一种基于孔径合成的叠层强度相干成像方法及设备

1.本发明属于成像技术领域，具体涉及一种基于孔径合成的叠层强度相干成像方法及设备。


背景技术：

2.叠层强度相干成像技术与传统使用面阵探测器进行成像的技术不同，该技术利用二阶关联特性与相关算法实现对目标物体的成像，具有潜在的成像优势和巨大的应用价值。同时,由于叠层强度相干成像技术是对物体反射或者透射光的总能量进行探测，因此，其在弱光领域同样具有巨大的应用前景。
3.由于叠层强度相干成像技术属于空间光学成像系统范畴，受系统角分辨率限制，需要增加成像系统的口径提高成像质量，且受加工工艺的限制，空间光学成像系统的口径增加成本高。当前，基于叠层强度相干成像技术，提出了多种优化成像质量的方法，但对场景复杂、形态多样且能见度低的目标的建模能力有限，导致获取图像质量低、耗时长，这些都制约了叠层强度相干成像技术的实用化进程和应用场景。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述现有技术当中的问题，提供一种基于孔径合成的叠层强度相干成像方法及设备，利用孔径合成技术并叠层强度相干成像机理，突破传统空间光学成像系统的限制，强化集光力，增大分辨率，从而实现高质量成像。
5.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
6.一种基于孔径合成的叠层强度相干成像方法，包括：
7.获取被探针整形后的相干光源遍历照射目标物体后形成的散斑图样；
8.对散斑图样进行整合，求得每个相干光源照射区域对应的自相关函数；
9.将自相关函数代入叠层算法中恢复目标图像。
10.作为本发明的一种优选方案，在所述获取被探针整形后的相干光源遍历照射目标物体后形成的散斑图样的步骤中，利用经过探针整形后的相干光源，对目标物体进行遍历照射，在照射过程中，每个探针在预设的口径内，均利用单个孔径成像系统扫描记录被探针整形后的光束与目标作用后的散斑图样。
11.作为本发明的一种优选方案，在所述对散斑图样进行整合的步骤中，整合单个孔径成像系统在目标物体不同位置得到的散斑图样。
12.作为本发明的一种优选方案，在所述对散斑图样进行整合的步骤中，按照光瞳函数整合单个孔径成像系统在目标物体不同位置得到的散斑图样；对于由n个完全相同的子孔径组合形成的孔径阵列，其光瞳函数表示为：
[0013][0014]
式中，p
sub
(x-xn,y-yn)为子孔径的光瞳函数，(xn,yn)为第n个子孔径的中心坐标，
是第n个子孔径的相位函数。
[0015]
作为本发明的一种优选方案，在所述对散斑图样进行整合的步骤中，被探针整形后的相干光源所发射光束照射在目标物体上用函数o(x,y)来表示，样本的出射光场表示为：u(x,y)＝p(x,y)*o(x,y)。
[0016]
作为本发明的一种优选方案，所述单个孔径成像系统扫描采集到的光强分布表示为：
[0017]
作为本发明的一种优选方案，所述散斑图样为单个孔径成像系统扫描目标物体采集到的光强分布，通过对散斑图样进行傅里叶变换得到散斑强度分布的功率谱，进而求得每个相干光源照射区域对应的自相关函数。
[0018]
本发明实施例还提出一种基于孔径合成的叠层强度相干成像系统，包括：
[0019]
散斑图样获取模块，用于获取被探针整形后的相干光源遍历照射目标物体后形成的散斑图样；
[0020]
自相关函数求取模块，用于对散斑图样进行整合，求得每个相干光源照射区域对应的自相关函数；
[0021]
目标图像恢复模块，用于将自相关函数代入叠层算法中恢复目标图像。
[0022]
本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述基于孔径合成的叠层强度相干成像方法的步骤。
[0023]
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
[0024]
(1)本发明方法基于叠层强度相干成像的系统架构，通过接收光源和目标物体作用后的回波散斑进行目标成像，抗噪能力强，本发明方法受大气湍流扰动和光学系统相差等缺陷影响不明显，具有抗湍流扰动的特性。
[0025]
(2)本发明的成像分辨率高，本发明方法利用相干光源遍历照射目标物体后形成的散斑图样进行叠层强度相干成像，能突破单个孔径成像系统的孔径限制，实现高分辨率成像。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1本发明基于孔径合成的叠层强度相干成像方法的原理示意图；
[0028]
图2本发明实施例基于孔径合成的叠层强度相干成像方法的流程图。
[0029]
图3本发明实施例的实验结果图：
[0030]
(a)2048个像素；(b)1024个像素；(c)512个像素；(d)256个像素。
具体实施方式
[0031]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体
细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
[0032]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0033]
请参阅图1，本发明提出的一种基于孔径合成的叠层强度相干成像方法，首先利用经过探针整形后的相干光源，对目标物体进行遍历照射。在照射过程中，每个探针在预设的口径内，均利用单个小孔径成像系统即ccd，扫描记录被探针整形后的光束与目标作用后的散斑图样。然后整合孔径合成成像系统在不同位置得到的散斑图样，求得每个探针照射区域对应的自相关函数。最后将自相关函数代入叠层算法中恢复目标图像。
[0034]
由于叠层强度相干成像的分辨率与探测器基线口径成反比关系，即探测基线口径越大，所能达到的最小分辨率越小。因此，本发明提出一种基于孔径合成的叠层强度相干成像方法，主要目的在于有效提高系统的分辨率。孔径合成成像技术是在探索新型高分辨成像望远镜设计方案过程中取得的突破性成果，以多路分离子孔径阵列组成的合成孔径来代替传统的单一口径主镜，等效地达到大口径成像系统的高分辨率成像性能。
[0035]
请参阅图2，本发明的一种实施例具体包括以下步骤：
[0036]
步骤1，获取被探针整形后的相干光源遍历照射目标物体后形成的散斑图样；
[0037]
步骤2，对散斑图样进行整合，求得每个相干光源照射区域对应的自相关函数；
[0038]
步骤3，将自相关函数代入叠层算法中恢复目标图像。
[0039]
在一种可选的实施方式中，所述的步骤1利用经过探针整形后的相干光源，对目标物体进行遍历照射，在照射过程中，每个探针在预设的口径内，均利用单个孔径成像系统扫描记录被探针整形后的光束与目标作用后的散斑图样。
[0040]
孔径合成成像技术不但能获得与传统大口径相机相当的分辨率，而且能够进一步促进光学系统口径的跨越式发展，有着更为广泛的应用前景，必将会成为未来高分辨率成像的主要发展方向之一，为天文观测、军事侦察等领域带来更多突破性的进展。
[0041]
本发明基于孔径合成的叠层强度相干成像方法采用孔径合成技术的主要目的就是采用阵列扫描的方式，在每个扫描点位置处停留一段时间对目标进行采样，通过增长基线达到等效口径需求，整合扫描采样得到的所有信息，经图像复原处理恢复出目标。
[0042]
在步骤2所述对散斑图样进行整合的步骤中，整合单个孔径成像系统在目标物体不同位置得到的散斑图样。更进一步的，按照光瞳函数整合单个孔径成像系统在目标物体不同位置得到的散斑图样；对于由n个完全相同的子孔径组合形成的孔径阵列，其光瞳函数表示为：
[0043][0044]
式中，p
sub
(x-xn,y-yn)为子孔径的光瞳函数，(xn,yn)为第n个子孔径的中心坐标，是第n个子孔径的相位函数。
[0045]
在所述对散斑图样进行整合的步骤中，被探针整形后的相干光源所发射光束照射在目标物体上用函数o(x,y)来表示，样本的出射光场表示为：u(x,y)＝p(x,y)*o(x,y)。
[0046]
在探测端，单个孔径成像系统扫描采集到的光强分布表示为：
[0047]
本发明方法基于叠层强度相干成像系统架构，通过采集的孔径合成数据，获得目标物体的强度分布，即散斑图样，在通过对散斑图样进行傅里叶变换得到散斑强度分布的功率谱后，进而求得散斑图样的自相关函数，并将其代入叠层算法中进行物体的图像恢复。
[0048]
以下通过实际案例对本发明基于孔径合成的叠层强度相干成像方法加以验证。
[0049]
实验条件：利用经过探针整形后的光束，在水平方向上对“lsnz”四个字母进行扫描。探针相对于物体挪动了25次。每一个探针位置，均利用子孔径系统即32*32像素的ccd沿“s”型走向对探针区域内进行5*5口径大小的扫描采集，ccd每次挪动14微米，每移动一次采集100张散斑。通过上述过程得到每个探针照射区域的自相关函数，再利用本发明提出的方法进行图像恢复。通过本发明提出的方法增大系统口径后成像结果如图3中(a)至(d)图所示，口径的尺寸从左到右依此为2048、1024、512、256个像素。
[0050]
本发明提出的方法中的孔径合成技术，通过利用多个小的孔径系统按照一定的相干度和结构顺序排列，构成多孔径合成系统，使单个孔径的衍射斑主峰宽度受到调制从而变窄，而使系统达到大孔径系统的相干度和分辨率，从而恢复出高分辨率图像。
[0051]
本发明的另一实施例还提出一种基于孔径合成的叠层强度相干成像系统，包括：
[0052]
散斑图样获取模块，用于获取被探针整形后的相干光源遍历照射目标物体后形成的散斑图样；
[0053]
自相关函数求取模块，用于对散斑图样进行整合，求得每个相干光源照射区域对应的自相关函数；
[0054]
目标图像恢复模块，用于将自相关函数代入叠层算法中恢复目标图像。
[0055]
本发明的另一实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述基于孔径合成的叠层强度相干成像方法的步骤。
[0056]
示例性的，所述的计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在计算机可读存储介质中，并由所述处理器执行，以完成本发明所述基于孔径合成的叠层强度相干成像方法的步骤。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机可读指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在服务器中的执行过程。
[0057]
所述服务器可以是智能手机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述服务器可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述服务器还可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述服务器还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0058]
所述处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0059]
所述存储器可以是所述服务器的内部存储单元，例如服务器的硬盘或内存。所述
存储器也可以是所述服务器的外部存储设备，例如所述服务器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述服务器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机可读指令以及所述服务器所需的其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0060]
需要说明的是，上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
[0061]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0062]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如u盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
[0063]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0064]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。