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(chǎng)或量子光場(chǎng)的高階時(shí)空強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性質(zhì)，在非定域上實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shì)，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(dòng)、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(shì)，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(jià)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(shí)關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的成像分辨率與對(duì)比度是相互制約的關(guān)系，通常情況下，高分辨率的成像會(huì)導(dǎo)致對(duì)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(gè)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(duì)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(cè)臂光路和參考臂光路。

所述探測(cè)臂光路中設(shè)有具有空間分辨能力的探測(cè)臂探測(cè)器和所述待成像物體，所述探測(cè)臂探測(cè)器用于采樣所述探測(cè)臂光路中經(jīng)過所述待成像物體后的光場(chǎng)強(qiáng)度空間分布信號(hào)，探測(cè)臂探測(cè)器輸出信號(hào)接入探測(cè)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(cè)器，用于采樣所述參考臂光路的光場(chǎng)強(qiáng)度分布信號(hào)，參考臂探測(cè)器輸出信號(hào)接入一個(gè)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(cè)器和探測(cè)臂探測(cè)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(cè)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(duì)通過探測(cè)臂光路的探測(cè)目標(biāo)或者由其反射散射的光場(chǎng)強(qiáng)度分布和參考臂光路的光場(chǎng)強(qiáng)度分布按照一定的時(shí)間序列同步進(jìn)行一定時(shí)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(duì)應(yīng)的空間濾波器，即參考臂空間濾波器和探測(cè)臂空間濾波器；

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

3）根據(jù)閾值將每個(gè)時(shí)序點(diǎn)獲得的面陣數(shù)據(jù)信號(hào)依次通過參考臂空間濾波器和探測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)臂空間濾波器的閾值在光強(qiáng)的平均值與即時(shí)強(qiáng)度分布的最大值之間進(jìn)行選擇，在平均值附近會(huì)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度不穩(wěn)定，平均值也可以是即時(shí)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(shì)，可以用于升級(jí)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(duì)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(cè)結(jié)構(gòu)和觸發(fā)控制，只需將原系統(tǒng)中的桶探測(cè)器換成具有空間分辨能力的探測(cè)器，以及在探測(cè)器后增加空間濾波器或者在傳統(tǒng)探測(cè)方法的基礎(chǔ)上利用計(jì)算軟件對(duì)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(jiǎn)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(chǎng)強(qiáng)度不穩(wěn)定的情況；

5.本發(fā)明對(duì)光強(qiáng)的不穩(wěn)定性不敏感，具有抵抗大氣擾動(dòng)、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(cè)臂探測(cè)器；4-2、參考臂探測(cè)器；5-1、探測(cè)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(cè)量系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)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(gè)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(cè)臂光路和參考臂光路、對(duì)兩路具有空間分辨能力的面陣探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波的探測(cè)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(cè)量系統(tǒng)6。其中，探測(cè)臂光路中可以具有面陣探測(cè)器4-1和待成像物體3。探測(cè)臂探測(cè)器4-1用于采樣所述探測(cè)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(chǎng)的空間強(qiáng)度信號(hào)。參考臂光路中具有參考臂探測(cè)器4-2，用于采樣所述參考臂光路的光場(chǎng)強(qiáng)度空間分布信息。其中，以上兩光路中的空間分布信號(hào)和是按照一定的時(shí)間序列進(jìn)行同步觸發(fā)探測(cè)器，在一定的曝光時(shí)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)臂也使用具有空間分辨能力的探測(cè)器。探測(cè)器的輸出信號(hào)按序列依次進(jìn)行空間濾波操作之后，對(duì)每個(gè)序列點(diǎn)面陣數(shù)據(jù)信號(hào)的按像素求和，并按原有相同序列作為桶探測(cè)器的即時(shí)強(qiáng)度信號(hào)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(hào)按照關(guān)聯(lián)成像的原理和方法重建待測(cè)物體的圖像。

對(duì)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?qǐng)D1所示的方法，將探測(cè)器的輸出信號(hào)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(duì)接入的信號(hào)進(jìn)行濾波。具備上述功能的濾波器也可以是探測(cè)器的一部分，探測(cè)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(cè)器輸出面陣信號(hào)按序列存儲(chǔ)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(gè)序列信號(hào)的平均值作為閾值信號(hào)，然后該面陣信號(hào)的每一個(gè)元素與該閾值信號(hào)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(duì)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(cè)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(gè)光強(qiáng)空間濾波器，或者在探測(cè)臂和參考臂分別加入一個(gè)空間濾波器。該種方法探測(cè)臂可不使用具有空間分辨能力的探測(cè)器，可以像傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)成像一樣使用桶探測(cè)器。

專業(yè)人員應(yīng)該還可以進(jìn)一步意識(shí)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(duì)每個(gè)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(cè)器和探測(cè)臂探測(cè)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(shí)到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的一個(gè)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。