基于光纖陣列贗熱光的鬼成像系統(tǒng)及成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光纖陣列贗熱光源的鬼成像系 統(tǒng)及成像方法，可用于目標(biāo)的探測與成像。
【背景技術(shù)】
[0002] 鬼成像，又稱量子成像或關(guān)聯(lián)成像，是近十年發(fā)展起來的一種新型成像技術(shù)。它利 用光場的關(guān)聯(lián)特性來實現(xiàn)物體的非局域和超分辨成像。最早的鬼成像實驗采用雙光子糾纏 源作為光源來實現(xiàn)物體的成像，后來利用經(jīng)典的非相干光源（贗熱光、熱光源）來實現(xiàn)物體 的非局域關(guān)聯(lián)成像。相比產(chǎn)生效率低的雙光子糾纏光源，熱光和贗熱光源普遍存在、更容易 獲取，因此逐漸成為研究熱點。
[0003] 2002年，Rochester大學(xué)的R.S.Bennink等人實現(xiàn)了經(jīng)典光源的強度關(guān)聯(lián)成 像（BenninkRS,BenleySJ,BoydRff. "Two-photon"coincidenceimagingwitha classicalsource.Phys.Rev.Lett. , 2002, 89:113601)。2005 年利用歷熱光源實現(xiàn)的 雙光子關(guān)聯(lián)成像實驗也被報道（MA.Valencia,G.Scarcelli,M.D'Angelo，Y.H.Shih· Two-PhotonImagingwithThermalLight.Phys.Rev.Lett. 2005,94(6):063601)。此 后大多數(shù)的鬼成像均采用旋轉(zhuǎn)毛玻璃法產(chǎn)生的贗熱光源。直到2008年，學(xué)者Shapiro提 出了基于空間光調(diào)制器（SLM)的計算鬼成像方案（ShapiroJ.H·，Computationalghost imaging,Phys.Rev.A, 2008, 78(6) :061802 (R) :1-4) ;2009 年，利用液晶SLM的計算鬼成像 實驗被報道（1〇·Υ·Bromberg, 0·Katz,andY.Silberberg，"Ghostimagingwithasingle detector, "Phys.Rev.A79,053840(2009)) ;2011 年，陸海明研究 了利用數(shù)字微鏡器件 (DMD)的計算鬼成像（陸明海，沈夏，韓申生.基于數(shù)字微鏡器件的壓縮感知關(guān)聯(lián)成像研究， 光學(xué)學(xué)報，2011，31 (7) :0711002)。申請?zhí)枮?01310296016的中國發(fā)明專利申請也公開了 一種基于液晶SLM的壓縮三維計算鬼成像系統(tǒng)及方法。但是現(xiàn)有的計算鬼成像系統(tǒng)均采用 由空間光調(diào)制器產(chǎn)生（液晶SLM或DMD)的贗熱光源，受限于器件的響應(yīng)速度和功率閾值， 存在著以下局限：產(chǎn)生的散斑場速率低，成像速率低；贗熱光輸出功率低，作用距離近。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種成像速率高、作用距離遠(yuǎn)的基于光纖陣列贗熱光的鬼成 像系統(tǒng)及成像方法。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：
[0006] 基于光纖陣列贗熱光的鬼成像系統(tǒng)，包括：脈沖激光器、光纖耦合器、電光相位調(diào) 制器、射頻驅(qū)動電源、光纖放大器、光纖陣列、擴束準(zhǔn)直器、半反半透鏡、接收望遠(yuǎn)鏡、光電陣 列探測器、信號采集模塊以及信號控制與計算成像模塊，其中，所述脈沖激光器、光纖耦合 器、電光相位調(diào)制器、光纖放大器及光纖陣列通過單模光纖依次相連，所述電光相位調(diào)制器 由所述射頻驅(qū)動電源驅(qū)動，所述射頻驅(qū)動電源與所述信號控制與計算成像模塊相連；脈沖 激光器發(fā)出的激光被所述光纖親合器分成多束相干光傳輸至所述電光相位調(diào)制器進行隨 機相位調(diào)制，然后傳輸至所述光纖放大器進行功率放大，經(jīng)所述光纖陣列、擴束準(zhǔn)直器及半 反半透鏡后照射到目標(biāo)，所述接收望遠(yuǎn)鏡收集散射光信號并匯聚到所述光電探測器，光電 探測器輸出的電信號由信號采集模塊進行采樣，采樣數(shù)據(jù)傳送至信號控制與計算成像模 塊。
[0007] 進一步的，所述光纖陣列由剝?nèi)ネ獗Ｗo層的單模裸光纖集束而成。
[0008] 進一步的，所述單根裸纖模場直徑為5微米。
[0009] 進一步的，所述脈沖激光器采用可見光或近紅外脈沖光纖激光器。
[0010] 進一步的，所述電光相位調(diào)制器為LiNb03相位調(diào)制器。
[0011] 進一步的，所述光纖放大器為有源放大器。
[0012] 進一步的，所述光電陣列探測器為PIN或APD陣列探測器。
[0013] 進一步的，所述射頻驅(qū)動電源輸出電壓的最大值和最小值分別對應(yīng)所述電光相位 調(diào)制器的正負(fù)半波電壓。
[0014] 進一步的，所述脈沖激光器輸出光脈沖的重復(fù)頻率與射頻驅(qū)動電源輸出信號的變 化頻率一致。
[0015] 根據(jù)前述基于光纖陣列贗熱光的鬼成像系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟：
[0016] 脈沖激光器輸出激光，將脈沖激光器輸出的激光分成若干束相干光；
[0017] 電光相位調(diào)制器對多束相干光進行相位調(diào)制；
[0018] 調(diào)制后的光束放大后經(jīng)由光纖陣列形成贗熱光場，并照射到目標(biāo)上；
[0019] 光電探測器接收目標(biāo)的光散射信號，信號采集模塊采集信號并將信號傳輸至信號 控制與計算成像模塊，由信號控制與計算成像模塊根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行成像；
[0020] 利用接收信號和參考光場分布恢復(fù)出目標(biāo)圖像，步驟如下：
[0021] a、根據(jù)光纖陣列光束的幾何分布和調(diào)制相位，利用光纖陣列輸出的贗熱光場強度 分布計算采樣t時刻第m次采樣的散斑場IRini:
[0022]
[0023] 其中，為光電陣列探測器的第p個陣元、目標(biāo)圖像對應(yīng)的參考光場矩陣，p= 1，···，Ρ，Ρ為光電陣列探測器每行（列）陣元個數(shù)；
[0024] b、獲取采樣后光電陣列探測器每個陣元輸出的電信號；
[0025] c、獲取光電陣列探測器每個陣元恢復(fù)的目標(biāo)局部圖像矩陣；
[0026] d、將光電陣列探測器所有陣元得到的目標(biāo)局部圖像矩陣進行拼接，得到目標(biāo)的完 整圖像：
[0027]
[0028] Gp為第p個陣元恢復(fù)的目標(biāo)局部圖像矩陣。
[0029] 由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明的鬼成像系統(tǒng)采用多光束合成方式和光纖放大器， 可以輸出高亮度的贗熱光場，作用距離遠(yuǎn)，并采用高靈敏度的光電陣列探測器，可對遠(yuǎn)距離 目標(biāo)進行計算成像；成像速率高，輸出光場強度起伏速率高，同時采用陣列探測器，分割目 標(biāo)視場，降低樣本需求，進而提高成像速率，解決了已有鬼成像系統(tǒng)存在的不足。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明實施例光纖陣列的示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明實施例探測器的示意圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明實施例贗熱光源的歸一化強度關(guān)聯(lián)系數(shù)圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明實施例贗熱光源的散斑場強度空間分布圖；
[0035] 圖6為計算成像仿真時采用的目標(biāo)反射率模型圖；
[0036] 圖7為仿真成像得到的強度關(guān)聯(lián)算法的成像結(jié)果圖；
[0037] 圖8為仿真成像得到的壓縮感知算法的成像結(jié)果圖。
[0038] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細(xì)地說明。
【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，表示 器件結(jié)構(gòu)的附圖會不依一般比例做局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制 本發(fā)明保護的范圍。需要說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅 用以方便、清晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0040] 如圖1所示，本發(fā)明的基于光纖陣列光束贗熱光的鬼成像系統(tǒng)包括脈沖激光器1、 光纖耦合器2、電光相位調(diào)制器4、射頻驅(qū)動電源5、光纖放大器6、光纖陣列7、擴束準(zhǔn)直器 8、半反半透鏡9、接收望遠(yuǎn)鏡10、光電陣列探測器11、信號采集模塊12以及信號控制與計算 成像模塊13,其中，脈沖激光器1、光纖親合器2、電光相位調(diào)制器4、光纖放大器6及光纖陣 列7通過單模光纖3依次相連。
[0041] 脈沖激光器1輸出的激光被光纖親合器2分為N束相干光后，沿單模光纖3傳輸。 電光相位調(diào)制器4為高速率電光調(diào)制器，電光相位調(diào)制器4由射頻驅(qū)動電源5驅(qū)動，被光纖 耦合器2分成若干束的相干光沿單模光纖3傳輸至電光相位調(diào)制器4后，利用由射頻驅(qū)動 電源5驅(qū)動的電光相位調(diào)制器4實現(xiàn)N個相干光束的快速時變隨機相位調(diào)制，射頻驅(qū)動電 源5的輸出由信號控制與計算成像模塊13控制，射頻驅(qū)動電源5輸出電壓的最大值和最小 值分別對應(yīng)電光相位調(diào)制器的正負(fù)半波電壓。調(diào)制后的N束相干光傳輸至光纖放大器6,由 光纖放大器6對每束光進行功率放大后傳輸至光纖束陣列7,光束經(jīng)由光纖陣列7空間輻射 疊加形成快速時變的散斑場，即贗熱光場，最后經(jīng)擴束準(zhǔn)直器8和半反半透鏡9后照射到目 標(biāo)，散射光信號經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡10收集匯聚到光電探測器11，光電探測器11輸出的電信號由 信號采集模塊12進行數(shù)字采樣，采樣數(shù)據(jù)傳送至信號控制與計算成像模塊13,完成參考光 場計算與成像處理。
[0042] 本發(fā)明的光纖束陣列7由剝?nèi)ネ獗Ｗo層的裸光纖集束而成，光纖束陣列可根據(jù)輸 出光場的需要選擇合適的排布方式，如圓環(huán)形陣列、均勻方形陣列等。如圖2所示，本實施 例的光纖束陣列為N=SXS(S= 5)的方形陣列，單根裸纖模場直徑5微米。光電陣列探 測器采用高靈敏度、低像素的PIN或AH)陣列探測器，如圖3所示，本實施例的光電陣列探 測器采用5*5的AH)陣列（InGaAs)，可以避免成像模糊。
[0043] 本發(fā)明的脈沖激光器1采用可見光或近紅外激光器，如波長為1064nm或1310nm 或1550nm的脈沖激光器，脈沖激光器輸出光脈沖的重復(fù)頻率與射頻驅(qū)動電源輸出信號的 變化頻率一致。本實施例的脈沖激光器1采用波長為1550nm的脈沖光纖激光器，電光相位 調(diào)制器4采用Photeline公司的LiNb03相位調(diào)制器，其最大調(diào)制速率10吉赫茲（GHz)，半波 電壓<10V。射頻驅(qū)動電源輸出25路隨機電壓信號至電光相位調(diào)制器，