一种基于弱光探测的扫描全景关联成像系统及其抑噪方法

本发明涉及成像系统，具体涉及一种基于弱光探测的扫描全景关联成像系统及其抑噪方法。

背景技术：

1、关联成像作为一种新型的非定域成像技术，其独特之处在于，分光器将光信号分为信号光路和参考光路。待测物体被置于信号光路中，桶探测器接收透过物体或被物体表面反射的光子后，记录其总光强值，无法对目标直接成像。参考光路中放置高分辨率的面阵ccd探测器，但该光路并不经过物体，也无法得到物体的空间信息；只有对两个探测器接收的数据进行强度涨落关联，在参考光路的面阵ccd探测器中才可以恢复出待测物体的像。这种不同于常规成像方式的成像技术被称为关联成像，或鬼成像。关联成像由最初采用的量子纠缠光源发展到如今利用经典光源以及不同波段的光波进行成像，光路也由两条支路发展到由计算机预制散斑进行光场调控的仅需一条光路的计算关联成像。

2、目前情况下，对于关联成像研究大部分都是光场辐射范围大于目标范围，对于宽视域物体，即成像物体尺寸远大于光场辐射范围的情况仍需要进一步研究。现有的推扫视全景成像在光源条件固定的情况下，扩大光源发散角在一定程度上拓宽视场，但是会导致部分图像细节丢失，同时分辨率也会下降。因此，如何在保证图像质量的前提下实现宽视域目标的全景关联成像，是进一步推动关联成像技术发展和应用的重要问题。

3、传统的全景成像，通过镜头的移动将不同位置拍摄的图像通过一定算法拼接到一起，从而达到全景的效果。但这种情况下虽然保证了实现全景视场，记录了更多光场信息，但却以牺牲图像边缘的细节为代价。扩大光源发散角可在一定程度上拓宽视场，但是会导致部分图像细节丢失，同时分辨率也会下降；在光照条件低的情况下，成像质量有待提高。

4、关联成像相较于传统成像，抗干扰以及弱光探测等方面，与传统光学成像相比具有明显的优势。然而对于宽视域目标成像，目前提出的推扫成像方案的适用性受到光源位置、目标位置、扫描角度的限制，需要借助关联成像的优势，发展一种新的扫描成像方法。本发明提出扫描成像与关联成像相结合的方法，利用步进电机匀速转动带动反射镜改变光源角度，完整扫描物体表面，结合关联成像的原理，实现弱光下对宽视域物体全景成像的效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于弱光探测的扫描全景关联成像系统及其抑噪方法，能够对宽视域物体进行清晰的全景关联成像，原理简单、可行性高，在弱光环境下也能够实现恢复清晰的物体，通过滤波算法提高了成像质量，具有较高的应用价值。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种基于弱光探测的扫描全景关联成像系统,包括：

4、信号源，所述信号源用于输出光束；

5、准直扩束系统，所述准直扩束系统用于对信号源发出的光束进行准直和扩束；

6、第一衰减片，所述第一衰减片设置在所述准直扩束系统前端，用于对进入准直扩束系统的光束进行衰减；

7、光束处理系统，所述光束处理系统用于对经准直扩束系统处理的光束进行处理，得到偏振光并调制得到随机哈达玛散斑信号；

8、反射镜，所述反射镜设置在第一步进电机上，并带动反射镜做匀速圆周运动，所述反射镜在运动过程中对随机哈达玛散斑信号光进行反射均匀地扫描宽视域成像物体；

9、光束接收系统，所述光束接收系统设置在第二步进电机上，所述第二步进电机带动光束接收系统转动接收经物体表面反射的光束，并对光束进行处理。

10、作为本发明进一步的方案：所述准直扩束系统包括准直镜和扩束镜；

11、所述准直镜设置在扩束镜后端；

12、所述准直镜用于对光束准直；

13、所述扩束镜用于对光束扩束。

14、作为本发明进一步的方案：所述光束处理系统包括起偏器、空间光调制器和检偏器；

15、所述起偏器、空间光调制器与检偏器沿光束行进方向依次设置；

16、所述起偏器与检偏器用于对光束转换为偏振光并检验；

17、所述空间光调制器用于对偏振光束进行调制。

18、作为本发明进一步的方案：所述光束接收系统包括第二衰减片、窄带滤光片和光子计数器；

19、所述第二衰减片、窄带滤光片与光子计数器沿光束行进方向依次设置；

20、所述窄带滤光片用于滤除光束中杂散光干扰；

21、所述光子计数器用于探测并接收物体表面反射的光束，进行计数、放大。

22、作为本发明进一步的方案：还包括计算机，所述计算机用于控制空间光调制器与光子计数器，完成空间光调制器与光子计数器的参数调整、程序编译。

23、作为本发明进一步的方案：所述第一步进电机与所述第二步进电机同速率、反方向转动。

24、第二方面，本发明提供一种基于弱光探测的扫描全景关联成像抑噪方法，所述方法基于所述的扫描全景关联成像系统实现，具体步骤如下：

25、s1：信号源输出相干光，激光光束经准直扩束镜、第一衰减片、起偏器与检偏器后变换为弱线性偏振光，光子计数器记录衰减后偏振光每一时刻的光强值并求和，得到背景噪声强度i0；

26、s2：将成像物体放入光路中，经s1获取的偏振光经空间光调制器调制为随机哈达玛散斑信号光；

27、s3：随机哈达玛信号光经过透镜准直后照射在固定于第一步进电机平台的反射镜上，经透镜反射的光束随第一步进电机平台的匀速转动而均匀地扫描宽视域成像物体；

28、s4：扫描后被物体表面反射的光束再次通过第二衰减片，保证弱光效果；窄带滤光片滤除杂散光后由光子计数器接收并进行放大、滤波，对此时各时刻光场强度进行求和，得到总光强i；

29、s5：将s4中得到的总光强i减去s1中得到的背景噪声强度i0，即得到成像物体的总光强。

30、作为本发明进一步的方案：s1中，信号源为能够发出波长为532nm光束的激光器。

31、作为本发明进一步的方案：s2中，空间光调制器是通过计算机对偏振光束进行调制，输出随机哈达玛偏振信号光。

32、作为本发明进一步的方案：s4中，第二衰减片、窄带滤光片、光子计数器均固定在第二步进电机上，光束经第一步进电机上的反射镜反射后被第二步进电机上装置接收；

33、其中，第一步进电机与第二步进电机通过控制算法实现同速率、反方向转动，实现改变任意角度，最终物体反射的光都能被光子计数器接收。

34、本发明的有益效果：

35、原理与装置可操作性强；

36、光子计数器能够在弱光环境下进行光子探测与计数，对接收的含噪微弱光信号进行放大、滤除随机噪声，提高信噪比；

37、利用步进电机匀速圆周运动带动反射镜转动，改变调制后光束的照射角度，保证能够完整扫过成像物体表面，扩大了扫描视场，改变了原有推扫式全景成像角度受限的问题；

38、在光子计数器前利用窄带滤光片再一次进行滤波，滤除杂散光干扰；通过自适应最小均方误差滤波器与改进均值滤波器相结合，从频域与空域对背景噪声、探测器噪声、散斑噪声进行滤除，成像质量好。

39、全景成像结合关联成像原理，具有较强的鲁棒性与抗干扰能力。