一種高信噪比快速強度關(guān)聯(lián)成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種強度關(guān)聯(lián)成像、量子成像技術(shù)，特別是一種高信噪比快速強度關(guān)聯(lián)成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的強度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)(亦稱“鬼”成像或量子成像)是一種基于熱光場或量子光場的二階關(guān)聯(lián)特性，對物體信息在非定域上進(jìn)行重建的一種技術(shù)。隨技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，強度關(guān)聯(lián)成像方案中不再需要參考探測器對光場進(jìn)行瞬時強度測量，但是對光源要求高且光源調(diào)控需滿足高速、有效和穩(wěn)定。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝和技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種空間光調(diào)制器件(spatial light modulator, SLM)，特別是以德州儀器為代表生產(chǎn)的數(shù)字微鏡陣列器件(digital micro-mirror device, DMD)，DMD器件的出現(xiàn)極大提高了強度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。
[0003]另外，強度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的信噪比較低，成像速度無法達(dá)到實時成像，當(dāng)前的關(guān)聯(lián)成像中光源調(diào)制編碼主要采用高斯隨機矩陣或者滿足伯努利隨機矩陣，算法采用壓縮感知(compressive sensing，CS)方案或者關(guān)聯(lián)算法。CS算法成像速度不僅取決于光源調(diào)制速度即DMD運轉(zhuǎn)速度，還取決于算法解算的計算時間，關(guān)聯(lián)算法重建圖像信噪比低，要求采樣次數(shù)高。雖然CS算法可以利用相同數(shù)據(jù)獲得更高信噪比的圖像，但是CS算法是非線性算法，不能實時解算和并行。因此，基于壓縮感知方案的強度關(guān)聯(lián)成像(或單像素圖像傳感器)技術(shù)目前還不能達(dá)到實用水平。而傳統(tǒng)的強度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)中記錄光場對相機幀率和數(shù)據(jù)傳輸速率要求極高，現(xiàn)有器件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，成為關(guān)聯(lián)成像技術(shù)實用化的瓶頸。因此需要一種既保證成像質(zhì)量又保證成像速度的強度關(guān)聯(lián)成像方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有強度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)成像質(zhì)量和成像速度上的不足，提供了一種高信噪比快速強度關(guān)聯(lián)成像方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種高信噪比快速強度關(guān)聯(lián)成像方法，包括以下步驟:
[0006](I)選取P行Q列的數(shù)字微鏡陣列器件用于調(diào)制光源光場，然后根據(jù)數(shù)字微鏡陣列器件上P行Q列的微鏡陣列構(gòu)建M行M列的Hadamard矩陣；
[0007](2)依次讀取Hadamard矩陣的每一行或每一列并歸一化后得到M個向量Ai，然后讀取^第I至第P個元素作為調(diào)制信號矩陣H ,的第一行，第P+1至第2P個元素作為調(diào)制信號矩陣氏的第二行，以此類推，第(Q-1)乍至1^0個元素作為調(diào)制信號矩陣Hi的第Q行，遍歷M個向量Ai后得到調(diào)制信號矩陣Hi, i = 1，2，3，，11，其中，11 = P*Q為光源光場的像素總數(shù)；
[0008](3)產(chǎn)生同步時鐘并送至第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡，然后按照同步時鐘依次將調(diào)制信號矩陣故送至數(shù)字微鏡陣列器件；
[0009](4)加載調(diào)制信號矩陣Hi至數(shù)字微鏡陣列器件后控制微鏡矩陣翻轉(zhuǎn)從而調(diào)制光源光場，將調(diào)制的光源光場信號由光學(xué)鏡頭投射至第一桶探測器后產(chǎn)生電信號Ri，根據(jù)同步時鐘使用第一數(shù)據(jù)采集卡采集電信號Ri,并將采集得到的電信號民轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送至處理器；
[0010](5)將調(diào)制的光源光場信號通過光學(xué)鏡頭輸出至目標(biāo)物體后發(fā)生反射或透射，用第二桶探測器采集反射或透射的光后，根據(jù)同步時鐘使用第二數(shù)據(jù)采集卡采集電信號&轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送至處理器；
[0011](6)使用處理器計算得到M次測量對應(yīng)輸出圖像矩陣GI(M) = Σ ' = i (BiAi) Σ '=i (BiAi) * Σ' =汛，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的圖像歸一化處理后得到強度關(guān)聯(lián)成像結(jié)果。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0013](I)本發(fā)明方法能夠克服惡劣天氣成像，成像方案魯棒性強；
[0014](2)本發(fā)明方法相比傳統(tǒng)強度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)方法，信噪比高、圖像質(zhì)量好；
[0015](3)本發(fā)明方法采用歸一化數(shù)據(jù)采集處理方法，能夠?qū)崿F(xiàn)秒量級的準(zhǔn)實時成像，成像速度快，可滿足實際應(yīng)用的要求。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明公開一種高信噪比快速強度關(guān)聯(lián)成像方法包括以下步驟，如圖1所示:
[0018]I)按照Hadamard編碼原則，利用Walsh-Hadamard變換原則產(chǎn)生M行M列的調(diào)制矩陣M2= (P*Q)*(P*Q)0具體實施過程為:抽取Hadamard矩陣第一行(或列)中的M*1個元素并歸一化，然后抽取第I至第P個元素作為調(diào)制信號矩陣氏的第一行，第P+1至第2P個元素作為作為調(diào)制信號矩陣H1的第二行，，，第(Q-1) I3至PitQ個元素作為調(diào)制信號矩陣H1的第Q行，形成P行Q列的調(diào)制信號矩陣H1，其中，P*Q = M為調(diào)制光源光場的像素總數(shù)，最高分辨率為單個DMD微鏡面積，即DMD微鏡陣列具有P行Q列時，每個調(diào)制信號矩陣Hi對應(yīng)一個微鏡(若P*Q矩陣小于DMD微鏡陣列則會出現(xiàn)多個DMD相鄰微鏡對應(yīng)同一矩陣元Hi,此時光源光場光學(xué)分辨率降低)；抽取Hadamard矩陣第二行(或列)中的M*1元素并歸一化，然后抽取第I至第P個元素作為調(diào)制信號矩陣4的第一行，第P+1至第2P個元素作為作為調(diào)制信號矩陣H2的第二行，，，第(Q-1)乍至1^0個元素作為調(diào)制信號矩陣H2的第Q行，形成P行Q列的調(diào)制信號矩陣H2，然后重復(fù)上述操作直到抽取調(diào)制矩陣最后一行(或列)M*1元素并歸一化，然后抽取第I至第P個元素作為調(diào)制信號矩陣故的第一行，第P+1至第2P個元素作為作為調(diào)制信號矩陣Hi的第二行，，，第(Q-1) I3至PitQ個元素作為調(diào)制信號矩陣Hi的第Q行，形成P行Q列的調(diào)制信號矩陣Hi，每行(或列)抽取并歸一化得到的調(diào)制信號矩陣Hi均用于DMD調(diào)制，由于Hadamard矩陣有M行，因此會抽取M次，調(diào)制光源M次，測量M次、關(guān)聯(lián)運算M次，其中Hadamard矩陣各行(或列)中的M*1個元素的歸一化為將各元素加I后取1/2。
[0019]2)產(chǎn)生同步時鐘信號并將其送至第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡作為其同步時鐘信號，同步時鐘信號為電脈沖信號序列，其作用為:按時間序列\(zhòng)加載矩陣扎至01?開始調(diào)制光源(LED或激光)光場；按時間序列i = 1，2，3，…，M，觸發(fā)DMD控制電路控制微鏡矩陣翻轉(zhuǎn)從而調(diào)制光源光場；按時間序列\(zhòng)觸發(fā)第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡開始數(shù)據(jù)采集。
[0020]3)將調(diào)制的光源光場信號由光學(xué)鏡頭投射輸出，光學(xué)鏡頭將調(diào)制的光源光場信號投射輸出至第一桶探測器，所謂桶探測器為沒有空間分辨能力，只收集光強的探測系統(tǒng)器件，第一桶探測器接收調(diào)制的光源光場信號后產(chǎn)生電信號Ri,并將電信號Ri送至第一數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集讀取，第一數(shù)據(jù)采集卡將采集得到的電信號Ri轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并送至處理器，其中i代表第i次測量；
[0021]4)將調(diào)制的光源光場信號由或光學(xué)鏡頭輸出至目標(biāo)物體后發(fā)生反射(或透射)，用第二桶探測器采集反射(或透射)光后送至第二數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集讀取，第二數(shù)據(jù)采集卡將采集得到的電信號BiR化為數(shù)字信號并送至處理器；
[0022]5)將第二數(shù)據(jù)采集卡采集電信號Bi送至處理器后，處理器進(jìn)行B i/%處理，并將Bi/民與調(diào)制信號矩陣H痛乘得到(B
[0023]6)重復(fù)步驟5)M次，得到信號序列集合(B1ZR1, B2/R2，B3/R3，…，BM/RM};餌，H2,H3,…，Hm} ； {(B1A1) *氏，(B2/R2) *H2，(B3/R3) *H3，…，(Bm/Rm) *Hm}，將各集合的信號分別求和得到，Σ Μ? = 1Η^ Σ ^ = 1 (BiZRi)^Hi;
[0024]7)根據(jù)步驟6)得到的結(jié)果，定義符號GI?為測量M次對應(yīng)輸出圖像矩陣，其中GI ? = Σ Mi = 1 (BiAi) Σ ' = i (BiAi) * Σ ' =況，最后對GI(M)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的圖像歸一化處理后得到成像結(jié)果并輸出。
[0025]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種高信噪比快速強度關(guān)聯(lián)成像方法，其特征在于包括以下步驟: (1)選取P行Q列的數(shù)字微鏡陣列器件用于調(diào)制光源光場，然后根據(jù)數(shù)字微鏡陣列器件上P行Q列的微鏡陣列構(gòu)建M行M列的Hadamard矩陣； (2)依次讀取Hadamard矩陣的每一行或每一列并歸一化后得到M個向量Ai,然后讀取^第I至第P個元素作為調(diào)制信號矩陣H ,的第一行，第P+1至第2P個元素作為調(diào)制信號矩陣Hi的第二行，以此類推，第(Q-1) *P至P*Q個元素作為調(diào)制信號矩陣H i的第Q行，遍歷M個向量Ai后得到調(diào)制信號矩陣Hi, i = 1，2，3，，11，其中^ = P*Q為光源光場的像素總數(shù)； (3)產(chǎn)生同步時鐘并送至第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡，然后按照同步時鐘依次將調(diào)制信號矩陣故送至數(shù)字微鏡陣列器件； (4)加載調(diào)制信號矩陣氏至數(shù)字微鏡陣列器件后控制微鏡矩陣翻轉(zhuǎn)從而調(diào)制光源光場，將調(diào)制的光源光場信號由光學(xué)鏡頭投射至第一桶探測器后產(chǎn)生電信號Ri，根據(jù)同步時鐘使用第一數(shù)據(jù)采集卡采集電信號Ri,并將采集得到的電信號Ri轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送至處理器； (5)將調(diào)制的光源光場信號通過光學(xué)鏡頭輸出至目標(biāo)物體后發(fā)生反射或透射，用第二桶探測器采集反射或透射的光后，根據(jù)同步時鐘使用第二數(shù)據(jù)采集卡采集電信號Bi轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送至處理器； (6)使用處理器計算得到M次測量對應(yīng)輸出圖像矩陣GI?=Σ m^1 (Β,/R,) ^H1-Σ%! (BiZRi) * Σ' =鞏，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的圖像歸一化處理后得到強度關(guān)聯(lián)成像結(jié)果。
【專利摘要】一種高信噪比快速強度關(guān)聯(lián)成像方法，首先根據(jù)抽取M行M列的Hadamard矩陣中的行或列后進(jìn)行歸一化，并重新矩陣塑形得到調(diào)制信號矩陣，生成并按照同步時鐘信號將調(diào)制信號矩陣送至數(shù)字微鏡陣列器件調(diào)制光源光場，然后將同步時鐘控制信號發(fā)送到第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡來采集電信號，并將采集到的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送至處理器，最后使用處理器計算得到M次測量對應(yīng)輸出圖像矩陣后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的圖像歸一化處理得到強度關(guān)聯(lián)成像結(jié)果。本發(fā)明方法能夠克服惡劣天氣成像且成像方案魯棒性強，同時相比傳統(tǒng)強度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)方法，信噪比高、圖像質(zhì)量好，成像速度快，可滿足實際應(yīng)用的要求。
【IPC分類】G01V8-00
【公開號】CN104714258
【申請?zhí)枴緾N201510050476
【發(fā)明人】李明飛, 張安寧
【申請人】北京航天控制儀器研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年1月30日