[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

摘要

本发明公开了一种基于LED照明的随机散射关联成像系统及成像方法，主要解决现有技术对光源要求高、成像系统复杂、成像实时性差的问题。该成像系统包括LED光源(1)、准直透镜(2)、第一可变光阑(3)、观测目标(4)、随机散射介质(5)、第二可变光阑(6)、窄带滤波片(7)和探测器阵列(8)；LED光源发出的非相干光经准直透镜后到达第一个可变光阑，经第一可变光阑后的光照射到观测目标上；携带目标信息的光线进入随机散射介质，其出射光经第二可变光阑滤除杂散光后入射到窄带滤波片，最后在探测器阵列上形成散斑图像。本发明具有成像成本低、成像结构简单及成像实时性好的优点，可用于生物医学、公共安全以及反恐领域。

主权项

一种基于LED照明的随机散射关联成像方法，通过成像系统实现，所述成像系统包括：光学装置、随机散射成像装置和观测目标(4)，该随机散射成像装置，包括随机散射介质(5)、第二可变光阑(6)、窄带滤波片(7)和探测器阵列(8)；该光学装置发出的光通过观测目标(4)透射到随机散射介质(5)上，并在随机散射介质内部发生多次散射，经过多次散射的输出光束经第二可变光阑(6)滤除杂散光并限制光束直径后，入射到窄带滤波片(7)，从窄带滤波片出射的光线进入探测器阵列(8)，在探测器阵列上形成散斑图像，其特征在于：成像步骤如下：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：1a)通过探测器阵列采集单帧散斑图像I(x,y)，并上传到主控计算机，其中(x,y)为空间坐标；1b)利用主控计算机对采集的单帧散斑图像I(x,y)进行亮度均一化处理，得到亮度均一化后的散斑图像：其中|I(x,y)|表示单帧散斑图像I(x,y)的模值；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；所述自相关结果R(x,y)的公式为：R(x,y)＝D(x,y)★D(x,y)＝FT‑1{|FT{D(x,y)}|2}，其中，FT{·}为傅立叶变换，FT‑1{·}为傅立叶逆变换，★表示自相关运算符号；3)获取散斑图像自相关结果自相关结果R(x,y)的背景噪声：3a)计算整个成像系统的角分辨率δθ，δθ≈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δθ，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)；所述R”(x,y)的公式为：R”(x,y)＝R'(x,y)((n1/2)‑m1:(n1/2)+m1,(n2/2)‑m2:(n2/2)+m2)，其中n1、n2分别表示亮度均一化后的散斑图像D(x,y)的横向维度和纵向维度，m1、m2分别表示所截取的图像自相关R'(x,y)中间部分的横向维度和纵向维度的1/2；5b)计算所述中间部分R”(x,y)的功率谱：Smeas(kx,ky)＝|FT{R”(x,y)}|，其中(kx,ky)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Smeas(kx,ky)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。