一种宽谱非相干光散斑自相关成像探测的低冗余模拟方法与流程

1.本技术涉及非相干光成像模拟领域，尤其涉及一种宽谱非相干光散斑自相关成像探测的低冗余模拟方法。


背景技术：

2.透过散射介质的新型成像技术可以有效解决光透过雾、霾、云或生物组织等散射介质时，出射光场紊乱所导致的传统成像图模糊甚至无效的问题，具有很多优势。其中利用非相干光的散射成像技术更接近自然界中的被动照明场景，应用潜力巨大。仅散斑相关技术领域，就涌现出许多重要的研究成果。自bertolotti团队在论文《j. bertolotti, et al.,
ꢀ“
non-invasive imaging through opaque scattering layers,
”ꢀ
nature 491, 232
–
234 (2012).》展示了其基于散射介质的光学记忆效应，利用强度相关性重建了隐藏于散射介质后的荧光目标开始，先后有多个团队从成像速度，成像功能等方面对其做了进一步提高。比如，katz团队在论文《o. katz, et al.,
ꢀ“
non-invasive single-shot imaging through scattering layers and around corners via speckle correlations,
”ꢀ
nat. photon. 8, 784
–
790 (2014).》中率先提出使用单帧散斑来实现隐藏目标的重建，极大缩减了采样时间，cua等人所在团队在论文《m. cua, et al.,
ꢀ“
imaging moving targets through scattering media,
”ꢀ
opt. express 25, 3935 (2017).》中展示了一种利用背景不变性完成对明亮场景中移动目标的图案重建方法，西安电子科技大学邵晓鹏课题组则在论文《c. guo, et al.,
ꢀ“
tracking moving targets behind a scattering medium via speckle correlation,
”ꢀ
appl. optics 57, 905-913 (2018).》中展示了散斑相关对目标旋转等运动状态的追踪能力。尽管这一成像技术在逐步完善，但是大部分针对宽谱非相干光的成像研究都以实验为主，虽然部分研究有针对单色的非相干赝热光照明进行成像模拟，但这在散斑对比度和有效采样面积等方面都与实际的宽谱非相干光照明有很大区别。所以，亟需提出一种全新的宽谱非相干光散射成像模拟方法，以从根本上做好理论与实验之间的衔接，更好的分析各个过程对应的参数阈值，了解应用极限，获得更详实的研究成果。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本技术实施例的目的是提供一种宽谱非相干光散斑自相关成像探测的低冗余模拟方法，以波长之间的相关性作为筛选条件，只对相关性较低的各个波长分步执行成像仿真操作，以在较少重复步骤下实现有效的宽谱光学模拟。
4.根据本技术实施例的第一方面，提供一种宽谱非相干光散斑自相关成像探测的低冗余模拟方法，应用于宽谱非相干光散射成像探测模拟系统，包括：步骤（1）：设置宽谱非相干光散射成像探测模拟系统的系统参数；步骤（2）：选择物面中心点作为标定目标点；步骤（3）：将波长范围为的宽谱光源按照预定波长间距对波长进行均匀的
离散性操作，并生成所述标定目标点对应的各个波长的点扩展函数；步骤（4）：从开始，选出点扩展函数间相关性低于相关性阈值的波长作为采样模拟中的有效波长，并始终保留最大波长作为有效波长；步骤（5）：生成各个有效波长对应的物体光场非相干传播到所述探测面所产生的光强分布并按照各自的预定权重进行加权平均，得到物体在宽谱照明下在探测面产生的光强分布。
5.进一步地，步骤（1）中的所述系统参数包括物体形状，物面阵列尺寸、物面最小单元尺寸，物体到散射介质的距离u，散射介质面阵列尺寸、最小单元尺寸，散射介质特征函数，光阑直径，散射介质到探测面的距离v，探测面阵列大小、探测面像素大小，波长范围参数。
6.进一步地，步骤（3）包括：对波长范围为的宽谱光源，按照波长间距对波长进行均匀的离散性操作，得到波长为+，...，的一系列单色波长，其中，在0.2nm-2nm之间；生成波长为+，...，的一系列单色波长中各个波长对应的点扩展函数。
7.进一步地，生成点扩展函数的过程包括：将标定目标点按照菲涅尔衍射的方式传播距离u得到散射介质前表面的入射光场；将入射光场先后和散射介质特征函数以及光阑特征函数相乘，得到散射介质后表面的出射光场；对光场按照菲涅尔衍射的方式光场传输距离v，得到探测面的光场分布，将光场与其共轭光场相乘，得到单一波长下位于所述标定目标点的点光源在探测面处所形成的光强度分布，即该波长下的点扩展函数。
8.进一步地，步骤（4）包括：将作为第一个有效波长，将波长+，+...对应的点扩展函数依次与对应的点扩展函数做相关性计算，选择相关性初次低于相关性阈值的波长作为第二个有效波长；将波长+，+...，对应的点扩展函数依次与对应的点扩展函数做相关性计算，选择相关性初次低于相关性阈值的波长作为第三个有效波长；以此类推，得到有效波长，，，...，；最大波长即使不满足所述相关性低于相关性阈值
的条件也始终保留作为有效波长；其中，所述相关性阈值不大于1。
9.进一步地，步骤（5）包括：生成物体矩阵，针对有效波长，对物体矩阵的每一点都生成对应的单一波长下探测面的光强分布，并将所得各个光强分布叠加，得到物体在该波长下对应的光强分布，从而得到有效波长，，，...，各自对应的物体光场非相干传播到探测面所产生的光强分布，，，...，，其中k=1，2，
…
，n；将各个有效波长下物体光场非相干传播到探测面所产生的光强分布，，，...，按照预定比例加权平均，得到物体在宽谱照明下在探测面产生的光强分布。
10.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：由上述实施例可知，本技术利用波长之间的相关性作为筛选条件，只对相关性较低的各个波长分步执行成像仿真操作，可以在较少重复步骤下实现有效的宽谱光学模拟，极大地降低模拟中的冗余，减小计算量，提高模拟效率；可以应用在散斑自相关等一系列使用非相干光的散射成像模拟实验中，将其与相位恢复算法等图像重建方式相结合，能够为实际应用提供参考，在水下探测，透雾成像等方面都有很大应用前景。
11.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
12.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
13.图1是根据一示例性实施例示出的一种宽谱非相干光散斑自相关成像探测的低冗余模拟方法的流程图。
14.图2是根据一示例性实施例示出的不同波长对应的点扩展函数之间的相关性及变化规律示意图。
15.图3是根据一示例性实施例示出的物体在宽谱照明下在探测面产生的光强分布示意图。
16.图4是根据一示例性实施例示出的宽谱非相干光散射成像探测模拟系统对应的实际光路传输及探测装置的结构示意图。
17.附图标记：1、光源；2、散射介质；3、光阑；4、面阵探测器；5、计算机；a、物面。
具体实施方式
18.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。
19.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。
在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
20.图1是根据一示例性实施例示出的一种宽谱非相干光散斑自相关成像探测的低冗余模拟方法的流程图，如图1所示，该方法应用于宽谱非相干光散射成像探测模拟系统中，可以包括以下步骤：步骤（1）：设置宽谱非相干光散射成像探测模拟系统的系统参数；步骤（2）：选择物面中心点作为标定目标点；步骤（3）：将波长范围为的宽谱光源按照预定波长间距对波长进行均匀的离散性操作，并生成所述标定目标点对应的各个波长的点扩展函数；步骤（4）：从开始，选出点扩展函数间相关性低于相关性阈值的波长作为采样模拟中的有效波长，并始终保留最大波长作为有效波长；步骤（5）：生成各个有效波长对应的物体光场非相干传播到所述探测面所产生的光强分布并按照各自的预定权重进行加权平均，得到物体在宽谱照明下在探测面产生的光强分布。
21.由上述实施例可知，本技术利用波长之间的相关性作为筛选条件，只对相关性较低的各个波长分步执行成像仿真操作，可以在较少重复步骤下实现有效的宽谱光学模拟，极大地降低模拟中的冗余，减小计算量，提高模拟效率；可以应用在散斑自相关等一系列使用非相干光的散射成像模拟实验中，将其与相位恢复算法等图像重建方式相结合，能够为实际应用提供参考，在水下探测，透雾成像等方面都有很大应用前景。
22.在步骤（1）的具体实施中，所述系统参数包括物体形状，物面阵列尺寸、物面最小单元尺寸，物体到散射介质的距离u，散射介质面阵列尺寸、最小单元尺寸，散射介质特征函数，光阑直径，散射介质到探测面的距离v，探测面阵列大小、探测面像素大小，波长范围参数；在步骤（2）的具体实施中，模拟中一个有强度分布的物体用矩阵表示，若物体的矩阵表征为n*n，那么物面中心点就是这个n*n的矩阵的中心。
23.不同于相干光，非相干光的相位是无规则的，传输模型也更加复杂，对于具有一定带宽的非相干光而言，模拟需要涵盖其各个波长。非相干光的光场之间不发生干涉，光强具有叠加特性，一物体被宽谱非相干光照明后在探测器上所形成的光强分布相当于该物体上的各个点被各个波长的光照明后在探测器上所形成的光强分布的叠加。虽然不同波长对应的光强分布不同，但是波长相近的光形成的光强分布是高度相关的，相关性随着波长差的增大逐渐降低，甚至完全不相关。因此，在步骤（3）的具体实施中，可以包括以下子步骤：（3.1）对波长范围为的宽谱光源，按照波长间距对波长进行均匀的离散性操作，得到波长为+，...，的一系列单色波长，其中，在0.2nm-2nm之间；具体地，对宽谱光源进行均匀的离散性操作从而得到单色波长为本领域的常规技
术手段，此处不作赘述，为避免太过多余的计算，同时保留选择的合理与严谨性，建议的选择范围是0.2nm-2nm，在该范围内，相邻波长依然还保持比较高的相关性，相关性变化对应一个相对比较平滑的曲线。
24.（3.2）生成波长为+，...，的一系列单色波长中各个波长对应的点扩展函数。
25.生成点扩展函数的过程包括：（3.2.1）将标定目标点按照菲涅尔衍射的方式传播距离u得到散射介质前表面的入射光场；（3.2.2）将入射光场先后和散射介质特征函数以及光阑特征函数相乘，得到散射介质后表面的出射光场；（3.2.3）对光场按照菲涅尔衍射的方式光场传输距离v，得到探测面的光场分布，将光场与其共轭光场相乘，得到单一波长下位于所述标定目标点的点光源在探测面处所形成的光强度分布，即该波长下的点扩展函数。
26.具体地，步骤（3.2.1）-步骤（3.2.3）所描述的生成点扩展函数的过程为本领域的常规技术手段，此处不作赘述。需要说明的是，散射介质特征函数是本领域的常规技术手段，本领域技术人员可根据实际情况自行设置对应的散射介质特征函数以进行不同散射介质的模拟。
27.在步骤（4）的具体实施中，将作为第一个有效波长，将波长+，+...对应的点扩展函数依次与对应的点扩展函数做相关性计算，选择相关性初次低于相关性阈值的波长作为第二个有效波长；将波长+，+...，对应的点扩展函数依次与对应的点扩展函数做相关性计算，选择相关性初次低于相关性阈值的波长作为第三个有效波长；以此类推，得到有效波长，，，...，；最大波长即使不满足所述相关性低于相关性阈值的条件也始终保留作为有效波长；其中，所述相关性阈值不大于1，一般选择0.9即可。图2展示了参考波长分别450 nm、550 nm、650 nm，为2 nm时，波长对应的点扩展函数与对应的点扩展函数之间的相关系数变化曲线，来展示不同波长之间的相关性变化规律。图中横坐标为波长差，单位nm，纵坐标为相关系数。可见，不同波长对应的点扩展函数之间的相关性随波长差的增大逐渐降低，并且波长越长相关性下降越慢，这也从侧面说明同样的相关性在不同波段对应不同的波长间距，相比于固定波长间距下将宽谱光离散为多个单一波长的操作，统一相
关性阈值筛选有效单一波长的做法可以减少数据冗余，帮助执行更高效的模拟。
28.在步骤（5）的具体实施中，可以包括以下子步骤：（5.1）生成物体矩阵，针对有效波长，对物体矩阵的每一点都生成对应的单一波长下探测面的光强分布，并将所得各个光强分布叠加，得到物体在该波长下对应的光强分布，从而得到有效波长，，，...，各自对应的物体光场非相干传播到探测面所产生的光强分布，，，...，，其中k=1，2，
…
，n；（5.2）将各个有效波长下物体光场非相干传播到探测面所产生的光强分布，，，...，按照预定比例加权平均，得到物体在宽谱照明下在探测面产生的光强分布。
29.实施例1：本实施例中，采用matlab软件构建宽谱非相干光散射成像探测模拟系统，配合64位普通台式机执行模拟操作。该宽谱非相干光散射成像探测模拟系统对应的实际光路传输及探测装置的结构示意图如图4所示，该系统主要包括光源1，散射介质2，光阑3，面阵探测器4，计算机5。
30.物面a上的物体被光源1照射，从物面a出射的光经过所述的散射介质2和光阑3后入射到所述的面阵探测器4，所述计算机5与所述面阵探测器4相连，用于存储所探测的光强信号即上述步骤（5.2）中得到的物体在宽谱照明下在探测面产生的光强分布并进行有关计算。
31.步骤（1）：设置宽谱非相干光散射成像探测模拟系统的系统参数，其中，选择数字“5”作为物体形状，设置物面阵列尺寸为300*300、物面最小单元尺寸为1μm，设置物体到散射介质的距离u为6.6cm，设置散射介质面阵列尺寸为600*600、最小单元尺寸为2μm，设置散射介质特征函数，设置光阑直径为1.2mm，设置散射介质到探测面的距离v为4cm，设置探测面阵列大小为2000*2000、探测面像素大小为3.45μm，设置波长范围参数为501nm-600nm；步骤（2）：选择物面中心点作为标定目标点；步骤（3）：对波长范围为，即501nm-600nm，的宽谱光源，按照波长间距=1nm对波长进行均匀的离散性操作，得到波长为+（504nm），...，（600nm）的一系列单色波长；通过以下过程生成各个波长对应的点扩展函数：将标定目标点按照菲涅尔衍射的方式传播距离u（6.6cm）得到散射介质前表面的入射光场；将入射光场先后和散射介质特征函数以及光阑特征函数相乘，得到散射介质后表面的出射光场；对光场按照菲涅尔衍射的方式光场传输距离v（4cm），得到探测面的光场分布，将光场与其共轭光场相乘，得到单一波长下位于所述标定目标点的点光源在探测面处所形成的光强度分布，即该波长下的点扩展函数。
32.步骤（4）：将作为第一个有效波长，将波长+，+...对应的点扩展
函数依次与对应的点扩展函数做相关性计算，选择相关性初次低于相关性阈值的波长作为第二个有效波长（506nm）；将波长+（507nm），+...，对应的点扩展函数依次与对应的点扩展函数做相关性计算，选择相关性初次低于相关性阈值的波长作为第三个有效波长（513nm）；以此类推，得到有效波长（501nm），（506nm），（513nm），...，（592nm）；最大波长（600nm）即使不满足所述相关性低于相关性阈值的条件也始终保留作为有效波长；其中，所述相关性阈值取0.9。
33.步骤（5）：生成物体矩阵，针对有效波长，对物体矩阵的每一点都生成对应的单一波长下探测面的光强分布，并将所得各个光强分布叠加，得到物体在该波长下对应的光强分布，从而得到有效波长，，，...，各自对应的物体光场非相干传播到探测面所产生的光强分布，，，...，，其中k=1，2，
…
，n；将各个有效波长下物体光场非相干传播到探测面所产生的光强分布，，，...，按照预定比例加权平均，得到物体在宽谱照明下在探测面产生的光强分布，如图3所示。本实施例不针对某一个固定光源，所以按照1:1:1
…
:1比例平均加权。
34.从图3可以看出，探测图案从中心向周围呈放射状发散特性，满足宽谱光成像的主要特征，说明了本方法的有效性，即利用波长之间的相关性作为筛选条件，只对相关性较低的各个波长分步执行成像仿真操作，可以在较少重复步骤下实现有效的宽谱光学模拟，极大地降低模拟中的冗余，减小计算量，提高模拟效率；可以应用在散斑自相关等一系列使用非相干光的散射成像模拟实验中，将其与相位恢复算法等图像重建方式相结合，能够为实际应用提供参考，在水下探测，透雾成像等方面都有很大应用前景。
35.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
36.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围的基础上进行各种修改和改变。