一种基于仿生视觉机理的鬼成像方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于仿生视觉机理的鬼成像方法及系统，属于光电成像领域。激光光源、准直透镜、旋转毛玻璃和分光镜按顺序依次位于同一光路上；激光光源、准直透镜和旋转毛玻璃用于产生鬼成像所需的平行赝热光；分光镜则用于将赝热光分成两条光路，反射光为参考臂光路；透射光为探测臂光路。参考臂光路的光强分布被仿生探测器阵列接收，完成赝热光源二维光强分布信息采集；探测臂光路的光照射至目标后反射，再经过分光镜的反射，反射光总光强被桶探测器接收，完成目标反射光总光强信息采集。相关运算器将仿生探测器阵列和桶探测器采集的信息进行运算。本发明专利技术采用仿生变分辨率探测器阵列，可同时实现大视场、高分辨率成像和快速成像。

Ghost imaging method and system based on bionic vision mechanism

The invention relates to a ghost imaging method and a system based on bionic vision mechanism. The laser light source, collimating lens, rotating diffuser and spectroscope are sequentially positioned on the same optical path; laser light source, a collimating lens and a rotating ground glass is used to produce ghost imaging required for parallel pseudo thermal light spectroscope; will be divided into two pseudo thermal light optical path, the reflected light as reference light path for light transmission arm; arm detection optical path. The intensity distribution of reference optical path by biomimetic detector array receiver, complete two-dimensional pseudo thermal light intensity distribution information collection; optical detection arm light reflection to the target, then through spectroscopic reflection, the reflected light intensity is barrel detector and target reflection light intensity information collection. Correlation arithmetic is used to calculate the information acquired by the detector array and the bucket detector. The invention adopts a bionic variable resolution detector array, which can realize large field of view, high resolution imaging and fast imaging simultaneously.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于仿生视觉机理的鬼成像方法及系统，属于光电成像领域。
技术介绍
随着计算机处理速度的不断提升，相比较传统的光电成像技术，计算成像技术因对光学成像器件要求低、能实现超分辨成像、不受环境影响等优点，越来越多地被广泛使用。其中，基于强度关联成像，即鬼成像方法是一种新型光电成像方法。该方法是一种借助探测臂与参考臂间接对目标成像的体制，探测臂为点探测器，参考臂采用阵列探测器，而且多数采用的是(高分辨率)阵列式探测器。因为包含单点探测器的探测臂仅能获得单点强度信息而无法对目标成像，另一方面，由于参考臂不会与目标接触也无法对其成像，但当这两臂信号进行二阶互相关运算，能够反演出目标信息。从成像原理可以看出，该成像技术只有探测臂包含目标信息，因此其探测和成像分开，使其在实际使用中不受环境的制约，大幅提高操作灵活性，而物臂探测仅使用单像素探测器或桶探测器完成，相比面阵探测器具有更高的灵敏度，甚至在弱光的条件下也可以对目标成像。因此，该技术在极端条件下仍可以获得目标信息，显示出该成像体制在基础研究与国防工业等方面的潜在应用价值。目前，基于强度关联成像技术的鬼成像方法难点在于难以同时实现大视场、高分辨率成像和快速成像。传统鬼成像方法在增大视场或提高分辨率时，多通过增加数据量实现，由此会导致成像速率的降低；反之，传统鬼成像方法在提高成像速率时，多通过减少数据量实现，常会采用减小成像视场或降低分辨率的方法。因此，如何同时实现大视场、高分辨率成像和快速成像，亟需提出一种新的方法。随着仿生学的不断发展，人眼视网膜特性为解决这一问题提供了新的思路。人眼视网膜的感光细胞由内到外，感光细胞尺寸逐渐增大，即分辨率逐渐下降，既能周围视场观察目标，也能中央视场高分辨率凝视观察目标，同时，人眼对于中心视场能高分辨率成像，对于周边视场(非感兴趣视场)具有压缩冗余数据的特点，使得人眼具有较高的响应率及灵敏度。鉴于此，利用该特点，设计变分辨率探测器阵列结构，可为同时需求大视场、高分辨率成像和快速成像的鬼成像应用提供一种全新的技术途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了同时实现大视场、高分辨率成像和快速成像的问题，提供一种基于仿生视觉机理的鬼成像方法及系统。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。一种基于仿生视觉机理的鬼成像方法，具体步骤如下：步骤一、用桶探测器采集光源照射到目标后的反射光总光强信息；同时用仿生探测器阵列采集同一光源的二维光强分布信息。步骤二、进行基于仿生视觉机理的运算，得到目标形貌：其中，仿生探测器阵列，包括定分辨率区域以及由变分辨率像素构成的变分辨率区域。变分辨率区域中的变分辨率像素结构为：像素内径为ri-1，像素外径为ri，像素外径与像素内径之间的距离为h，该像素的内径弧长为wi-1，该像素的外径弧长wi。变分辨率像素起始环半径为r0。根据人眼视网膜特性，数学表达式如下：公式(1)中，i为仿生探测器阵列第i环，N为仿生探测器阵列中每一环的像素数，r0为仿生探测器阵列中变分辨率像素起始环半径，q为仿生探测器阵列中相邻环之间的增长率。将步骤一的光源不断调整，经过M次测量后，得到M组目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息；对目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息进行计算，得到目标的形貌测量值为：当光源到目标平面的距离d1与光源到仿生探测器阵列平面的距离d相等时，经过M次测量后，目标的形貌测量值为：公式(2)中，g(r,θ)为极坐标系下目标的重建函数，ΔZ1为桶探测器上总光强的平均偏差，ΔZ2(r,θ)为极坐标系下仿生探测器阵列上点(r,θ)处光强的平均偏差，<.>表示M次迭代的均值运算；λ为光源波长，d为光源到仿生探测器阵列平面的距离，t(r,θ)为极坐标系下目标平面反射率函数。公式(2)中，桶探测器上总光强的平均偏差ΔZ1计算方法为：其中，为M次桶探测器上总光强Z1测量值的平均值。公式(2)中，仿生探测器阵列上点(r,θ)处光强的平均偏差ΔZ2(r,θ)计算方法为：其中，公式(4)中Z2(r,θ)为仿生探测器阵列上点(r，θ)处的光强，(r，θ)为该点在对应极坐标系中的坐标表示，表示M次仿生探测器阵列上点(r，θ)处的光强Z2(r,θ)测量值的平均值。当光源到目标平面的距离d1与光源到仿生探测器阵列平面的距离d不相等时，经过M次测量后，目标的形貌测量值为：公式(5)中，综上，根据公式(2)-(6)，经过M次测量后，即可还原出目标的形貌测量值，即实现鬼成像。一种基于仿生视觉机理的鬼成像系统，包括激光光源，准直透镜，旋转毛玻璃，仿生探测器阵列，目标，分光镜，桶探测器与相关运算器。连接关系：激光光源、准直透镜、旋转毛玻璃和分光镜按顺序依次位于同一光路上；激光光源、准直透镜和旋转毛玻璃用于产生鬼成像所需的平行赝热光；分光镜则用于将赝热光分成两条光路，反射光为参考臂光路；透射光为探测臂光路。参考臂光路的光强分布被仿生探测器阵列接收，完成赝热光源二维光强分布信息采集；探测臂光路的光照射至目标后反射，再经过分光镜的反射，反射光总光强被桶探测器接收，完成目标反射光总光强信息采集。相关运算器将仿生探测器阵列和桶探测器采集的信息进行运算。基于上述连接关系，对系统工作原理进一步阐述：激光光源发出一束激光，经过准直透镜、旋转毛玻璃、分光镜分为两条光路，反射光束的二维光强分布被仿生探测器阵列接收，透射光束照射至目标，目标的反射光经过分光镜的反射，反射光的总光强被桶探测器接收。仿生探测器阵列和桶探测器的光电信号，经过相关运算器的互相关运算后，得到单次测量结果。重复测量M次后，即可得到目标的形貌信息。工作过程如下：(1)激光光源发出一束激光经准直透镜后照射至旋转毛玻璃上，产生赝热光。(2)生成的赝热光经过分光镜分为两路光束，其中透射光为探测臂光束，反射光为参考臂光束。其中，探测臂光束照射至目标上，其反射光经过分光镜的反射，其总光强被桶探测器接收；参考臂光束二维光强分布被仿生探测器阵列接收。(3)仿生探测器阵列和桶探测器采集的光电信号进入相关运算器，相关运算器进行相关运算，并且重复测量M次，即可获得测量结果，重建出目标的形貌。有益效果(1)本专利技术公开的一种基于仿生视觉机理的计算鬼成像方法及系统，采用仿生变分辨率探测器阵列，可同时实现大视场、高分辨率成像和快速成像。(2)本专利技术公开的一种基于仿生视觉机理的计算鬼成像方法及系统，利用仿生变分辨率探测器中央探测器阵列的高分辨率特点，可实现中心高分辨率成像。(3)本专利技术公开的一种基于仿生视觉机理的计算鬼成像方法及系统，借助仿生变分辨率探测器外围探测器阵列的变分辨率特点，可实现对视场周边的压缩，提高数据传输效率，从而实现大视场条件下的快速成像。附图说明图1系统结构图；图2仿生探测器阵列结构；图3变分辨像素结构。1-激光光源，2-准直透镜，3-旋转毛玻璃，4-仿生探测器阵列，5-目标，6-分光镜，7-桶探测器，8-相关运算器，9-变分辨像素，10-定分辨区域，11-变分辨区域，12-变分辨率像素结构。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行说明。实施例1一种基于仿生视觉机理的鬼成像方法，具体步骤如下：步骤一、用桶探测器采集光源照射到目标后的反射光总光强信息；同时用仿生探测器阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于仿生视觉机理的鬼成像方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、采集光源照射到目标后的反射光总光强信息；同时用仿生探测器阵列采集同一光源的二维光强分布信息；步骤二、进行基于仿生视觉机理的运算，得到目标形貌：其中，仿生探测器阵列，包括定分辨率区域以及由变分辨率像素构成的变分辨率区域；变分辨率区域中的变分辨率像素结构为：像素内径为ri‑1，像素外径为ri，像素外径与像素内径之间的距离为h，该像素的内径弧长为wi‑1，该像素的外径弧长wi；变分辨率像素起始环半径为r0；根据人眼视网膜特性，数学表达式如下：wi=2πN·ri=2πN·ri·qihi=ri-ri-1=r0·qi-r0·qi-1=r0·qi-1(q-1)---(1)]]>公式(1)中，i为仿生探测器阵列第i环，N为仿生探测器阵列中每一环的像素数，r0为仿生探测器阵列中变分辨率像素起始环半径，q为仿生探测器阵列中相邻环之间的增长率；将步骤一的光源不断调整，经过M次测量后，得到M组目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息；对目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息进行计算，得到目标的形貌测量值为：当光源到目标平面的距离d1与光源到仿生探测器阵列平面的距离d相等时，经过M次测量后，目标的形貌测量值为：g(r,θ)=<ΔZ1,ΔZ2(r,θ)>=1λd|t(r,θ)|2---(2)]]>公式(2)中，g(r,θ)为极坐标系下目标的重建函数，ΔZ1为桶探测器上总光强的平均偏差，ΔZ2(r,θ)为极坐标系下仿生探测器阵列上点(r,θ)处光强的平均偏差，<.>表示M次迭代的均值运算；λ为光源波长，d为光源到仿生探测器阵列平面的距离，t(r,θ)为极坐标系下目标平面反射率函数；公式(2)中，桶探测器上总光强的平均偏差ΔZ1计算方法为：ΔZ1=Z1-Z‾1---(3)]]>其中，为M次桶探测器上总光强Z1测量值的平均值；公式(2)中，仿生探测器阵列上点(r,θ)处光强的平均偏差ΔZ2(r,θ)计算方法为：ΔZ2(r,θ)=Z2(r,θ)-Z2(r,θ)‾---(4)]]>其中，公式(4)中Z2(r,θ)为仿生探测器阵列上点(r，θ)处的光强，(r，θ)为该点在对应极坐标系中的坐标表示，表示M次仿生探测器阵列上点(r，θ)处的光强Z2(r,θ)测量值的平均值；当光源到目标平面的距离d1与光源到仿生探测器阵列平面的距离d不相等时，经过M次测量后，目标的形貌测量值为：g(r,θ)=<ΔZ1,ΔZ2(r,θ)>=1λd|t(kr,θ)|2---(5)]]>公式(5)中，k=d1d---(6)]]>综上，根据公式(2)‑(6)，经过M次测量后，即可还原出目标的形貌测量值，即实现鬼成像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于仿生视觉机理的鬼成像方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、采集光源照射到目标后的反射光总光强信息；同时用仿生探测器阵列采集同一光源的二维光强分布信息；步骤二、进行基于仿生视觉机理的运算，得到目标形貌：其中，仿生探测器阵列，包括定分辨率区域以及由变分辨率像素构成的变分辨率区域；变分辨率区域中的变分辨率像素结构为：像素内径为ri-1，像素外径为ri，像素外径与像素内径之间的距离为h，该像素的内径弧长为wi-1，该像素的外径弧长wi；变分辨率像素起始环半径为r0；根据人眼视网膜特性，数学表达式如下：wi=2πN·ri=2πN·ri·qihi=ri-ri-1=r0·qi-r0·qi-1=r0·qi-1(q-1)---(1)]]>公式(1)中，i为仿生探测器阵列第i环，N为仿生探测器阵列中每一环的像素数，r0为仿生探测器阵列中变分辨率像素起始环半径，q为仿生探测器阵列中相邻环之间的增长率；将步骤一的光源不断调整，经过M次测量后，得到M组目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息；对目标反射光总光强信息和光源二维光强分布信息进行计算，得到目标的形貌测量值为：当光源到目标平面的距离d1与光源到仿生探测器阵列平面的距离d相等时，经过M次测量后，目标的形貌测量值为：g(r,θ)=<ΔZ1,ΔZ2(r,θ)>=1λd|t(r,θ)|2---(2)]]>公式(2)中，g(r,θ)为极坐标系下目标的重建函数，ΔZ1为桶探测器上总光强的平均偏差，ΔZ2(r,θ)为极坐标系下仿生探测器阵列上点(r,θ)处光强的平均偏差，<.>表示M次迭代的均值运算；λ为光源波长，d为光源到仿生探测器阵列平面的距离，t(r,θ)为极坐标系下目标平面反射率函数；公式(...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝群，张芳华，张开宇，肖宇晴，曹杰，周自顾，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11