一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算的装置和方法

1.本发明属单像素成像领域，特别涉及一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算的装置和方法。


背景技术：

2.将单像素成像技术与多模光纤结合的成像方法在小型化内窥成像器件方面具有应用潜力。在多模光纤单像素成像领域，光纤模式激发模式数是一个重要参数，其决定多模光纤单像素成像所需测量次数及对应成像质量。多模光纤单像素成像是通过有缩束功能的光学器件组合将空间光耦合至光纤端面来激发光模式，由于空间光的角度偏差、光纤纤芯位置偏差、光斑与光纤端面大小偏差等实验误差，导致多模光纤内被激发的模式数量远小于其理论值从而导致成像质量差的问题，需对多模光纤内传输的模式数进行计算。因此，找寻一种能够有效计算多模光纤光模式激发数的方法是有意义的。


技术实现要素：

3.本发明公开了一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算装置，具体为：
4.一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算装置，包括激光器、数字微镜器件、光纤耦合器、多模光纤、光纤准直器、分束器、相机、测试透射型物体、透镜、单像素探测器、计算机，其中：
5.激光器发射出的光经数字微镜器件随机调制后经光纤耦合器耦合至多模光纤，调制光在多模光纤内传输，经光纤准直器输出后由分束器分束为参考光与物光，参考光光路设有相机以记录多模光纤出射的照明图案，物光光路设有测试透射型物体、透镜和单像素探测器，物光经测试透射型物体后由透镜聚焦收光于单像素探测器，一次测量完成后，相机采集的照明图案与单像素探测器采集的单像素信号通过数据线传输至计算机，待所有数据采集完成后，模式激发数计算过程在计算机完成；
6.优选地，所述数字微镜器件、相机和单像素探测器均通过数据线连接至计算机；
7.优选地，所述数字微镜器件与单像素探测器通过数据线相连用于数据采集的同步控制；
8.本发明还公开了一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算方法，具体步骤为：
9.步骤1、根据所使用的输入光波长、光纤数值孔径、芯径参数来计算多模光纤理论支持模式数n
mode
；
10.步骤2、利用理论模式数n
mode
估算所需测量次数nm的下限选定一个nm大于k
theory
；
11.步骤3、开启装置，通过数字微镜器件(2)对输入光进行nm次随机调制，使用相机依次采集得到数量为nm，像素数为的光纤照明图案矩阵a，使用单像素探测
器同时依次采集得数量为nm的单像素信号y；
12.步骤4、将照明图案a进行奇异值分解得a＝usv
t
,得正交矩阵u及s，奇异值σ；
13.步骤5、使用各正交分量及奇异值计算物体
14.步骤6、计算物体xk与测试物体x
to
的信噪比(signal-noise-ratio)，记录使信噪比最大的参数k
real
＝argmax(snr(xk,x
to
))；
15.步骤7、利用步骤6中求得的参数k
real
来估测当前激发模式数为优选地，步骤3采集光纤照明图案时需确保照明图案采集区域大于光纤芯径；
16.优选地，步骤3需加载nm张相关系数小于0.01的只含元素1与0的矩阵图案以完成对输入光的nm次随机调制；
17.本发明的显著优点为，在多模光纤单像素成像的框架下，通过简单的信噪比计算找寻使信噪比最大的参数k，利用模式相干激发参数与奇异值分解谱正交分量参数的内在关系，反估算当前多模光纤激发模式数，以帮助使用者计算当前用于成像的多模光纤的使用效率，以制定新的调整方案。
18.下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图说明
19.图1基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算装置示意图
20.图2基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算方法基本流程图
21.图3任意一幅加载至数字微镜器件的调制矩阵图案
22.图4任意一幅采集到的多模光纤照明图案
23.图5各个参数k下恢复物体与测试物体信噪比曲线
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明
25.根据图1所示装置示意图依次实施图2所示流程方法：
26.激光器1光波长wl为0.532微米，多模光纤4数值孔径na为0.1，半径r
core
为25微米
27.步骤1：根据所使用光波长、数值孔径、芯径参数来计算多模光纤理论支持的模式数n
mode
，估算得到当前多模光纤理论支持数n
mode
为(na
×
π
×rcore
)/wl＝55；
28.步骤2：利用理论模式数n
mode
估算所需测量次数nm的下限将已知参数代入后得测量次数下限k
theory
＝1540，此处为使现象明显，将测量次数nm定为5000；
29.步骤3：如图1所示，使用计算机将5000张不同的随机调制图案(如图3)加载至数字微镜器件2对输入光1进行5000次随机调制，调制光经耦合器3耦合入多模光纤4，并由准直器5出射，出射光经分束器6分别到达参考光路及物光路，参考光到达相机6，使用相机6依次采集光纤照明图案，采集的照明图案大小需比光纤芯径大(如图4所示)，此处所用光纤芯直径为50微米，根据相机上最小像元参数反推截取光斑大小的像素数需为100
×
100，将每一
张照明图案按行或列排序成一个元素数为10000的向量，最终可得一行数为5000，列数为10000的光纤照明图案矩阵a，物光经透射型物体8，再经透镜9收光被记录于单像素探测器10，依次采集，最终得到元素数为5000的单像素信号向量y；
30.步骤4：将照明图案a进行奇异值分解得a＝usv
t
,得正交矩阵u及s，奇异值σ；
31.步骤5：使用截断奇异值法计算物体
32.步骤6：计算物体xk与测试物体x
to
的信噪比snr(signal-noise-ratio)，记录使信噪比最大的参数k
real
＝argmax(snr(xk,x
to
))，图5所示为各参数下计算物体与测试物体的信噪比曲线，经比较可得k
real
＝1539；步骤7：利用步骤6中求得的参数k
real
来估算当前激发模式数为求得说明当前激发模式接近理论值，当前多模光纤使用效率高。


技术特征：
1.一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算装置，其特征在于，包括激光器(1)、数字微镜器件(2)、光纤耦合器(3)、多模光纤(4)、光纤准直器(5)、分束器(6)、相机(7)、测试透射型物体(8)、透镜(9)、单像素探测器(10)、计算机(11)，其中：激光器(1)发射出的光经数字微镜器件(2)随机调制后经光纤耦合器(3)耦合至多模光纤(4)，调制光在多模光纤内传输，经光纤准直器(5)输出后由分束器(6)分束为参考光与物光，参考光光路设有相机(7)以记录多模光纤出射的照明图案，物光光路设有测试透射型物体(8)、透镜(9)和单像素探测器(10)，物光经测试透射型物体(8)后由透镜聚焦收光于单像素探测器(10)，一次测量完成后，相机(7)采集的照明图案与单像素探测器(10)采集的单像素信号通过数据线传输至计算机(11)，待所有数据采集完成后，模式激发数计算过程在计算机(11)完成。2.根据权利要求1所述的一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算装置，其特征在于：数字微镜器件(2)、相机(7)和单像素探测器(10)均通过数据线连接至计算机(11)。3.根据权利要求1所述的一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算装置，其特征在于：数字微镜器件(2)与单像素探测器(10)通过数据线相连用于数据采集的同步控制。4.一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算方法，其特征在于，具体步骤为：步骤1、根据所使用的输入光波长、光纤数值孔径、芯径参数来计算多模光纤理论支持模式数n
mode
；步骤2、利用理论模式数n
mode
估算所需测量次数n
m
的下限选定一个n
m
大于k
theory
；步骤3、开启装置，通过数字微镜器件(2)对输入光进行n
m
次随机调制，使用相机依次采集得到数量为n
m
，像素数为的光纤照明图案矩阵a，使用单像素探测器同时依次采集得数量为n
m
的单像素信号y；步骤4、将照明图案a进行奇异值分解得a＝usv
t
,得正交矩阵u及s，奇异值σ；步骤5、使用各正交分量及奇异值计算物体步骤6、计算物体x
k
与测试物体x
to
的信噪比(signal-noise-ratio)，记录使信噪比最大的参数k
real
＝argmax(snr(x
k
,x
to
))；步骤7、利用步骤6中求得的参数k
real
来估算当前激发模式数为。5.根据权利要4所述的一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算的方法，其特征在于，步骤3采集光纤照明图案时需确保照明图案采集区域大于光纤芯径。6.根据权利要4所述的一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算的方法，其特征在于，步骤3需加载n
m
张互相关系数小于0.01的只含元素1与0的矩阵图案以完成对输入光的n
m
次随机调制。

技术总结
本发明公开了一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算的装置和方法，属于多模光纤单像素成像领域，装置包括激光器、数字微镜器件、光纤耦合器、多模光纤、光纤准直器、用于将光纤输出光分束为参考光和物光的分束器，参考光光路设有记录光纤输出照明图案的相机，物光光路上设有测试透射型物体、用于聚焦物光的透镜、用于接收单像素信号的单像素探测器，相机与单像素探测器均与计算机相连并将数据传送至计算机，使用计算机进行多模光纤模式激发数计算；根据所使用实验参数(光波长、光纤数值孔径、光纤半径)计算多模光纤理论支持模式数以计算所需测量次数，采集相应测量数量的多模光纤照明图案以及携带测试物体信号的单像素信号，使用单像素成像算法计算照明图案内所含正交分量参数以计算多模光纤模式激发数。正交分量参数以计算多模光纤模式激发数。正交分量参数以计算多模光纤模式激发数。


技术研发人员：项阳阳 李俊晖 兰名荥
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2021.12.27
技术公布日：2022/5/5