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(cè)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(lái)的一種新型成像技術(shù)。它利 用光場(chǎng)的關(guān)聯(lián)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的非局域和超分辨成像。最早的鬼成像實(shí)驗(yàn)采用雙光子糾纏 源作為光源來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的成像，后來(lái)利用經(jīng)典的非相干光源（贗熱光、熱光源）來(lái)實(shí)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(diǎn)。
[0003] 2002年，Rochester大學(xué)的R.S.Bennink等人實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典光源的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的 雙光子關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)也被報(bào)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(jì)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(jì)算鬼成像 實(shí)驗(yàn)被報(bào)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(jì)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(bào)，2011，31 (7) :0711002)。申請(qǐng)?zhí)枮?01310296016的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)也公開了 一種基于液晶SLM的壓縮三維計(jì)算鬼成像系統(tǒng)及方法。但是現(xiàn)有的計(jì)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(chǎng)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(shí)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(dòng)電源、光纖放大器、光纖陣列、擴(kuò)束準(zhǔn)直器、半反半透鏡、接收望遠(yuǎn)鏡、光電陣 列探測(cè)器、信號(hào)采集模塊以及信號(hào)控制與計(jì)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(guò)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(dòng)電源驅(qū)動(dòng)，所述射頻驅(qū)動(dòng)電源與所述信號(hào)控制與計(jì)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(jìn)行隨 機(jī)相位調(diào)制，然后傳輸至所述光纖放大器進(jìn)行功率放大，經(jīng)所述光纖陣列、擴(kuò)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(hào)并匯聚到所述光電探測(cè)器，光電 探測(cè)器輸出的電信號(hào)由信號(hào)采集模塊進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)傳送至信號(hào)控制與計(jì)算成像模 塊。
[0007] 進(jìn)一步的，所述光纖陣列由剝?nèi)ネ獗Ｗo(hù)層的單模裸光纖集束而成。
[0008] 進(jìn)一步的，所述單根裸纖模場(chǎng)直徑為5微米。
[0009] 進(jìn)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(jìn)一步的，所述電光相位調(diào)制器為L(zhǎng)iNb03相位調(diào)制器。
[0011] 進(jìn)一步的，所述光纖放大器為有源放大器。
[0012] 進(jìn)一步的，所述光電陣列探測(cè)器為PIN或APD陣列探測(cè)器。
[0013] 進(jìn)一步的，所述射頻驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓的最大值和最小值分別對(duì)應(yīng)所述電光相位 調(diào)制器的正負(fù)半波電壓。
[0014] 進(jìn)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(dòng)電源輸出信號(hào)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(duì)多束相干光進(jìn)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(chǎng)，并照射到目標(biāo)上；
[0019] 光電探測(cè)器接收目標(biāo)的光散射信號(hào)，信號(hào)采集模塊采集信號(hào)并將信號(hào)傳輸至信號(hào) 控制與計(jì)算成像模塊，由信號(hào)控制與計(jì)算成像模塊根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行成像；
[0020] 利用接收信號(hào)和參考光場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度 分布計(jì)算采樣t時(shí)刻第m次采樣的散斑場(chǎng)IRini:
[0022]
[0023] 其中，為光電陣列探測(cè)器的第p個(gè)陣元、目標(biāo)圖像對(duì)應(yīng)的參考光場(chǎng)矩陣，p= 1，···，Ρ，Ρ為光電陣列探測(cè)器每行（列）陣元個(gè)數(shù)；
[0024] b、獲取采樣后光電陣列探測(cè)器每個(gè)陣元輸出的電信號(hào)；
[0025] c、獲取光電陣列探測(cè)器每個(gè)陣元恢復(fù)的目標(biāo)局部圖像矩陣；
[0026] d、將光電陣列探測(cè)器所有陣元得到的目標(biāo)局部圖像矩陣進(jìn)行拼接，得到目標(biāo)的完 整圖像：
[0027]
[0028] Gp為第p個(gè)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(chǎng)，作用距離遠(yuǎn)，并采用高靈敏度的光電陣列探測(cè)器，可對(duì)遠(yuǎn)距離 目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算成像；成像速率高，輸出光場(chǎng)強(qiáng)度起伏速率高，同時(shí)采用陣列探測(cè)器，分割目 標(biāo)視場(chǎng)，降低樣本需求，進(jìn)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(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例光纖陣列的示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例探測(cè)器的示意圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例贗熱光源的歸一化強(qiáng)度關(guān)聯(lián)系數(shù)圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例贗熱光源的散斑場(chǎng)強(qiáng)度空間分布圖；
[0035] 圖6為計(jì)算成像仿真時(shí)采用的目標(biāo)反射率模型圖；
[0036] 圖7為仿真成像得到的強(qiáng)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(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，表示 器件結(jié)構(gòu)的附圖會(huì)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(hù)的范圍。需要說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)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(shuō)明本發(fā)明實(shí)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(dòng)電源5、光纖放大器6、光纖陣列7、擴(kuò)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(cè)器11、信號(hào)采集模塊12以及信號(hào)控制與計(jì)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(guò)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(dòng)電源5驅(qū)動(dòng)，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(dòng) 電源5驅(qū)動(dòng)的電光相位調(diào)制器4實(shí)現(xiàn)N個(gè)相干光束的快速時(shí)變隨機(jī)相位調(diào)制，射頻驅(qū)動(dòng)電 源5的輸出由信號(hào)控制與計(jì)算成像模塊13控制，射頻驅(qū)動(dòng)電源5輸出電壓的最大值和最小 值分別對(duì)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(duì)每束光進(jìn)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(shí)變的散斑場(chǎng)，即贗熱光場(chǎng)，最后經(jīng)擴(kuò)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(hào)經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡10收集匯聚到光電探測(cè)器11，光電探測(cè)器11輸出的電信號(hào)由 信號(hào)采集模塊12進(jìn)行數(shù)字采樣，采樣數(shù)據(jù)傳送至信號(hào)控制與計(jì)算成像模塊13,完成參考光 場(chǎng)計(jì)算與成像處理。
[0042] 本發(fā)明的光纖束陣列7由剝?nèi)ネ獗Ｗo(hù)層的裸光纖集束而成，光纖束陣列可根據(jù)輸 出光場(chǎng)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(shí)施 例的光纖束陣列為N=SXS(S= 5)的方形陣列，單根裸纖模場(chǎng)直徑5微米。光電陣列探 測(cè)器采用高靈敏度、低像素的PIN或AH)陣列探測(cè)器，如圖3所示，本實(shí)施例的光電陣列探 測(cè)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(zhǎng)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(dòng)電源輸出信號(hào)的 變化頻率一致。本實(shí)施例的脈沖激光器1采用波長(zhǎng)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(dòng)電源輸出25路隨機(jī)電壓信號(hào)至電光相位調(diào)制器，