用于光学超分辨率关联成像领域，从而提供一种基于低通滤波的超分辨成像系统和方法。

一种基于低通滤波的超分辨率关联成像系统，用于利用光源对待成像物体进行空间关联成像，包括：光源发出的光束被非偏振分束器分成两路：探测臂光路和参考臂光路。

所述探测臂光路中设有具有空间分辨能力的探测臂探测器和所述待成像物体，所述探测臂探测器用于采样所述探测臂光路中经过所述待成像物体后的光场强度空间分布信号，探测臂探测器输出信号接入探测臂空间滤波器。

参考臂光路，所述的参考臂光路中设有具有空间分辨能力的参考臂探测器，用于采样所述参考臂光路的光场强度分布信号，参考臂探测器输出信号接入一个参考臂空间滤波器。

进一步地，所述光源为热光源、自然光或人造赝热光源。

进一步地，所述参考臂探测器和探测臂探测器均为具有空间分辨能力的CCD（charge coupled device，电荷耦合元件）、EMCCD（Electron-Multiplying CCD，电子倍增电荷耦合元件）、ICCD（增强电荷耦合元件，Intensified CCD）或CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）面阵列相机。

进一步地，所述探测臂空间滤波器和参考臂空间滤波器分别为均值滤波器、中值滤波器、Lee局域统计自适应滤波器、Frost滤波器、Sigma滤波器、改良K-均值自适应滤波或Gamma滤波器中的一种。

一种基于低通滤波的超分辨率关联成像方法，采用了所述的一种基于低通滤波的超分辨率关联成像系统，包括以下步骤：

1）对通过探测臂光路的探测目标或者由其反射散射的光场强度分布和参考臂光路的光场强度分布按照一定的时间序列同步进行一定时间的曝光拍摄，并将其每次曝光获得的数据输出依次接入对应的空间滤波器，即参考臂空间滤波器和探测臂空间滤波器；

2）根据光场强度的平均值和即时光场的最大值分别为参考臂空间滤波器和探测臂空间滤波器设定一个合适的阈值；

3）根据阈值将每个时序点获得的面阵数据信号依次通过参考臂空间滤波器和探测臂空间滤波器进行低通滤波运算；

4）将参考臂光路和探测臂光路获得的这两组面阵数据按照传统热光关联成像的原理和方法进行处理则实现对待成像物体实现超分辨率关联成像。

进一步地，所述低通滤波运算采用硬件滤波处理或软件滤波处理。

参考臂空间滤波器和探测臂空间滤波器的阈值在光强的平均值与即时强度分布的最大值之间进行选择，在平均值附近会具有更高成像分辨率和更好的成像质量；如果光源发出的光场强度稳定，这里的平均值可以是所有采样数的平均光强；如果光源发出的光场强度不稳定，平均值也可以是即时强度的平均值。

本发明的优点在于：

1. 本发明具有打破衍射极限的超分辨成像能力，该方法的成像分辨率是传统关联成像方法的2倍多；

2. 本发明继承了传统关联成像技术的全部优势，可以用于升级各种真热光源或者赝热光源以及基于计算机调制的空间调制光束的计算关联成像技术来提高关联成像系统的分辨率及成像对比度和信噪比；

3. 本发明不用改变关联成像的光路结构，主要探测结构和触发控制，只需将原系统中的桶探测器换成具有空间分辨能力的探测器，以及在探测器后增加空间滤波器或者在传统探测方法的基础上利用计算软件对面阵数据进行数字化技术处理即可，结构简单，易于操作，不增加关联成像系统的复杂程度和数据处理复杂度；

4. 本发明也适用于光源发出的光场强度不稳定的情况；

5. 本发明对光强的不稳定性不敏感，具有抵抗大气扰动、湍流等影响恶劣天气影响的能力，能够实现超分辨率成像，比传统方法具有更好成像质量。

附图说明

图1是本发明基于低通滤波的超分辨率关联成像系统的原理框图；

1、光源；2、非偏振分束器；3、待成像物体；4-1、探测臂探测器；4-2、参考臂探测器；5-1、探测臂空间滤波器；5-2、参考臂空间滤波器；6、用于重建待成像物体像的符合测量系统。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1是根据本发明一个实施例基于低通滤波的超分辨率关联成像系统和方法的示意性结构布置图。图1中的关联成像系统包括热光源和非偏振分束器2、探测臂光路和参考臂光路、对两路具有空间分辨能力的面阵探测器输出信号进行低通滤波的探测臂空间滤波器5-1和参考臂空间滤波器5-2以及用于重建待成像物体像的符合测量系统6。其中，探测臂光路中可以具有面阵探测器4-1和待成像物体3。探测臂探测器4-1用于采样所述探测臂光路中经过所述待成像物体3后或者被其反射散射光场的空间强度信号。参考臂光路中具有参考臂探测器4-2，用于采样所述参考臂光路的光场强度空间分布信息。其中，以上两光路中的空间分布信号和是按照一定的时间序列进行同步触发探测器，在一定的曝光时间内采集获得的两组面阵数据序列。两组面阵数据分别依次通过设定一定阈值的探测臂空间滤波器5-1和参考臂空间滤波器5-2后变成另外两组面阵数据和，然后按照热光关联成像的原理和方法，利用归一化二阶强度关联函数

即可重现待测物体的像。

以上是本发明的系统基本构成和主要方法，下面对于本发明的关键点进行进一步的详尽说明。

本成像系统中与传统关联成像系统最大的不同是在探测臂也使用具有空间分辨能力的探测器。探测器的输出信号按序列依次进行空间滤波操作之后，对每个序列点面阵数据信号的按像素求和，并按原有相同序列作为桶探测器的即时强度信号序列，再与参考臂经过空间滤波后的相同序列的面阵数据信号按照关联成像的原理和方法重建待测物体的图像。

对于本发明中最为关键的空间滤波操作可以分为两种情况：硬件滤波和软件滤波。

硬件滤波就是按照图1所示的方法，将探测器的输出信号接入空间滤波器，滤波器按照人为设定的阈值或者预设的方法计算出阈值对接入的信号进行滤波。具备上述功能的滤波器也可以是探测器的一部分，探测器光敏元件曝光采集到的原始数据直接通过空间滤波器后再输出。

如果采用软件滤波，就是在数据处理的过程中，将滤波操作编入软件程序中。具体的以均值低通滤波为例，两路的探测器输出面阵信号按序列存储于电脑硬盘，通过程序依次读入数据，然后计算每一个序列信号的平均值作为阈值信号，然后该面阵信号的每一个元素与该阈值信号进行比较，大于阈值的等于0值，小于阈值的设为原值，从而达到对数据的空间低通滤波操作。当然，滤波阈值也可以根据具体情况认为设定，参考臂和探测臂的滤波操作方法相同，但是阈值可以不同，甚至采用不同方法获得阈值。

空间滤波操作也可以在光路中进行，可在分束器前加入一个光强空间滤波器，或者在探测臂和参考臂分别加入一个空间滤波器。该种方法探测臂可不使用具有空间分辨能力的探测器，可以像传统关联成像一样使用桶探测器。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的示例及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了示例及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

虽然本发明的实施例仅列举了光源为热光源的形式，但本发明的关联成像系统同样适用于服从热光统计分布的自然光或人造赝热光源的成像方案及光源与参考探测器和探测臂探测器之间有、无透镜的成像方案。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的一个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。