基于led照明的随机散射关联成像系统及成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于成像技术领域，特别涉及一种光学成像系统与成像方法，可用于生物 医学成像、公共安全和反恐领域。
【背景技术】
[0002] 传统光学成像范畴中，光波在介质内部的散射光一直被视为阻碍透过随机散射介 质成像的噪声，因此国内外研究的有随机介质参与的成像方法大多依赖于介质内部的弹道 光。
[0003] 近年来，国内外科研人员开始考虑通过某种方法恢复出散射光中携带的目标信 息，从而使散射光参与成像过程，即实现散射成像。
[0004] 目前，围绕着散射成像的研究已经取得了令人瞩目的进展，主要包括波前调制技 术、图像重建技术和传输矩阵测量技术等。但波前调制技术受到空间光调制器划分精度的 限制，大大增加了成像过程的复杂度；图像重建技术受到算法复杂度的影响，成像实时性 差；传输矩阵测量技术受到矩阵测量偏差的影响，成像质量严重下降。总之，现有的方法光 源要求高、成像过程复杂、耗时长，且不利于对活体组织进行非侵入式观测。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于LED照明的随机散射 关联成像系统及成像方法，以减小成像复杂度，提高成像分辨率，并实现实时成像。
[0006] 为实现上述目的，本发明的成像系统包括：光学装置、随机散射成像装置和观测目 标，其特征在于：
[0007] 所述光学装置，包括LED光源、准直透镜和第一可变光阑；
[0008] 所述随机散射成像装置，包括随机散射介质、第二可变光阑、窄带滤波片和探测器 阵列；
[0009] LED光源发出的光经过准直透镜产生能量会聚的平行准直非相干光，再经第一可 变光阑调整光束直径并滤除杂散光，照射到观测目标；观测目标被照射后，携带有观测目标 信息的光束透射到随机散射介质上，并在随机散射介质内部发生强散射，经过强散射的输 出光束经第二可变光阑滤除杂散光并限制光束直径后，入射到窄带滤波片，最后由探测器 阵列接收图像。
[0010] 为实现上述目的，本发明的成像方法，包括如下步骤：
[0011] (1)采集单帧散斑图像并对该单帧散斑图像进行亮度均一化处理，得到亮度均一 化处理后的散斑图像D(x，y)，以消除光源波动对图像亮度的影响；
[0012] (2)对亮度均一化处理后的图像D(x，y)进行自相关运算，获得散斑图像的自相关 结果：R(x,y) =D(x,y) ★D(x,y)，其中★表示自相关运算符号；
[0013] (3)获取散斑图像自相关结果R(x，y)的背景噪声：
[0014] 3a)计算整个成像系统的角分辨率Se，SA/nD，其中，A为波长，n为随机 散射介质后的空间折射率，D为随机散射介质后的第二可变光阑的孔径尺寸；
[0015] 3b)根据角分辨率S0，计算目标稀疏度= 其中，S为观测目标被照亮 区域所占的面积，u为观测目标到随机散射介质的距离；
[0016] 3c)根据目标稀疏度N，计算散斑图像自相关结果R(x，y)的强度峰值p，p= N+0. 5N(N-1) = 0. 5N2+0. 5N；
[0017] 3d)根据目标图像的稀疏度N和散斑图像自相关结果R(x，y)的强度峰值p，计算 散斑图像的背景噪声：C= [NAN+l)]p;
[0018] (4)去除散斑图像自相关结果R(x，y)中的背景噪声，得到去除背景噪声后的散斑 图像自相关：R'（X，y) =R(X，y)-C;
[0019] (5)对⑷得到的去除背景噪声的散斑图像自相关R'（x，y)进行重建，最终得到观 测目标。
[0020] 5a)通过Matlab软件截取所述散斑图像自相关R'（X，y)的中间部分R"（X，y);
[0021] 5b)计算所述中间部分R"（X，y)的功率谱：S_s(kx,ky) = |FT{R"（X，y)} |，其中 (kx，ky)为点（x，y)的傅立叶变换对应的频域坐标，FT{ ?}表示傅里叶变换，| ? |表示取绝 对值；
[0022] 5c)生成随机矩阵gl(x，y)，作为迭代初始值；
[0023] 5d)将5b)得到的功率谱S_s (kx，ky)和5c)生成的随机矩阵gl (x，y)带入到 iterativeFienup-type算法中进行循环迭代，最终求解出观测目标图像。
[0024] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0025] 1)本发明依据随机散射光学成像的原理，用LED光源代替激光光源，设计了基于 LED照明的随机散射关联成像系统，与现有随机散射光学成像系统相比，降低了光源成本， 简化了成像系统的结构。
[0026] 2)本发明基于相位恢复理论，只需对单帧散斑图像进行重建即可获得观测目标， 提高了成像实时性；所用重建算法步骤简单，大大降低重建过程的复杂度，提高了重建效 率。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明基于LED照明的随机散射关联成像系统的结构图；
[0028] 图2是本发明基于LED照明的随机散射关联成像方法的流程图；
[0029] 图3是用本发明方法得到的重建结果图。
【具体实施方式】
[0030] 以下将结合附图，清楚、完整地描述本发明LED照明的随机散射关联成像系统的 设置，以及成像方法的实现步骤。
[0031] 参见图1，本发明的成像系统，包括光学装置、随机散射成像装置和观测目标三部 分。其中：
[0032] 所述光学装置，包括LED光源1、准直透镜2和第一可变光阑3。其中，LED光源1 采用可见光波段的单波长非相干LED光源；
[0033] 所述随机散射成像装置，包括随机散射介质5、第二可变光阑6、窄带滤波片7和探 测器阵列8。
[0034] LED光源1发出的光经过准直透镜2产生能量会聚的平行准直非相干光，再经第一 可变光阑3调整光束直径并滤除杂散光，照射到观测目标4;观测目标4被照射后，携带有 观测目标4信息的光束透射到随机散射介质5上，并在随机散射介质5内部发生多次散射， 经过多次散射的输出光束经第二可变光阑6滤除杂散光并限制光束直径后，入射到窄带滤 波片7,从窄带滤波片7出射的光线进入探测器阵列8,在探测器阵列8上形成散斑图像。
[0035] 参见图2,本发明的成像方法，其具体实现步骤如下：
[0036] 步骤1，搭建光路，用探测器阵列采集单帧散斑图像并对其进行图像亮度均一化处 理，以消除光源波动对图像亮度的影响。
[0037] la)通过探测器阵列采集单帧散斑图像I(x，y)，并上传到主控计算机，其中（x，y) 为空间坐标；
[0038] lb)利用主控计算机对采集的单帧散斑图像I(x，y)进行亮度均一化处理，得到亮 度均一化后的散斑图像：
其中11 (x，y)I表示单帧散斑图像I(x，y)的模 值。
[0039] 步骤2,对亮度均一化处理后的散斑图像D(x，y)进行自相关运算，得到该亮度均 一化散斑图像的自相关运算结果。
[0040] 自相关运算，常用来计算同一信号在不同时刻的相似程度，其具有多种计算方式， 本发明所述自相关运算是基于二维傅里叶变换理论的自相关运算，即所述的自相关结果 R(x，y)等于散斑图像D(x，y)傅里叶变换模值平方的逆傅里叶变换：
[0041] R(x,y) =D(x,y) ★DCx.y) =FT1{IFT{D(x,y)} |2},
[0042] 其中，FT{ ?}为傅立叶变换，FTM?}为傅立叶逆变换，★表示自相关运算符号。
[0043] 步骤3,获取亮度均一化散斑图像自相关结果R(x，y)的背景噪声。
[0044] 3a)计算整个成像系统的角分辨率Se，S产VnD，其中，X为LED光源的波 长，n为随机散射介质后的空间折射率，D为随机散射介质后的第二可变光阑的孔径尺寸；
[0045]3b)根据角分辨率S0，计算目标稀疏度：
其中，S为观测目标被照亮 的区域所占的面积，u为观测目标到随机散射介质的距离；
[0046] 3c)根据目标稀疏度N，计算