一种雾霾分散体系下的反射式扫描计算偏振鬼成像系统

摘要

本发明公开了一种雾霾分散体系下的反射式扫描计算偏振鬼成像系统，首先，提出雾霾环境下的反射式扫描计算偏振鬼成像架构，在光源调制端设置不同大小的滑动窗口对雾霾分散体系中的目标进行空间扫描，经目标反射的光再次与散射介质作用，其次，接收端将收集的光强值与预置的散斑场通过OMP算法进行重构运算，照明散斑沿着横、纵向运动使其覆盖整个目标，从而获取目标的强度及偏振图像信息。本发明补充了实际场景下的计算鬼成像探测方案，有效提升系统对目标物体的成像探测识别能力，提高复杂大气环境下成像速度和成像质量等特点。为后续的鬼成像研究方向提供了新思路。

说明书

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种雾霾分散体系下的反射式扫描计算偏振鬼成像系统。

背景技术

近年来，鬼成像由于非定域成像特性受到了极大的关注。计算鬼成像主要运用光场强度的涨落关联实现物体成像，在成像光路中不需要放置任何成像透镜，只需一个桶探测器收集物臂上经过物体的总光强，并与预置散斑图案进行关联运算恢复物像。所以在光学苛刻或复杂的大气环境下，计算鬼成像拥有巨大的潜力。然而，在传统强度鬼成像中，通过物体的光束信号直接由桶探测器接收不加以区分物体信息与背景信息，对于在同一视野中具有相似反射率的不同材料构成的物体，传统鬼成像系统无法对其进行区分，从图像层面分析，复杂的背景也会降低目标能见度和图像的对比度，从而影响图像的质量。偏振是物体的固有属性，偏振成像可以利用不同材质物体之间偏振特性的差异实现对物体的区分，偏振成像与鬼成像技术结合可提升系统在大气湍流、强散射介质等复杂环境下的抗干扰能力。

然而，对于恶劣环境且存在复杂背景的目标成像，传统的偏振鬼成像技术成像时间长，严重影响探测效率，基于此，提出一种雾霾分散体系下的反射式扫描计算偏振鬼成像方案，缩短成像时间，提高图像质量，达到高效的目标探测与识别。本发明为计算鬼成像在遥感成像、生物医学成像、军事侦察等领域的实际应用提供了一个探讨思路，对于推动计算鬼成像的发展具有重要意义。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种雾霾分散体系下的反射式扫描计算偏振鬼成像系统，提高探测效率，获得高质量的目标图像。扫描式采样计算偏振鬼成像方案通过在光源调制端设置不同大小的滑动窗口对处于雾霾分散体系中的目标进行空间扫描，经目标反射的光再次与散射介质作用，接收端将收集的光强值与预置的散斑场通过OMP算法进行重构运算，照明散斑沿着横、纵向运动使其覆盖整个目标，从而获取目标的图像信息。提出的雾霾环境下的反射式计算偏振鬼成像架构，为计算鬼成像在遥感成像、生物医学成像、军事侦察等领域的实际应用提供了一个可靠可行的具体方案。借助分块扫描的方式，使用相同的预置散斑图案对图像的各子图像进行独立采样，极大的提高了雾霾分散体系下的计算鬼成像效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种雾霾分散体系下的反射式扫描计算偏振鬼成像系统，包括有光源发射端、光源调制端和光源接收端，在所述的光源调制端设置有不同大小的滑动窗口，光源发射端发射激光穿过光源调制端对雾霾分散体系中的目标进行空间扫描，经目标反射的光再次与雾霾分散体系介质作用，光源接收端接收光源，并将接收的光强值与预置的散斑场通过OMP算法进行重构运算，照明散斑沿着横、纵向运动使其覆盖整个目标，从而获取目标的图像信息，重构出目标二维图像。

所述的光源发射端包括有依次设置的激光器、准直透镜和偏振片。

所述的不同大小的滑动窗口是通过空间光调制器设置不同的照明图案构成的。

所述的光源接收端包括有汇聚透镜、偏振分束器、桶探测器一、桶探测器二和计算机，所述的激光器出射的光经过准直透镜和偏振片后调制为偏振光，再经过光源调制端对其进行强度调制，产生随时空变化的涨落光场，然后垂直入射至大气雾霾分散体系中，与散射体系作用的光经由目标反射之后，再次经过大气雾霾分散体系，最后汇聚透镜将光收集于偏振分束器内，通过偏振分束器的光被分成两束正交方向的偏振光分别由桶探测器一和桶探测器二接收，两束光分别通过桶探测器一和桶探测器二处理之后输入计算机，计算机将收集的光强值与预置的散斑场通过OMP算法进行重构运算，重构出目标二维图像。

雾霾环境下的反射式计算偏振鬼成像架构，适用于实际复杂场景下遥感模式的目标探测。

在计算鬼成像中引入扫描成像方式，在光源调制端设置滑动窗口对雾霾分散体系中的目标进行空间扫描，同时对扫描区域进行重构运算，照明散斑沿着横、纵向运动使其覆盖整个目标，从而获取目标的图像信息。

本发明的优点是：本发明针对遥感探测模式提出雾霾环境下的反射式计算偏振鬼成像架构，为计算鬼成像的实际应用提供了一个可靠可行的具体方案；此外，本发明使用偏振分束器同时获取两个方向上的偏振信息，可达到实时的目标探测与识别。

本发明扫描式采样计算偏振鬼成像方案借助分块扫描的方式，使用相同的预置散斑图案对图像的各子图像进行独立采样，扫描采样中图像块按时间先后顺序获取，避免了反射光之间的互相干扰，阻止了后向散射光进入成像系统造成信噪比下降；此外，压缩感知算法的优势在于采样与压缩同时进行，极大降低了采样成本，缩短了采样时间，同时借助分块扫描的方式，对图像的各子图像进行独立重构，算法计算数据量减少，迭代速度加快，大大缩短重构时间。

本发明可以有效降低复杂雾霾环境对成像的影响，提高图像对比度，达到高效实时的目标探测与识别。

附图说明

图1是本发明中雾霾分散体系下的计算偏振鬼成像系统结构示意图。

图2是本方案的流程图。

图3是扫描窗口为4×4时，不同光学距离下强度鬼成像与偏振鬼成像对比图。

图4是不同成像方式的成像效率对比图。

具体实施方式

如图1所示，一种雾霾分散体系下的反射式扫描计算偏振鬼成像系统，包括有光源发射端、光源调制端和光源接收端，在所述的光源调制端设置有不同大小的滑动窗口，光源发射端发射激光穿过光源调制端对雾霾分散体系中的目标进行空间扫描，经目标反射的光再次与雾霾分散体系介质作用，光源接收端接收光源，并将接收的光强值与预置的散斑场通过OMP算法进行重构运算，照明散斑沿着横、纵向运动使其覆盖整个目标，从而获取目标的图像信息，重构出目标二维图像。

所述的光源发射端包括有依次设置的激光器1、准直透镜2和偏振片3。

所述的不同大小的滑动窗口是通过空间光调制器10设置不同的照明图案构成的。

所述的光源接收端包括有汇聚透镜6、偏振分束器7、桶探测器8和计算机9，首先，激光器1出射的光经过准直透镜2和偏振片3后调制为偏振光，再经过光源调制端对其进行强度调制，产生随时空变化的涨落光场。然后垂直入射至大气雾霾分散体系4中，与散射体系作用的光经由目标5反射之后，再次经过散射体系，最后汇聚透镜6将光收集于偏振分束器7内，通过偏振分束器7的光被分成两束正交方向的偏振光分别由桶探测器8接收。两束光通过采样处理之后输入计算机9。如图2所示，在光源调制端设置不同大小的滑动窗口对目标进行空间扫描，接收端将收集的光强值与预置的散斑场通过OMP算法进行重构运算，照明散斑沿着横、纵向运动使其覆盖整个目标，从而获取目标的图像信息，重构出目标二维图像。

假设入射光斯托克斯矢量为S

此方案中光在介质中传播，而后与介质中的目标作用，此时入射与出射光斯托克斯矢量之间的关系为：

S

其中M

M

最后光被偏振分束器分成两束，分别用桶探测器接收，记作I和I

其中偏振分束器可用穆勒矩阵表示：

目标图像由压缩感知的正交匹配追踪算法(OMP)进行重构：

S

x＝min||S

其中Φ为被空间光调制器调制的光强I

当M N上式理论上存在无穷解，由于获得了图像的部分先验信息，求解就不困难：

其中‖ ‖

L1范数表示图像中元素绝对值之和，可用线性规划问题求解。本文使用的OMP属于基追踪算法中的一类，其本质思想是：以迭代的方式从矩阵中提取列向量作为测量矩阵的一部分，被选择的列向量必须满足与测量向量S存在最大相关性，并将每次迭代过程中被挑选的列向量删除，以保证列向量不被重复选择，直到迭代终止从而重构图像。

最后改变向量

I

I

当S＝I

实施例1：

本例结合附图详细介绍采用该系统及成像方案进行成像的情况。

仿真激光器产生波长为550nm的可见光经偏振片调制为线偏振光S＝(1,1,0,0)

仿真中待成像场景由三种不同物体组成，最下层为木头，中间层为大理石，最上层的字母“HFUT”由材料铁构成。铁与大理石都是高反射率材料，两者之间的反射率相差较小，而粗糙的木头反射率较低，三种物体的穆勒矩阵元素如下表所示

表1穆勒矩阵元素

在这里使用服从均值为2μm的对数粒子谱分布模型的雾散射体系：

Ns表示单位体积内总雾滴浓度R便是雾滴的半径，σ和R

主要针对均匀的雾分散体系进行建模，近似为圆形的雾散射粒子的折射率为1.335-1.0

其中T为光强的透射率，I和I

点光源入射，选择探测器上1cm

图3是扫描窗口为4×4时，不同光学距离下强度鬼成像与偏振鬼成像对比。选择1倍光学距离下。可以看出，当光子在介质中经历少数散射事件时，强度鬼成像目标表面覆盖“薄雾”，噪声使得目标与背景对比度降低。随着光学距离的增加，弹道光子的数量大量减少，使得重构目标图像不可见，当光学距离达到5倍时，大量杂散光使得整个场景的信息完全不可分辨。对于偏振鬼成像，在光学距离为1倍时，目标清晰可见，图像光滑无噪点，随着光学距离的增加，目标与背景依旧保持较高的对比度，当光学距离达到5倍时，虽然，整个场景中大理石与木头的边界不明显，但目标信息依旧可分辨，充分展示了偏振探测在复杂介质环境中的绝对优势。

图4为不同成像方式的成像效率对比。选择台式电脑型号为

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。