一种迭代滤波关联成像方法与流程

本发明涉及高质量的关联成像领域，特别涉及一种迭代滤波关联成像方法,该方法可以实现超分辨率、高对比度、高信噪比成像。可广泛应用于国防、军事、遥感，通讯、生物医学等众多需要高质量成像技术的领域。

背景技术：

关联成像技术是近年发展起来的一种利用热光场或量子光场的空间强度关联性质。这种非局域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：1.可不用透镜而成像且原则上适合电磁波谱中任意波长，2.可以在极端恶劣的条件下成像，如大气湍流扰动、云雾遮挡、空气混浊等其它散射介质的影响的情况下。这是传统经典成像无法做到的。也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。但是该方案也存在许多的不足之处：低分辨率、低信噪比、低对比度，因此需要寻找一种新的方法来解决这些问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的是:解决传统的关联成像的低成像质量问题,提供了一种迭代滤波的高质量关联成像方法。可以实现超分辨、高对比度、高信噪比成像。

本发明创造采用的技术方案为：一种迭代滤波关联成像方法，其特征在于，其实验装置为：

1)光源(1)发出的光被非偏振分束器(2)分成两个空间相关光束，一束光反射到探测臂称为探测臂光路，另一束光照射到参考臂称为参考臂光路；

2)探测臂光路设有：待成像物体(3)、具有空间分辨能力的面阵探测臂探测器(4-1)、探测臂空间滤波器(5-1)。所述的探测臂探测器(4-1)采集经过待成像物体(3)后的光场强度空间分布信号i(x1)，并将信号输出到探测臂空间滤波器(5-1)进行滤波操作；探测臂空间滤波器(5-1)将滤波后的信号输出到用于重建待成像物体的符合测量系统(6)；

参考臂光路设有：具有空间分辨能力的面阵探测参考臂探测器(4-2)、参考臂空间滤波器(5-2)。所述的参考臂探测器(4-2)直接采集参考臂光路的光场强度分布信号i(x2)，并将信号输出到参考臂空间滤波器(5-2)进行滤波操作；参考臂空间滤波器(5-2)将滤波后的信号输出到用于重建待成像物体的符合测量系统(6)；

3)符合测量系统(6)依据这两路所对应的不同滤波阈值的滤波强度信号以及它们的关联根据传统关联成像二阶关联函数进行迭代运算，从而实现对被测目标物体的关联成像。

其中所述的探测臂空间滤波器(5-1)与参考臂空间滤波器(5-2)中的滤波方法相同，具体为：

a)探测臂光路中的探测器(4-1)和参考臂光路的探测器(4-2)分别对经过待测物体(3)的光场强度分布信号和参考臂光路的光场强度分布信号按特定曝光时间进行曝光拍摄，并按照一定的时间顺序进行连续采集，然后将其每次曝光获得的数据依次输出到对应的空间滤波器，即探测臂空间滤波器(5-1)和参考臂空间滤波器(5-2)；

b)根据即时光场的最大值、最小值和光场强度的平均值及实际的需要，分别为探测臂空间滤波器(5-1)和参考臂空间滤波器(5-2)设定合适的阈值；

c)所述探测臂空间滤波器(5-1)和参考臂空间滤波器(5-2)分别对光场强度空间分布信号i(x1)和i(x2)进行采样数为n的滤波处理。采样数都为n的两路数据首先进行第一次阈值为f1的滤波处理后得和接着进行第2次阈值为f2滤波处理后得和……，一直到第m次阈值为fm滤波处理后得和然后将这一系列阈值滤波后的两组信号输出到符合测量系统(6)；

其中所述的符合测量系统(6)根据传统关联成像二阶关联函数进行迭代运算即根据修正后的归一化二阶关联函数

实现对被测物体的高质量成像。

其中：m是迭代次数；n是实际采样数；m×n是迭代带通滤波的样本数量，比实际采样数n提高了m倍。

上述的符合测量系统(6)除可采用传统关联成像原理实现对被测物体的高质量成像外还可采取以下任意一种方法进行图像重构：

可将参考臂和探测臂迭代滤波后的信号作为输入，用cs算法进行恢复，即得到待成像物体的像，此时所需的样本数量可以减少到nyquist采样极限的2.5％以下；

除此之外该迭代滤波方法也可以应用在计算关联成像系统中，按计算关联成像系统的原理和方法进行处理，实现对待成像物体的关联成像。

所述的迭代滤波运算可采用硬件滤波迭代处理、软件滤波迭代处理或者二者结合的方法。

本发明的优点在于：

1.本发明打破衍射极的限制具有超分辨成像能力，可以超分辨10倍以上，其中分辨率在带通滤波超分辨关联成像的基础上保持住了甚至有所超越；

2.本发明在特定的条件下对比度可以达到100％；

3.成像的信噪比与传统关联成像比得到大幅度提高，尤其是在带通滤波的迭代中，某一特定的阈值及迭代次数可以使信噪比较传统关联成像提高3倍多，此时分辨率为1个像素左右，对比度更是无限接近100％。并且通过减小不同阈值之间的步长，增加迭代次数，仍然可以让信噪比继续增大；

4.本发明在实际采样数据数量受限制的情况下，可以通过迭代方法扩大采样数据的数量；

5.本发明保留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空间调制光源的关联成像技术的成像质量；

6.本发明结构简单、易于操作，不改变传统关联成像的实验结构，只是在滤波关联成像的基础上加入了迭代运算；

7.本发明在数据处理上只是在关联成像之前对收集到的数据进行滤波操作和迭代操作。我们主要是利用软件进行滤波运算和迭代运算，不提高运算难度；

8.本发明的迭代滤波操作是对探测器收集到的面阵数据进行处理，处理后的数据可以输入到计算关联成像系统和压缩关联成像系统。本发明与压缩关联成像算法结合，所需的样本数量可以减少到nyquist采样极限的2.5％以下，同传统关联成像比在保证成像质量的前提下，大幅度减小成像时间，在高质量实时成像领域具有非常大的应用前景；

9.本发明因其对光强的不稳定性不敏感，所以适用于光源发出的光场强度不稳定的情况，具有抵抗大气扰动、湍流等影响的能力，能在恶劣天气下成像。

附图说明：

图1是本发明迭代滤波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

一种迭代滤波关联成像方法，其实验装置为：

1)光源(1)发出的光被非偏振分束器(2)分成两个空间相关光束，一束光反射到探测臂称为探测臂光路，另一束光照射到参考臂称为参考臂光路；

2)探测臂光路设有：待成像物体(3)、具有空间分辨能力的面阵探测臂探测器(4-1)、探测臂空间滤波器(5-1)。所述的探测臂探测器(4-1)采集经过待成像物体(3)后的光场强度空间分布信号i(x1)，并将信号输出到探测臂空间滤波器(5-1)进行滤波操作；探测臂空间滤波器(5-1)将滤波后的信号输出到用于重建待成像物体的符合测量系统(6)；

参考臂光路设有：具有空间分辨能力的面阵探测臂探测器(4-2)、探测臂空间滤波器(5-2)。所述的参考臂探测器(4-2)直接采集参考臂光路的光场强度分布信号i(x2)，并将信号输出到参考臂空间滤波器(5-2)进行滤波操作；参考臂空间滤波器(5-2)将滤波后的信号输出到用于重建待成像物体的符合测量系统(6)；

3)符合测量系统(6)根据这两路所对应的不同滤波阈值的滤波强度信号以及它们的关联通过传统关联成像二阶关联函数进行迭代运算，从而实现对被测目标物体的关联成像。

所述的探测臂空间滤波器(5-1)与参考臂空间滤波器(5-2)中的滤波方法相同，具体为：

a)探测臂光路中的探测器(4-1)和参考臂光路的探测器(4-2)分别对经过待测物体(3)的光强分布信号及参考臂光路的光强分布按照特定的曝光时间进行曝光拍摄，并按照一定的时间顺序进行连续采集，然后将其每次曝光获得的数据依次输出到对应的空间滤波器，即探测臂空间滤波器(5-1)和参考臂空间滤波器(5-2)；

b)根据即时光场的最大值、最小值和光场强度的平均值及实际的需要，分别为探测臂空间滤波器(5-1)和参考臂空间滤波器(5-2)设定合适的阈值；

c)所述探测臂空间滤波器(5-1)和参考臂空间滤波器(5-2)将光场强度空间分布信号i(x1)和i(x2)进行实际采样数为n的所有数据分别进行第一次阈值f1滤波得到和第2次阈值f2滤波得到和……，一直到第m次阈值fm滤波后得和然后将这一系列阈值滤波后的信号输出到符合测量系统(6)；

其中符合测量系统(6)依据不同滤波阈值的滤波强度信号以及它们的关联根据传统关联成像二阶关联函数进行迭代运算即根据修改正后的归一化二阶强度关联函数

实现对被观测物体的高质量成像。

其中：m是迭代次数；n是实际采样数；m×n是迭代带通滤波的样本数量，比实际采样数n提高了m倍。

上述的符合测量系统(6)除可采用传统关联成像原理外还可采取以下任意一种方法进行图像重构：

可以将参考臂和探测臂迭代滤波后的信号作为输入，用cs算法进行恢复，即得到待成像物体的像，此时所需的样本数量可以减少到nyquist采样极限的2.5％以下；

除此之外该迭代滤波方法也可以应用在计算关联成像系统中，按计算关联成像系统的原理和方法进行处理，实现对待成像物体的关联成像。

所述的迭代运算可适用范围包括低通、高通、带通滤波等。光源可以是热光、赝热光、空间调制光等多种光源；滤波器可以是均值滤波器、中值滤波器等多种空间滤波器；探测器为具有空间分辨能力的探测器。迭代滤波运算可采用硬件滤波迭代处理、软件滤波迭代处理或者二者的结合来实现。

具体使用时：

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迭代带通滤波的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1和非偏振分束器2，具有空间分辨能力的探测臂探测器4-1和参考臂探测器4-2，对两路具有空间分辨能力的面阵探测器输出信号进行一系列带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，用于重建待成像物体像的符合测量系统6。

非偏振分束器2位于光源1后，可以将光源1射出的光束分成两束。探测臂探测器4-1置于待测物体3后，用于采集经待测物体后的光强空间分布情况i(x1)。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i(x2)。其中，以上两光路中的空间分布信号i(x1)和i(x2)是按照时间序列进行同步触发，在一定的曝光时间内采集获得采样数为n的两组面阵数据序列。

其中以探测臂收集到的面阵数据为例，将探测臂面阵数据中的每一个元素依次通过探测臂空间带通滤波器5-1已经事先设定好的一系列阈值(f1,f2…fk…fm)中的某一阈值f1后得到采样数为n的第一组滤波后的数据照此，将原始的面阵数据依次通过第i次阈值为fi的带通滤波器后得到阈值为fk的带通滤波后的数据……，一直到第m次阈值为fm的带通滤波后结果为然后将这一系列的经带通滤波后的面阵数据传送到符合测量系统6。

同样，参考臂空间滤波器5-2也对参考臂空间分布信号i(x2)进行一系列的带通滤波操作得同时将该带通滤波后的面阵数据传送到符合测量系统6。

此外探测臂空间光场强度信号i(x1)与参考臂空间光场强度信号i(x2)的乘积i(x1)i(x2)经一系列带通滤波后的结果为

然后将这三组数据依据各自滤波阈值的滤波强度信号以及它们之间的关联进行迭代最后根据传统的热光关联函数即可重现待测物体高质量的像。该关联函数也可以写成修正后的归一化二阶强度关联函数

其中：m是迭代次数；n是实际采样数；m×n是迭代带通滤波的样本数量，比实际采样数n提高了m倍。

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。

我们所用的滤波迭代操作主要采用软件进行滤波迭代操作，就是在数据处理的过程中，将滤波操作和迭代操作编入软件程序中。具体的以带通滤波迭代为例，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，然后找出每一个序列信号的最大值与最小值，在最大阈值与最小阈值之间选择一系列合适的阈值。然后该面阵信号的每一个元素与该系列阈值的某一阈值信号进行比较，大于上阈值的等于0值，小于下阈值的等于0，只有在上下阈值之间的保留原来的值不变，从而达到对数据的空间带通滤波操作，其中我们带通滤波的带宽即为上下阈值之间的距离。之后再依次将该面阵信号与该系列其他阈值进行比较得到其他阈值滤波后的结果，最后将所有的阈值滤波后的结果进行加和迭代运算。当然，滤波阈值也可以根据具体情况人为设定，其中带通滤波在带宽越小，步长越近，迭代次数合适的时候最后成像效果越好。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。但是对两路分别进行迭代时，必须保证迭代的次数相同。

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，可以通过电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现。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。

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优选实施例，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。