[发明专利]基于LED照明的随机散射关联成像系统及成像方法

说明书

技术领域

本发明属于成像技术领域，特别涉及一种光学成像系统与成像方法，可用于生物医学成像、公共安全和反恐领域。

背景技术

传统光学成像范畴中，光波在介质内部的散射光一直被视为阻碍透过随机散射介质成像的噪声，因此国内外研究的有随机介质参与的成像方法大多依赖于介质内部的弹道光。

近年来，国内外科研人员开始考虑通过某种方法恢复出散射光中携带的目标信息，从而使散射光参与成像过程，即实现散射成像。

目前，围绕着散射成像的研究已经取得了令人瞩目的进展，主要包括波前调制技术、图像重建技术和传输矩阵测量技术等。但波前调制技术受到空间光调制器划分精度的限制，大大增加了成像过程的复杂度；图像重建技术受到算法复杂度的影响，成像实时性差；传输矩阵测量技术受到矩阵测量偏差的影响，成像质量严重下降。总之，现有的方法光源要求高、成像过程复杂、耗时长，且不利于对活体组织进行非侵入式观测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于LED照明的随机散射关联成像系统及成像方法，以减小成像复杂度，提高成像分辨率，并实现实时成像。

为实现上述目的，本发明的成像系统包括：光学装置、随机散射成像装置和观测目标，其特征在于：

所述光学装置，包括LED光源、准直透镜和第一可变光阑；

所述随机散射成像装置，包括随机散射介质、第二可变光阑、窄带滤波片和探测器阵列；

LED光源发出的光经过准直透镜产生能量会聚的平行准直非相干光，再经第一可变光阑调整光束直径并滤除杂散光，照射到观测目标；观测目标被照射后，携带有观测目标信息的光束透射到随机散射介质上，并在随机散射介质内部发生强散射，经过强散射的输出光束经第二可变光阑滤除杂散光并限制光束直径后，入射到窄带滤波片，最后由探测器阵列接收图像。

为实现上述目的，本发明的成像方法，包括如下步骤：

(1)采集单帧散斑图像并对该单帧散斑图像进行亮度均一化处理，得到亮度均一化处理后的散斑图像D(x,y)，以消除光源波动对图像亮度的影响；

(2)对亮度均一化处理后的图像D(x,y)进行自相关运算，获得散斑图像的自相关结果：R(x,y)＝D(x,y)★D(x,y)，其中★表示自相关运算符号；

(3)获取散斑图像自相关结果R(x,y)的背景噪声：

3a)计算整个成像系统的角分辨率δ_θ，δ_θ≈λ/nD，其中，λ为波长，n为随机散射介质后的空间折射率，D为随机散射介质后的第二可变光阑的孔径尺寸；

3b)根据角分辨率δ_θ，计算目标稀疏度N，其中，S为观测目标被照亮区域所占的面积，u为观测目标到随机散射介质的距离；

3c)根据目标稀疏度N，计算散斑图像自相关结果R(x,y)的强度峰值p，p＝N+0.5N(N-1)＝0.5N²+0.5N；

3d)根据目标图像的稀疏度N和散斑图像自相关结果R(x,y)的强度峰值p，计算散斑图像的背景噪声：C＝[N/(N+1)]p；

(4)去除散斑图像自相关结果R(x,y)中的背景噪声，得到去除背景噪声后的散斑图像自相关：R'(x,y)＝R(x,y)-C；

(5)对(4)得到的去除背景噪声的散斑图像自相关R'(x,y)进行重建，最终得到观测目标。

5a)通过Matlab软件截取所述散斑图像自相关R'(x,y)的中间部分R”(x,y)；

5b)计算所述中间部分R”(x,y)的功率谱：S_meas(k_x,k_y)＝|FT{R”(x,y)}|，其中(k_x,k_y)为点(x,y)的傅立叶变换对应的频域坐标，FT{·}表示傅里叶变换，|·|表示取绝对值；

5c)生成随机矩阵g1(x,y)，作为迭代初始值；

5d)将5b)得到的功率谱S_meas(k_x,k_y)和5c)生成的随机矩阵g₁(x,y)带入到iterative Fienup-type算法中进行循环迭代，最终求解出观测目标图像。

本发明与现有技术相比具有如下优点：