基于光学相控散斑场的成像方法与流程

本发明涉及光学相控阵成像技术领域，特别涉及一种基于光学相控散斑场的成像方法。

背景技术：

目前，超高速成像可分为两种方式：

1)提高阵列探测器(比如ccd)的探测速度，目前最快的ccd相机可达1mhz的成像速率，但是其分辨率低而且要求光强较强。

2)采用高速变化散斑(空间光强分布具有一定结构)照射物体，然后用单点探测器(比如：桶探测器)高速探测回波光强，通过计算得到物体的像。

采用第二种方式较为常见的技术是激光雷达和鬼成像等单像素方法。激光雷达采用的是逐点扫描的方式(即每张散斑为一个移动的像素)，而鬼像是采用随机、hadamard等散斑。要实现超高速成像，不但要求散斑变化的速度快，而且还需要实时的知道每张散斑的准确图样以便计算物体的像。

产生快速变化散斑的技术通常称为空间光调制技术，可分为对非相干光和相干光的调制。非相干光空间调制器直接对空间各点的光强进行调制，比如dmd,led阵列等。非相干光空间调制器的点阵个数和调制速率是两个相互制约的关系。比如，dmd的点阵数量大，但是其调制速率较慢，通常在20khz左右；led阵列的调制速率可达几百mhz，但点阵增多时，其调制速率线性降低，难于实现高速率、高分辨率的成像。相干光空间调制器对空间各点光场的位相进行调制，各点光场在传播中相互干涉，并在目标面上形成了干涉图样。相干光空间调制器可通过少数几个点阵的光场干涉形成复杂的干涉图样，从而实现了等效点阵数量大调制速率高的空间光强调制。因此，相干光空间调制技术成为目前高速、高分辨率成像技术的热门研究对象。

光学相控阵是相干光空间调制技术的一个重要的方向，其来源于传统的微波相控阵技术。光学相控阵主要用于产生光束偏折，在军用和民用光束扫描方面具有广阔的应用前景，除了在激光显示、激光通信和激光照排等方面外,最重要的应用是激光相控阵雷达、空间激光通信等军事应用领域。目前，用于实现光束偏转的光学相控阵基本有下面几种方法：基于液晶；基于plzt；基于光波导；基于mems器件。这几种方法各有优缺点。采用液晶材料的相控阵虽然工作电压很低，且可以实现大角度偏转，但是液晶的响应非常缓慢，调制速率低。基于plzt的光学相控阵的速度达到亚微秒，具有快速连续扫描能力，但是plzt材料需要的调制电压过高，扫描角度小。光波导相控阵因具有响应速度快，但是其难于实现两维大角度扫描，而且其调制速率和相位稳定性难于两全，限制了其进一步的发展。mems光学相控阵虽然扫描速度快，但是扫描角度有限(传统的相控阵调制速率和扫描的视场角成反比，mhz以上的速率下视场角通常不超过3度，100hz的低速率下通常不超过30度)。因此，目前相控阵技术还不能实现大角度、高速两维光束扫描的性能，制约了点扫描成像(激光雷达)的发展。

光学相控阵除了用于光束偏转外，也可以用于产生散斑(特别是随机散斑)，通过鬼成像的方式实现成像，这也是目前一个重要的研究方向。采用体型电光调制器可以产生精准的控制相位，但是其调制电压在几百到几千伏，难于实现超过高速(通常不超过1mhz)多点阵的调制，因此其调制速率和散斑的多样性难于满足高速成像的要求。波导型的电光调制器工作电压低(通常不超过5v)、调制速率可高达100ghz，但是波导型的调制器相位漂移严重，通常1秒钟能漂移一个波长。如果环境的震动、温度变化稍微大点，其漂移会更快更严重。因此，用波导型电光调制器制成的高速相控阵，其产生的散斑基本上不可预测。由于在鬼成像要求实时获知散斑的准确信息，这种高速的相控阵光源难于用于成像。

综上所述，目前还未有一种基于空间光调制技术的高成像速率、大视场角和高分辨率的成像技术。

技术实现要素：

本发明提出一种基于光学相控散斑场的成像方法，解决现有技术中相控阵难于实现高速光束扫描从而无法实现高速成像的问题。

本发明的一种基于光学相控散斑场的成像方法，包括步骤：

s1：将相干光源发出的光束分成多路子光束，并分别对各个子光束的相位进行调制，使被调制后的多路子光束在传播过程中相互干涉形成散斑场；

s2：将所述散斑场分成照明散斑场和成像散斑场，照明散斑场用于照射目标物体所在的目标面，成像散斑场投射到成像面上，且所述照明散斑场和成像散斑场分别在成像面和目标面上形成的光强分布共轭；

s3：实时探测从所述目标面反射回来的照明散斑场的光强；

s4：根据探测到的光强实时调制所述相干光源，使输出的光强变化曲线和实时探测到的光强变化曲线满足预定关系，以在成像面上的感光器件实时显现出目标面的图像。

其中，所述步骤s1中，所述相干光源发出一束相干光，将所述相干光分成多路子光束。

其中，所述步骤s1中，两个所述相干光源分别发出第一相干光束和第二相干光束，将所述第一相干光束和第二相干光束合成一束后分成多路子光束，且步骤s2中，采用分束器将散斑场中来源于第一相干光束的光和第二相干光束的光分开，来源于第一相干光束的光成为照明散斑场，来源于第二相干光束的光为成像散斑场，所述步骤s4中调制第二相干光源。

其中，所述分束器为具有波段选择功能的分束器。

其中，所述步骤s1中，具体包括：

采用随机调制方式对多路子光束进行相位调制，且调制后满足以下条件：

子光束的附加相位为：φ(ρj，t)，其中ρj为第j个子光束的坐标，多路子光束在目标面上形成的光强分布为：

其中，z为子光束发射面离目标面的距离，ξ为发射面的坐标，r为目标面的坐标，λ为波长，δa为类delta函数，下标a表征子光束的尺寸，

在成像面上的光强分布于目标面上共轭，表示为：

m(ζ，t)＝α·s(m·ζ，t)，

其中，ζ为成像面的坐标，m为放大系数，t为时刻，α是一个常数，表征两个面的总体亮度的差别。

其中，步骤s4中，

照明散斑场照射到目标面后，目标面返回来的回光被探测器所探测，其总光强为：

b(t)＝∫s(r，t)·o(r)dr(1)

其中，o(r)为物体对照明散斑场的响应函数，探测到的光强用于实时调制产生成像散斑场的相干光源的光强，在成像面上的感光器件对变化的散斑场进行时间积分，其结果可表示为：

其中，t{}为一个特定的调制函数，δt为感光器件的积分时间，成像面上的感光器件显现出物体的图像。

其中，所述调制函数t{}为线性调制：

其中，μ为调制系数，调制后，在感光器件上显示出的图像为，

其中，δd(mζ-r)为一个类delta函数，下标d表征峰的宽度，即分辨率的大小，g(ζ，t)为物体和δd的卷积的结果，即分辨率为d的目标物体的图像。

其中，所述步骤s1中采用多路相位调制器或集成的相控阵对多路子光束进行相位调制。

本发明的基于光学相控散斑场的成像方法中，通过多路相位调制产生随时间变化的散斑场，并将散斑场分成照明散斑场和成像散斑场，前者投射到目标面，后者投射到成像面，并使得两个散斑场在成像面和目标面上共轭，照明散斑照射物体后的反射回来的总光强被用于实时的调制产生成像散斑的相干光源的输出功率，使输出的光强变化曲线和实时探测到的光强变化曲线满足预定关系，成像面的感光器件进行的时间积分实现了桶探测信号(回波信号)与散斑的关联，根据鬼成像原理(如上面的公式(4)所示)，这个关联可实时的显现出物体的像。这种回波信号与共轭散斑实时进行关联的方式有一个非常重要的优势：在整个成像过程中都无需知道散斑的图样。因此，采用波导型电光调制器搭建出的光学相控阵，虽然其相位漂移使得其形成的散斑图样无法预测，但本发明的方法依然能够准确的成像。而且，这种相控阵可实现高达100ghz的调制速率，因此可实现mhz量级成像速率，甚至可达ghz。本发明解决了传统鬼成像需要实时获知散斑图样的要求所带来的高速成像问题，充分利用光学相控阵光源可输出超高速变化散斑的特点，实现了超高速成像。而且本发明的成像视场角不受限于调制速率，理论上视场角没有限制，从而实现大视场角成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于光学相控散斑场的成像方法流程图；

图2为实施图1中方法的一种光路示意图；

图3为实施图1中方法的另一种光路示意图；

图4为实施图1中方法的又一种光路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的基于光学相控散斑场的成像方法如图1所示，包括：

步骤s1：将相干光源发出的光束分成多路子光束，并分别对各个子光束的相位进行调制，使被调制后的多路子光束在传播过程中相互干涉形成散斑场。

步骤s2：将所述散斑场分成照明散斑场和成像散斑场，照明散斑场用于照射目标物体所在的目标面，成像散斑场投射到成像面上，且照明散斑场和成像散斑场分别在成像面和目标面上形成的光强分布共轭；由于共轭通常是指两个平面共轭，因此假设目标物体是两维物体，目标物体所在的平面称为目标面或物面，如果目标物体为三维物体，则目标面是目标物体进行两维映射的平面。

步骤s3：实时探测从所述目标面反射回来的照明散斑场的光强；

步骤s4：根据探测到的光强实时调制所述相干光源使其输出的光强变化曲线实时的和探测到的光强变化曲线满足预定关系，以在成像面上的感光器件将实时的显现出目标面的图像。预定关系可以是同相或反相的线性变化关系，或者具有图像增强效果的非线性关系。这些子光束相互干涉在成像面形成散斑，调制是指调制相干光源出射的那束光的光强，调制会使得散斑总体变暗或变亮，但是不会改变散斑的图样。每隔一段时间(比如10ns，对应100mhz调制速率)就会对所有的子光束的位相进行调制，然后就产生了新的散斑图样，只有一张散斑图样照射物体是不会在成像面显示出物体的图像的，经过很多张不同的散斑的叠加后才会出现图像，张数越多图像越逼近真实物体，但是只是无限逼近。比如：如果需要分辨率是100×100，则10万张不同的散斑就可以很好的显示出一副图像，如果相位调制速率是100mhz，则1ms就完成了一帧的图像，这时成像帧频率是1khz。

本实施例的基于光学相控散斑场的成像方法中，通过多路相位调制产生随时间变化的散斑场，并将散斑场分成照明散斑场和成像散斑场，前者投射到目标面，后者投射到成像面，并使得两个散斑场在成像面和目标面上共轭，照明散斑照射物体后的反射回来的总光强被用于实时的调制产生成像散斑的相干光源的总输出功率，使输出的光强变化曲线和实时探测到的光强变化曲线满足预定关系，成像面的感光器件进行的时间积分实现了桶探测信号(回波信号)与散斑的关联，根据鬼成像原理(如上面的公式(4)所示)，这个关联可实时的显现出物体的像。这种回波信号与共轭散斑实时进行关联的方式有一个非常重要的优势：在整个成像过程中都无需知道散斑的图样。因此，采用波导型电光调制器搭建出的光学相控阵，虽然其相位漂移使得其形成的散斑图样无法预测，本发明的方法依然能够准确的成像。而且，这种相控阵可实现高达100ghz的调制速率，因此可实现mhz量级成像速率，甚至可达ghz。本发明解决了传统鬼成像需要实时获知散斑图样的要求所带来的高速成像问题，充分利用光学相控阵光源可输出超高速变化散斑的特点，实现了超高速成像。而且本发明的成像视场角不受限于调制速率，理论上视场角没有限制，从而实现大视场角成像。

实施上述方法可以采用以下两大类光路结构：

第一类光路结构如图2所示，其中，分束器为无波段选择分束器50。相干光源100发出的相干光被分光器200分成多路子光束，多路子光束输入一个多路相位调制器300，通过相位调制电路11对多路子光束的进行高速相位调制，输出的调制后的子光束被投射器4投射出去，无波段选择分束器50将出射的光场分成照明散斑场i和成像散斑场ii，照明散斑场i在目标面形成了散斑光场并照射到目标物体8上，成像散斑场ii由投屏器6(通常由一个或多个透镜组成)投射到感光器件7(通常是个ccd)，并使得成像面的散斑场和目标面的散斑场共轭。照明散斑场i被目标物体8反射后，其回波光强被探测器9所探测，根据光强的强度信号通过光强调制电路10对相干光源100的输出功率进行实时的调节，光源使输出的光强变化曲线实时的和探测到的光强变化曲线满足预定关系(例如：两个变化曲线实时保持一致，即同相的线性变化关系)。由于成像面和目标面的光强分布同步，对相干光源100的输出功率的实时调节形成了回波光强与照明散斑场的关联计算，在感光器件7的时间积分下，根据鬼成像的成像机理，感光器件7将会实时呈现出目标物体8的像。由于多路相位调制器300的调制频率通常都相当高(可达100ghz)，目前基本没有感光器件有这个速度能把这么快的成像结果记录下来，因此最后成像的帧频率通常取决于感光器件的刷新率(比如ccd的采集帧率)。本实施例相比于传统ccd成像的优势在于远距离和弱光条件下可以很好的进行高速成像，ccd对光强的要求太高，同等条件下传统方式很难成像。

该光路结构中，分光器200可以是一个一分多的光纤分路器，或者是一个光纤密排结构的分路器。多路相位调制器300可以由多个波导型的电光调制器组成，每个负责调节一路子光束的相位；如果多路相位调制器300和相位调制电路11的总调制速率为10ghz，照明散斑场的分辨率为100×100，则成像的帧频率可达1mhz。其中，相位调制电路11由fpga和多个3pd5651e数模转换芯片组成，用于驱动多路相位调制器300的每个相位调制器，以对多束子光束同时进行相位调制。

第二类光路结构如图3所示，采用波段不同的两个相干光源，即第一相干光源101和第一相干光源102，步骤s1中，两个相干光源发出的光通过合束器110合束输入后续光路。步骤s2中，分束器为具有波段选择的分束器51，来自第一相干光源101的光场可透过分束器51继续传播到目标面并形成照明散斑场i，而来自第二相干光源102的光场被分束器51折射到感光器件7并形成成像散斑场ii，步骤s4中，光强调制电路10调制第二相干光源102。

上述两类光路结构均可以采用由多个相位调制器组成的多路相位调制器300，也可以采用如图4所示的集成的相控阵301。集成的相控阵301可以是一整块电光晶体，当一束相关光入射后，在其内部分成多路向前传播，在晶体中传播的过程中相位调制电路11将对各路实时不同的相位调制，从而形成相位不同的多路出射子光束。

本实施例中，采用随机调制方式对多路子光束进行相位调制，调制后满足以下条件：

子光束的附加相位为：φ(ρj，t)，其中ρj为第j个子光束的坐标。多路子光束在目标面上形成的光强分布为：

上式中，z为子光束发射面(指投射器4的出射面)离目标面的距离，ξ为发射面的坐标，r为目标面的坐标，λ为波长，δa为类delta函数，下标a表征子光束的尺寸。

在成像面上的光强分布于目标面上共轭，表示为：

m(ζ，t)＝α·s(m·ζ，t)，

上式中，ζ为成像面的坐标，m为放大系数，t为时刻，α是一个常数，表征两个面的总体亮度的差别。

照明散斑场照射到目标面后，目标面返回来的回光被探测器所探测，其总光强为：

b(t)＝∫s(r，t)·o(r)dr(1)

上式中，o(r)为物体对照明散斑场的响应函数，探测到的光强用于实时调制产生成像散斑场的相干光源的光强，在成像面上的感光器件对变化的散斑场进行时间积分，其结果可表示为

上式中，t{}为一个调制函数。δt为感光器件的积分时间。成像面上的感光器件显现出物体的图像。

调制函数t{}优选为线性调制：

其中，μ为调制系数。调制后，在感光器件上显示出的图像为，

上式中，δd(mζ-r)为一个类delta函数，下标d表征峰的宽度，即分辨率的大小。g(ζ，t)为物体和δd的卷积的结果，即分辨率为d的物体的图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。