[发明专利]基于稀疏表示的随机散射光学成像系统及成像方法

说明书

技术领域

本发明属于图像处理及成像技术领域，涉及光学成像系统和图像重建，可用于实验室对噪声环境中的随机散射高速成像。

背景技术

在生物组织、云层等随机散射介质中常伴随着多重散射，且介质内部光线传播的平均自由程极短，导致入射到随机散射介质中的光线在出射时失去了原有入射光场空间相对位置的关系而无法清晰成像。例如卫星遥感成像需要采集从地面目标反射并经过大气层的光线，在大气层中由于大颗粒分子、尘埃等的存在，光线会发生散射，导致无法清晰成像；在生物医疗成像领域，由于穿透式成像的需求，比如在非侵入式、非伤害检测时，需要对生物组织进行深度成像，但由于生物组织内部粒子的散射，导致成像质量随生物组织的厚度增加而剧烈下降，因此如何透过随机散射介质进行成像是亟待解决的问题。

目前，对随机散射介质成像的研究已取得了一些进展，其中，波前调制技术和散斑场重建技术是两种典型的透过随机散射介质成像的方法。波前调制技术通过反馈控制调节入射光波的波前，使得调节后的光波经过随机散射介质后实现聚焦，但是，这种基于光学相位共轭的成像系统光路复杂，成像实时性差且其抗噪性能差，不适用于噪声环境下的成像。散斑场重建技术通过从接收到的散斑场图像中提取初始入射光波信息实现成像，其抗噪性能好，但需要测量随机散射介质的传输矩阵，且直接对整个散斑场进行重建数据量庞大，需耗费较长时间。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于稀疏表示的随机散射光学成像系统及成像方法，以简化成像系统结构，提高成像速度，实现在噪声环境中的清晰成像。

为实现上述目的，本发明的成像系统包括:包括光源、空间滤波器、孔径光阑、准直透镜、反射镜、空间光调制器、随机散射介质、透镜、探测器阵列和主控机；光源发出的光依次经过空间滤波器、孔径光阑和准直透镜后被扩束准直；扩束准直后的激光光束照射到反射镜上经反射进入空间光调制器，经过随机散射介质和透镜后在探测器阵列上成像，并通过主控机显示，其特征在于：

主控机，包括图像生成模块和图像处理模块；

所述图像生成模块，其与空间光调制器相连，用于生成图像并将该图像加载到空间光调制器上形成成像目标，使从空间光调制器输出携带有目标信息的光线经过随机散射介质和透镜，在探测器阵列上形成编码后的散斑场图像；

所述图像处理模块，其与探测器阵列连接，用于将探测器阵列输出的编码散斑场图像解码重建，得到去除了背景噪声的清晰的目标图像。

为实现上述目的，本发明的成像方法，包括如下步骤：

(1)搭建光路：将从激光光源发出的光依次经过空间滤波器、孔径光阑和准直透镜，得到扩束准直后的激光束，该光束再通过反射镜反射进入空间光调制器，从空间光调制器出射的光线依次通过随机散射介质和透镜，到达探测器阵列；

(2)加载成像目标：通过主控机在空间光调制器上加载图像x，作为成像目标；

(3)根据四步相位法测量随机散射介质的传输矩阵A，即压缩感知理论中的观测矩阵；

(4)获得编码散斑场图像：

用可见光波段的激光光源照射成像目标x，使携带目标信息的光线经过随机散射介质和透镜后在探测器阵列上形成编码散斑场图像：y＝Ax+n，并将该编码散斑场图像传输至主控机，其中A为随机散射介质的传输矩阵，n为成像过程中引入的背景噪声；

(5)利用基于稀疏表示的图像重建算法将上述编码散斑场图像y重建为清晰的目标图像：

5a)在主控机中，对探测器接收到的编码散斑场图像y进行降采样操作，得到降采样后的散斑场图像：y'＝Dy＝DAx+Dn＝DAΦs+Dn，其中D为降采样矩阵，Φ为投影基矩阵，s为成像目标x在投影基矩阵Φ下的系数，y'的维度为N：N＝length(y')；

5b)通过如下变换式，求解出投影基矩阵Φ下的初始变换系数s₀：

s₀＝(DAΦ)^T·y'

其中，(·)^T表示矩阵的转置操作；

5c)将初始变换系数s₀作为迭代初始解，构建如下优化式：

其中，τ为惩罚因子；

5d)利用正交匹配追踪算法求解上述5c)的优化式，得到最佳估计向量

5e)对最佳估计向量进行逆投影变换，得到重构的清晰的目标图像

本发明与现有技术相比具有如下优点：