基于液晶调制不稳定性的弱光图像重构装置及方法与流程

本发明属于弱光图像的随机共振重构技术领域，具体涉及到一种基于液晶调制不稳定性的弱光图像重构装置及方法。

背景技术：

在空域图像信号探测时，信号常常要经过大气、水甚至烟雾等散射介质。这些散射介质会吸收和散射图像信号，使图像信号空间分布发生改变，散射噪声致使最后接收图像的信噪比严重变低，图像模糊无法辨识。而在待测图像信号本身十分微弱或者图像信号被强噪声完全湮没时，探测器难以直接探测目标。因此，强噪声背景下的弱图像信号非线性放大技术有着极其重要的研究与应用价值。随着科学技术的不断进步和工业生活实践的不断深入，弱图像信号检测应用前景也不断扩展。如机载的和车载的激光雷达扫描、遥感探测和水下目标探测等都是潜在的应用领域。如何以成本低、性能好的弱图像信号检测技术来解决这些实际应用中的问题成为急需面对的关键问题。

传统的滤波方式在输入图像信噪比较低的情况下，能够获得较好的图像信号提取效果，但是对于完全湮没在强噪声背景下的弱图像信号，或者信号与噪声频率相同或接近的情况下，传统的滤波方式显得无能为力。因此，研究强噪声背景下弱图像信号的重构与增强技术迫在眉睫。

技术实现要素：

为解决现有滤波技术无法有效提取完全湮没在强噪声背景下的弱图像信号的技术问题，本发明提供了一种基于液晶调制不稳定性的弱光图像重构装置及方法。

本发明的发明构思：

本领域技术人员一般认为噪声是有害的，噪声越大信号越差。但本发明却跳出常规思维，通过增大噪声信号的方式实现图像重构：首先产生信号光和噪声光，然后利用液晶材料作为非线性介质(信号、噪声进行非线性耦合的媒介)调制不稳定性所产生的随机共振现象，使部分噪声能量转化为有用的信号能量，有效提高图像信噪比，实现被噪声淹没的弱光图像重构。

本发明的技术解决方案如下：

基于液晶调制不稳定性的弱光图像重构装置，其特殊之处在于：包括激光器；在激光器的出射光路上设置有分束镜；

分束镜将入射至其上的光束分为两路：一路上依次设置有衰减器、分辨率板和第二反射镜；另一路上设置有第一反射镜；

第一反射镜的反射光路上依次设置有聚焦透镜、散射器、准直透镜、合束镜、向列相液晶盒、成像透镜和ccd探测器；

所述合束镜同时还位于所述第二反射镜的反射光路上；

所述散射器可在垂直于其所在光路的平面内匀速转动，转动速度最低为每秒1000转；所述散射器在聚焦透镜与准直透镜之间的位置可调；

所述向列相液晶盒上外加有调节电压。

进一步地，所述聚焦透镜和准直透镜的焦距相等。

进一步地，所述散射器为毛玻璃。

进一步地，所述向列相液晶盒为e7液晶，厚度为330μm，其寻常光折射率n⊥＝1.53，非常光折射率n∥＝1.77，低频段介电常数ε⊥＝5.1、ε∥＝19.6，平均介电常数kn＝10^-11n。

进一步地，第二反射镜的入射面上镀有与激光器出射光束相同波长的高反膜。

进一步地，所述向列相液晶盒上加的调节电压为3.8v。

本发明同时提供了一种利用上述的弱光图像重构装置进行弱光图像重构的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、激光器发出532nm偏振为x轴方向的连续光经扩束、准直后进入分束镜；定义垂直于向列相液晶盒的两个平行的玻璃板的方向为x轴方向；

步骤2、分束镜将光束分为两路：第一路光束经衰减器衰减后，将光强稳定在0.8×10³w/cm²～2.2×10³w/cm²后，再穿过分辨率板形成相干的图像信号，最后由第二反射镜反射后进入合束镜；第二路光束经第一反射镜反射后，先由聚焦透镜聚焦在散射器上，经散射器散射形成非相干噪声信号后，再由准直透镜进行准直后，最终入射至合束镜上；

步骤3、两路光束经合束镜合束后，入射至向列相液晶盒中，两路光束再向列相液晶盒中发生非线性耦合，使非相干噪声能量部分转移至信号能量中；

步骤4、向列相液晶盒输出的光信号通过成像透镜成像于ccd探测器上；

步骤5、采集并保存ccd探测器的输出图像。

进一步地，还包括步骤6、利用平均化或阈值化法对ccd探测器的输出图像进行处理。

进一步地，在所述步骤5之前，调节外加在向列相液晶盒的两个平行的玻璃板上的电压，使成像于ccd探测器上的图像更清晰。

进一步地，步骤2中，将光强稳定在1.4×10³w/cm²。

本发明具有以下优点：

1.本发明将随机共振图像重构技术和液晶技术相结合，利用液晶材料调制不稳定性所产生的随机共振现象，使部分噪声能量转化为有用的信号能量，有效提高图像信噪比，实现被噪声淹没的弱光图像重构。

2.利用液晶作为非线性介质，适用波长范围宽，成本低、易集成、寿命长，且易于进行电磁调控，不需要使用几百几千伏的高压，只需几伏的低频交流电就可以控制随机共振的性能。

附图说明

图1为本发明实施例的结构原理示意图；

图2为本发明所用的液晶简图；

图3为在不同噪声强度下，利用本发明提取的图像信号图，其中：(a)对应噪声强度为信号强度的10倍，(b)对应噪声强度为信号强度的20倍，(c)对应噪声强度为信号强度的30倍；(a)～(c)中，左侧为输入图像，右侧为输出图像；

图4为本发明在噪声可变的情况下，输出与输入互相关度增益随归一化噪声强度的变化曲线。

附图标记说明：

1-激光器，2-分束镜，3-衰减器，4-分辨率板，5-第二反射镜、6-第一反射镜，7-聚焦透镜、8-散射器，9-准直透镜，10-合束镜，11-向列相液晶盒，111-玻璃板，112-取向层，113-输入玻璃板，12-成像透镜，13-ccd探测器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的基于液晶调制不稳定性的弱光图像重构装置，包括沿同一光路依次设置的激光器1、分束镜2、衰减器3、分辨率板4和第二反射镜5；分束镜2的反射光路上设置有第一反射镜6，第一反射镜6的反射光路上依次设置有聚焦透镜7、散射器8(散射器8可以为毛玻璃，也可以为其他散射介质；但选择毛玻璃更加易于设置和操控)、准直透镜9、合束镜10、向列相液晶盒11、成像透镜12和ccd探测器13；合束镜10同时还位于所述第二反射镜5的反射光路上；聚焦透镜7和准直透镜9的焦距最好相等，这样能够满足平行光入射，近平行光出射，且出射光束的直径与入射光束直径基本相同，使得噪声光束和信号光束在液晶入射面处能基本重叠，有助于实现最佳的图像重构效果；散射器8可由步进电机带动，在垂直于其所在光路的平面内匀速转动，散射器8的转动速度应比较快(最小为每秒1000转)，以使向列相液晶盒11的响应时间比非相干噪声光的强度扰动的特征时间大的多(向列相液晶盒11的响应时间为几十毫秒到几百毫秒量级，非相干噪声光的强度扰动的特征时间为毫秒，大十倍以上可以被认为是大得多)，这样我们就可以只考虑噪声光的时间平均强度分布。

聚焦透镜7、准直透镜9和散射器8组成了“透镜-旋转散射器-透镜”结构，可控制噪声光相干长度：散射器8可以在聚焦透镜7与准直透镜9之间移动，通过移动散射器8的位置可以改变聚焦在散射器8上的光束直径的大小，进而改变相干长度。

散射器8在垂直于其所在光路的平面内匀速转动，能够保持每段单位时间之间的对称性，这样才不会使各个时间段内光的随机分布不同。

如图2所示，图像是从向列相液晶盒11的侧面入射，液晶分子是棒状分子，液晶分子转动使折射率发生变化，形成了自聚焦效应，和衍射效应共同作用形成了调制不稳定性。

为了阻止重取向域和旋转位移的产生，可以对向列相液晶盒11的边界进行适当的锚定，并在向列相液晶盒11的平行玻璃板111内表面附上一层取向层112，使液晶分子取向相对于z轴有一个小的夹角。

为防止去极化效应的发生导致光的散射严重，从而带来额外的噪声和损耗，本发明在向列相液晶盒11的接收端设置平行于x轴的输入玻璃板113。

本发明弱光图像重构装置中的向列相液晶盒11可采用商业e7液晶，厚度为330μm，向列相液晶盒11各参数：寻常光折射率n⊥＝1.53、非常光折射率n∥＝1.77、低频段介电常数ε⊥＝5.1、ε∥＝19.6、平均介电常数kn＝～10^-11n。

利用上述弱光图像重构装置进行弱光信号重构的过程：

1)激光器1输出一束532nm偏振为x方向的连续光经扩束、准直后再通过分束镜1(分束比50/50)被分成两束。定义光传播方向为z轴方向，垂直于向列相液晶盒11两平行玻璃板的方向为x轴方向。

2)一束光经过衰减器3做适当的衰减将光强稳定在1.4×10³w/cm²，然后穿过分辨率板4形成相干的图像信号，再经第二反射镜5(镀有532nm高反膜)反射后入射到合束镜10上；另一束光经第一反射镜6反射后再由聚焦透镜7聚焦在转动的散射器8(毛玻璃)上，经过散射器8的散射形成非相干噪声(相干长度170μm)后再由准直透镜9进行准直，然后入射到合束镜10上。

3)两束光经合束镜10合束之后，同时入射到向列相液晶盒11中在液晶中两束光发生非线性耦合过程，非相干噪声的能量部分转移到信号中，最后由成像透镜12成像在ccd探测器13上。通过调节加在向列相液晶盒11两平行玻璃板111之间的电压来控制耦合强度，从而调节ccd探测器13输出图像的质量，当归一化噪声强度为30时，电压调为约3.8v，ccd探测器13输出图像最清晰。二值条纹的间距越大，最佳电压越小。二值条纹只有两个值，没有中间的灰度。比如在一个图像中，有信号的像素就是1，没信号的像素就是0。

4)采用一般的图像处理方法(例如平均化或者阈值化)对成像在ccd探测器13上的图像进行进一步的处理，使输出图像在视觉上更为清晰。

若步骤1)中分束镜的分束比不等于50/50，则应利用衰减器将信号束的光强稳定到一个定值1.4×10³w/cm²，然后调节激光器的输出使噪声束为信号束的特定倍数就可以。

技术效果验证：

如图3所示，为在不同噪声强度下，利用本发明提取的图像信号，可以看出，即使图像被噪声完全湮没，本发明仍可以实现弱光图像重构。

图4中的钟形曲线说明确实发生了随机共振现象，且互相关增益较大，证明本发明提取信号的效果较好。