本發(fā)明涉及超分辨率關(guān)聯(lián)成像領(lǐng)域，特別涉及一種基于低通濾波的超分辨率關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

關(guān)聯(lián)成像技術(shù)（也稱“鬼”成像）是一種利用熱光場或量子光場的高階時空強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性質(zhì)，在非定域上實(shí)現(xiàn)對物體信息重建的一種新型成像技術(shù)。其中，近年來迅猛發(fā)展熱光源的關(guān)聯(lián)成像技術(shù)具有很多不同于傳統(tǒng)的透鏡成像或照相技術(shù)的優(yōu)勢，比如，可不用透鏡而成像且原則上適合電磁波譜中任意波長，可不受大氣湍流擾動、空氣混濁或其它散射介質(zhì)的影響，可以在大氣湍流、云霧遮擋的情況下依然獲得物體清晰的成像，這是傳統(tǒng)經(jīng)典成像無法做到的。并且熱光源（例如太陽光）與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，相比較量子光源，更容易獲得，因此，研究方向和熱點(diǎn)趨向于基于熱光源的關(guān)聯(lián)成像技術(shù)。正是由于該項(xiàng)技術(shù)具有傳統(tǒng)透鏡成像技術(shù)所不可替代的作用和優(yōu)勢，所以在國防、軍事、遙感，通訊、生物醫(yī)學(xué)等眾多成像技術(shù)領(lǐng)域都具有巨大的潛在應(yīng)用價值。

雖然關(guān)聯(lián)成像技術(shù)在相同的條件下比傳統(tǒng)成像具有更高的成像分辨率，但是依然受制于成像系統(tǒng)的衍射極限，同時關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的成像分辨率與對比度是相互制約的關(guān)系，通常情況下，高分辨率的成像會導(dǎo)致對比度很低，這是關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的不足之處。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的是將空間低通濾波技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)超分辨率關(guān)聯(lián)成像領(lǐng)域，從而提供一種基于低通濾波的超分辨成像系統(tǒng)和方法。

一種基于低通濾波的超分辨率關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，用于利用光源對待成像物體進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)成像，包括：光源發(fā)出的光束被非偏振分束器分成兩路：探測臂光路和參考臂光路。

所述探測臂光路中設(shè)有具有空間分辨能力的探測臂探測器和所述待成像物體，所述探測臂探測器用于采樣所述探測臂光路中經(jīng)過所述待成像物體后的光場強(qiáng)度空間分布信號，探測臂探測器輸出信號接入探測臂空間濾波器。

參考臂光路，所述的參考臂光路中設(shè)有具有空間分辨能力的參考臂探測器，用于采樣所述參考臂光路的光場強(qiáng)度分布信號，參考臂探測器輸出信號接入一個參考臂空間濾波器。

進(jìn)一步地，所述光源為熱光源、自然光或人造贗熱光源。

進(jìn)一步地，所述參考臂探測器和探測臂探測器均為具有空間分辨能力的ccd（chargecoupleddevice，電荷耦合元件）、emccd（electron-multiplyingccd，電子倍增電荷耦合元件）、iccd（增強(qiáng)電荷耦合元件，intensifiedccd）或cmos（complementarymetaloxidesemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）面陣列相機(jī)。

進(jìn)一步地，所述探測臂空間濾波器和參考臂空間濾波器分別為均值濾波器、中值濾波器、lee局域統(tǒng)計(jì)自適應(yīng)濾波器、frost濾波器、sigma濾波器、改良k-均值自適應(yīng)濾波或gamma濾波器中的一種。

一種基于低通濾波的超分辨率關(guān)聯(lián)成像方法，采用了所述的一種基于低通濾波的超分辨率關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，包括以下步驟：

1）對通過探測臂光路的探測目標(biāo)或者由其反射散射的光場強(qiáng)度分布和參考臂光路的光場強(qiáng)度分布按照一定的時間序列同步進(jìn)行一定時間的曝光拍攝，并將其每次曝光獲得的數(shù)據(jù)輸出依次接入對應(yīng)的空間濾波器，即參考臂空間濾波器和探測臂空間濾波器；

2）根據(jù)光場強(qiáng)度的平均值和即時光場的最大值分別為參考臂空間濾波器和探測臂空間濾波器設(shè)定一個合適的閾值；

3）根據(jù)閾值將每個時序點(diǎn)獲得的面陣數(shù)據(jù)信號依次通過參考臂空間濾波器和探測臂空間濾波器進(jìn)行低通濾波運(yùn)算；

4）將參考臂光路和探測臂光路獲得的這兩組面陣數(shù)據(jù)按照傳統(tǒng)熱光關(guān)聯(lián)成像的原理和方法進(jìn)行處理則實(shí)現(xiàn)對待成像物體實(shí)現(xiàn)超分辨率關(guān)聯(lián)成像。

進(jìn)一步地，所述低通濾波運(yùn)算采用硬件濾波處理或軟件濾波處理。

參考臂空間濾波器和探測臂空間濾波器的閾值在光強(qiáng)的平均值與即時強(qiáng)度分布的最大值之間進(jìn)行選擇，在平均值附近會具有更高成像分辨率和更好的成像質(zhì)量；如果光源發(fā)出的光場強(qiáng)度穩(wěn)定，這里的平均值可以是所有采樣數(shù)的平均光強(qiáng)；如果光源發(fā)出的光場強(qiáng)度不穩(wěn)定，平均值也可以是即時強(qiáng)度的平均值。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.本發(fā)明具有打破衍射極限的超分辨成像能力，該方法的成像分辨率是傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)成像方法的2倍多；

2.本發(fā)明繼承了傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的全部優(yōu)勢，可以用于升級各種真熱光源或者贗熱光源以及基于計(jì)算機(jī)調(diào)制的空間調(diào)制光束的計(jì)算關(guān)聯(lián)成像技術(shù)來提高關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的分辨率及成像對比度和信噪比；

3.本發(fā)明不用改變關(guān)聯(lián)成像的光路結(jié)構(gòu)，主要探測結(jié)構(gòu)和觸發(fā)控制，只需將原系統(tǒng)中的桶探測器換成具有空間分辨能力的探測器，以及在探測器后增加空間濾波器或者在傳統(tǒng)探測方法的基礎(chǔ)上利用計(jì)算軟件對面陣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化技術(shù)處理即可，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，不增加關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的復(fù)雜程度和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度；

4.本發(fā)明也適用于光源發(fā)出的光場強(qiáng)度不穩(wěn)定的情況；

5.本發(fā)明對光強(qiáng)的不穩(wěn)定性不敏感，具有抵抗大氣擾動、湍流等影響惡劣天氣影響的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)超分辨率成像，比傳統(tǒng)方法具有更好成像質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于低通濾波的超分辨率關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的原理框圖；

1、光源；2、非偏振分束器；3、待成像物體；4-1、探測臂探測器；4-2、參考臂探測器；5-1、探測臂空間濾波器；5-2、參考臂空間濾波器；6、用于重建待成像物體像的符合測量系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例基于低通濾波的超分辨率關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)和方法的示意性結(jié)構(gòu)布置圖。圖1中的關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)包括熱光源和非偏振分束器2、探測臂光路和參考臂光路、對兩路具有空間分辨能力的面陣探測器輸出信號進(jìn)行低通濾波的探測臂空間濾波器5-1和參考臂空間濾波器5-2以及用于重建待成像物體像的符合測量系統(tǒng)6。其中，探測臂光路中可以具有面陣探測器4-1和待成像物體3。探測臂探測器4-1用于采樣所述探測臂光路中經(jīng)過所述待成像物體3后或者被其反射散射光場的空間強(qiáng)度信號。參考臂光路中具有參考臂探測器4-2，用于采樣所述參考臂光路的光場強(qiáng)度空間分布信息。其中，以上兩光路中的空間分布信號和是按照一定的時間序列進(jìn)行同步觸發(fā)探測器，在一定的曝光時間內(nèi)采集獲得的兩組面陣數(shù)據(jù)序列。兩組面陣數(shù)據(jù)分別依次通過設(shè)定一定閾值的探測臂空間濾波器5-1和參考臂空間濾波器5-2后變成另外兩組面陣數(shù)據(jù)和，然后按照熱光關(guān)聯(lián)成像的原理和方法，利用歸一化二階強(qiáng)度關(guān)聯(lián)函數(shù)

即可重現(xiàn)待測物體的像。

以上是本發(fā)明的系統(tǒng)基本構(gòu)成和主要方法，下面對于本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的詳盡說明。

本成像系統(tǒng)中與傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)最大的不同是在探測臂也使用具有空間分辨能力的探測器。探測器的輸出信號按序列依次進(jìn)行空間濾波操作之后，對每個序列點(diǎn)面陣數(shù)據(jù)信號的按像素求和，并按原有相同序列作為桶探測器的即時強(qiáng)度信號序列，再與參考臂經(jīng)過空間濾波后的相同序列的面陣數(shù)據(jù)信號按照關(guān)聯(lián)成像的原理和方法重建待測物體的圖像。

對于本發(fā)明中最為關(guān)鍵的空間濾波操作可以分為兩種情況：硬件濾波和軟件濾波。

硬件濾波就是按照圖1所示的方法，將探測器的輸出信號接入空間濾波器，濾波器按照人為設(shè)定的閾值或者預(yù)設(shè)的方法計(jì)算出閾值對接入的信號進(jìn)行濾波。具備上述功能的濾波器也可以是探測器的一部分，探測器光敏元件曝光采集到的原始數(shù)據(jù)直接通過空間濾波器后再輸出。

如果采用軟件濾波，就是在數(shù)據(jù)處理的過程中，將濾波操作編入軟件程序中。具體的以均值低通濾波為例，兩路的探測器輸出面陣信號按序列存儲于電腦硬盤，通過程序依次讀入數(shù)據(jù)，然后計(jì)算每一個序列信號的平均值作為閾值信號，然后該面陣信號的每一個元素與該閾值信號進(jìn)行比較，大于閾值的等于0值，小于閾值的設(shè)為原值，從而達(dá)到對數(shù)據(jù)的空間低通濾波操作。當(dāng)然，濾波閾值也可以根據(jù)具體情況認(rèn)為設(shè)定，參考臂和探測臂的濾波操作方法相同，但是閾值可以不同，甚至采用不同方法獲得閾值。

空間濾波操作也可以在光路中進(jìn)行，可在分束器前加入一個光強(qiáng)空間濾波器，或者在探測臂和參考臂分別加入一個空間濾波器。該種方法探測臂可不使用具有空間分辨能力的探測器，可以像傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)成像一樣使用桶探測器。

專業(yè)人員應(yīng)該還可以進(jìn)一步意識到，結(jié)合本發(fā)明中所公開的實(shí)施例描述的示例及算法步驟，能夠以電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或者二者的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了示例及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同方法來實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

雖然本發(fā)明的實(shí)施例僅列舉了光源為熱光源的形式，但本發(fā)明的關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)同樣適用于服從熱光統(tǒng)計(jì)分布的自然光或人造贗熱光源的成像方案及光源與參考探測器和探測臂探測器之間有、無透鏡的成像方案。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其他變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。