CN113534099B - 一种opa扫描动态成像方法及成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种OPA扫描动态成像方法及成像***，该方法包括：获取目标扫描回波信号，根据目标扫描回波信号，得到目标的第一移动速度分量和第二移动速度分量；结合第一移动速度分量和第二移动速度分量，计算得到目标的参考光场；获取目标光强回波信号，根据目标光强回波信号，得到目标的信号光场；根据参考光场和信号光场，利用鬼成像实现目标的成像。本发明的OPA扫描动态成像方法，能够有限测量光场范围内物体的移动速度，而且能够实现超分辨率快速成像。
Description
技术领域
本发明属于LIDAR成像领域，具体涉及一种OPA扫描动态成像方法及成像***。
背景技术
光学相控阵(optical phased array，OPA)是LIDAR(激光雷达)技术的一类分支，由于其具有体积小，重量其、扫描速度快，易于集成的特点近些年来受到了广泛的关注。自OPA出现以来，研究者们针对其设计优化做了很多杰出的工作，主要是针对OPA的结构设计优化，采用不同的材料、优化设计结构等，针对OPA的扫描成像***几乎少有涉猎。
日本于2019年提出了利用OPA实现鬼成像，并通过实验验证了其可行性，在OPA的成像应用***中跨出了重要一步，但这种***是一种简单的用于原理验证的***，仅能工作在实验室内，且只能对静态目标实现成像，无法对动态目标实现成像。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种OPA扫描动态成像方法及成像***。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种OPA扫描动态成像方法，包括：
获取目标扫描回波信号，根据所述目标扫描回波信号，得到所述目标的第一移动速度分量和第二移动速度分量；
结合所述第一移动速度分量和所述第二移动速度分量，计算得到所述目标的参考光场；
获取目标光强回波信号，根据所述目标光强回波信号，得到所述目标的信号光场；
根据所述参考光场和所述信号光场，利用鬼成像实现目标的成像。
在本发明的一个实施例中，所述目标扫描回波信号为扫描光束经过所述目标后得到的回波信号；
所述目标光强回波信号为赝热光经过所述目标后得到的光强信号。
在本发明的一个实施例中，所述第一移动速度分量为所述目标在垂直于光传播方向的平面内的移动速度分量；
所述第二移动速度分量为所述目标在平行于光传播方向的移动速度分量。
在本发明的一个实施例中，获取目标扫描回波信号，根据所述目标扫描回波信号，得到所述目标的第一移动速度分量，包括：
步骤1：发射扫描光束，根据所述扫描光束的回波信号，判断是否探测到目标；
步骤2：响应于探测到所述目标，根据接收的所述目标扫描回波信号，通过目标范围判定算法，得到目标范围判定结果；其中，所述目标范围判定结果包括：目标范围和目标中心；
步骤3：加入时间延迟，以上一时刻的目标中心为基准，采用变步长法进行光束扫描，重复步骤1-步骤2，得到此刻的目标范围判定结果，根据相邻两时刻的所述目标范围判定结果，确定目标中心的位移量，得到目标速度；
步骤4：重复步骤3直至所述目标速度达到设定阈值或运行次数达到设定阈值，输出该目标速度，得到所述目标的第一移动速度分量。
在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：
响应于探测到所述目标，增大扫描步长再次进行扫描，再对所述扫描光束的回波信号进行分析，判断是否探测到目标；
若有探测到所述目标，则继续增大步长进行扫描并判断是否探测到目标，若没有探测到所述目标，则减小步长重新扫描并判断是否探测到目标，当扫描步长小于或等于扫描光束宽度时结束算法；
根据所述扫描步长，得到所述目标范围，根据所述目标范围得到所述目标中心。
在本发明的一个实施例中，获取目标扫描回波信号，根据所述目标扫描回波信号，得到所述目标的第二移动速度分量，包括：
根据所述目标扫描回波信号，利用多普勒频移算法，计算所述目标的第二移动速度分量。
本发明提供了一种OPA扫描动态成像***，包括：
OPA***，用于发射扫描光束以实现远场扫描，发射赝热光以实现鬼成像；
回波探测***，用于获取目标扫描回波信号和目标光强回波信号；
速度测量模块，用于根据所述目标扫描回波信号，得到所述目标的第一移动速度分量和第二移动速度分量；
计算成像模块，用于结合所述第一移动速度分量和所述第二移动速度分量，计算得到所述目标的参考光场；根据所述目标光强回波信号，得到所述目标的信号光场；根据所述参考光场和所述信号光场，利用鬼成像实现目标的成像。
在本发明的一个实施例中，OPA扫描动态成像***，还包括：
控制模块，用于在***的初始工作状态时，控制所述OPA发射光学***发射扫描光束以实现远场扫描，在速度测量完成后，控制所述OPA发射光学***发射赝热光以实现鬼成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的OPA扫描动态成像方法，将目标的移动速度分解为目标在垂直于光传播方向的平面内的移动速度分量和目标在平行于光传播方向的移动速度分量，并分别测量得到两个速度分量，利用这两种速度基于计算鬼成像的方式对空间光场调整，以实现鬼成像。
2.本发明的OPA扫描动态成像方法，能够有限测量光场范围内物体的移动速度，而且能够实现超分辨率快速成像。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种OPA扫描动态成像方法流程框图；
图2是本发明实施例提供的第一移动速度分量的计算流程示意图；
图3是本发明实施例提供的目标范围判定算法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的对第二移动速度分量的计算流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种OPA扫描动态成像***的结构框图；
图6是本发明实施例提供的OPA扫描动态成像***的工作示意图；
图7是本发明实施例提供的OPA扫描动态成像***的工作流程图；
图8是本发明方法的成像结果图；
图9是普通光学***的成像结果图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种OPA扫描动态成像方法及成像***进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请结合参见图1，图1是本发明实施例提供的一种OPA扫描动态成像方法流程框图，如图所示，本实施例的OPA扫描动态成像方法，包括：
获取目标扫描回波信号，根据目标扫描回波信号，得到目标的第一移动速度分量和第二移动速度分量；
结合第一移动速度分量和第二移动速度分量，计算得到目标的参考光场；
获取目标光强回波信号，根据目标光强回波信号，得到目标的信号光场；
根据参考光场和信号光场，利用鬼成像实现目标的成像。
本实施例的OPA扫描动态成像方法，将目标的移动速度分解为目标在垂直于光传播方向的平面内的移动速度分量和目标在平行于光传播方向的移动速度分量，并分别测量得到两个速度分量，利用这两种速度基于计算鬼成像的方式对空间光场调整，以实现鬼成像。
在本实施例中，目标扫描回波信号为扫描光束经过目标后得到的回波信号；目标光强回波信号为赝热光经过目标后得到的光强信号。
在本实施例中，第一移动速度分量为目标在垂直于光传播方向的平面内的移动速度分量；第二移动速度分量为目标在平行于光传播方向的移动速度分量。
请结合参见图2，图2是本发明实施例提供的第一移动速度分量的计算流程示意图，如图所示，具体地，获取目标扫描回波信号，根据目标扫描回波信号，得到目标的第一移动速度分量，包括：
步骤1：发射扫描光束，根据扫描光束的回波信号，判断是否探测到目标；
步骤2：响应于探测到目标，根据接收的目标扫描回波信号，通过目标范围判定算法，得到目标范围判定结果；其中，目标范围判定结果包括：目标范围和目标中心；
步骤3：加入时间延迟，以上一时刻的目标中心为基准，采用变步长法进行光束扫描，重复步骤1-步骤2，得到此刻的目标范围判定结果，根据相邻两时刻的目标范围判定结果，确定目标中心的位移量，得到目标速度；
步骤4：重复步骤3直至目标速度达到设定阈值或运行次数达到设定阈值，输出该目标速度，得到目标的第一移动速度分量。
在本实施例中，当当前时刻计算得到的目标速度与所有计算得到的目标速度的均方差之比小于设定的阈值，输出该目标速度，作为目标的第一移动速度分量，或者当上述算法的运行次数大于或等于设定的最大的运行次数时，停止运算，输出最后计算得到的目标速度，作为目标的第一移动速度分量，
需要说明的是，在本实施例中，加入时间延迟后，以上一时刻的目标中心为基准，采用变步长法进行光束扫描，可以减少扫描时间，能更快速有效的探测到目标。
进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的目标范围判定算法的流程示意图，如图所示，步骤2具体包括：
响应于探测到目标，增大扫描步长再次进行扫描，再对扫描光束的回波信号进行分析，判断是否探测到目标；
若有探测到目标，则继续增大步长进行扫描并判断是否探测到目标，若没有探测到目标，则减小步长重新扫描并判断是否探测到目标，当扫描步长小于或等于扫描光束宽度时结束算法；
根据扫描步长，得到目标范围，根据目标范围得到目标中心。
具体地，对于扫描步长进行解释：OPA的扫描光场是一个角度范围，对于2维OPA而言，假设光场范围为50°×50°，而OPA的空间分辨率为0.5°×0.5°。那么，将光场可以划分为100×100的矩阵。OPA是一种无惯性扫描的器件，因此对于扫描步长可以理解为，相邻两个扫描点的X，Y坐标的值的差值。因此，通过本实施例的方法，根据扫描步长，可以得到目标范围，从而根据目标范围得到目标中心。
在本实施中，采用自适应变步长的算法来实现对目标范围的迅速判定，这种算法不需要对目标的整体范围进行全部扫描，只需要对有限的几十个甚至几个点进行扫描即可测量目标的范围，大大减少了测量目标大小所要用的时间。
进一步地，请参见图4，图4是本发明实施例提供的对第二移动速度分量的计算流程示意图，如图所示，具体地，获取目标扫描回波信号，根据目标扫描回波信号，得到目标的第二移动速度分量，包括：根据目标扫描回波信号，利用多普勒频移的算法，计算目标的第二移动速度分量。
其中，多普勒频移算法，是通过测量计算得到两个时刻的目标扫描回波信号的频率之差(也就是多普勒频移)，由于多普勒频移正比于目标在平行于光传播方向的移动速度分量，也就是第二移动速度分量，从而根据测量计算得到得多普勒频移的大小，获得目标的第二移动速度分量。多普勒频移算法的具体计算步骤与现有多普勒测速***的多普勒频移测速算法一致，在此不再赘述。
进一步地，通过对目标的移动速度完成提取之后，在对参考光场进行计算时需要加入速度分量，符合目标的移动速度，这样才能保证参与成像计算的参考光场为这一时刻恰好照射在目标上的光场，这就需要动态的、实时的调整参与计算的参考光场，然后结合动态鬼成像算法对目标进行成像。
由于采用的是计算鬼成像的算法，能够通过计算的方式提前计算出目标所处空间对应光场分布(也就是参考光场)。首先，依照得到的目标移动速度的两个分量，结合目标移动速度的两个分量，计算出空间光场分布，得到目标的参考光场，然后根据目标光强回波信号，计算得到目标的信号光场(信号光强)，最后，根据参考光场与信号光强利用鬼成像算法进行成像。
具体地，关于鬼成像的原理，1995年Pittman等人设计的纠缠双光子成像的出现标志着鬼成像技术的正式诞生。其具体操作是将连续激光泵浦到BBO晶体上，发生参量下转换过程，产生一对正交偏振的光子对：信号光子(晶体的非寻常光)和参考光子(晶体的寻常光)。然后，利用棱镜将泵浦光和纠缠光子对分开，纠缠光子对经过一个对偏振敏感的分束器被分为两束，信号光被分束镜反射后经过一个透射型待测物体，然后由透镜收集到桶探测器中；参考光透过分束镜后，被一个在X-Y平面上进行扫描的“点”探测器收集到。最后对桶探测器和点探测器收集到的数据实施符合测量就可以还原出待测物体的像。这种特殊的成像手段并不像传统成像一样直接对待测物体的透射函数进行空间上一对一的直接测量，而是利用光束间的关联实施间接的测量，然后通过计算来恢复图像；除此之外，鬼成像的信号光路和参考光路是分离的。
由此可见，鬼成像技术是一种非局域的计算成像技术。具体到常见实验***，激光产生的相干光场经旋转的毛玻璃后变为随机散射光场，由分束器分为两束，其中一束光作为信号光经待测物体后由聚光透镜聚焦，最终由不具有分辨率的桶探测器测得其总强度；另一束光自由传播一段距离后，由具有分辨率的CCD相机探测其光场分布。两探测器测量到的光强做关联运算，就可以得到待测物体的像，可以计算光场的二阶关联函数。
关于计算成像的原理：计算鬼成像是一种经典光场鬼成像，它利用计算全息技术产生已知的关联光场，省去了探测光场分布的空闲光路，使得光学***结构更为简单，抵抗外界干扰的能力更强，像的重建更高效，成像效果更好，计算鬼成像继承了鬼成像在成像原理方面的重要特性，而且相比双光子对鬼成像和赝热源鬼成像，对其研究具有更为重要的实际应用价值。对应本实施例中采用OPA***作为赝热光源，该OPA***能够在特定的驱动电压下产生特定的输出光场分布，是一种非常适用于计算鬼成像的赝热光源。
在本实施例中，对于鬼成像和计算成像其具体的算法采用现有常见的算法，具体计算过程在此不再赘述。
本实施例的OPA扫描动态成像方法，能够有限测量光场范围内物体的移动速度，而且能够实现超分辨率快速成像。
实施例二
本实施例提供了一种OPA扫描动态成像***，适用于实施例一的OPA扫描动态成像方法。请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种OPA扫描动态成像***的结构框图，如图所示，本实施例的OPA扫描动态成像***，包括：
OPA***，用于发射扫描光束以实现远场扫描，发射赝热光以实现鬼成像；
回波探测***，用于获取目标扫描回波信号和目标光强回波信号；
速度测量模块，用于根据目标扫描回波信号，得到目标的第一移动速度分量和第二移动速度分量；
计算成像模块，用于结合第一移动速度分量和第二移动速度分量，计算得到目标的参考光场；根据目标光强回波信号，得到目标的信号光场；根据参考光场和信号光场，利用鬼成像实现目标的成像。
在本实施例中，目标扫描回波信号为扫描光束经过目标后得到的回波信号；目标光强回波信号为赝热光经过目标后得到的光强信号。
在本实施例中，第一移动速度分量为目标在垂直于光传播方向的平面内的移动速度分量；第二移动速度分量为目标在平行于光传播方向的移动速度分量。
进一步地，该OPA扫描动态成像***，还包括：
控制模块，用于在***的初始工作状态时，控制OPA发射光学***发射扫描光束以实现远场扫描，在速度测量完成后，控制OPA发射光学***发射赝热光以实现鬼成像。
在本实施例中，OPA***包括二维OPA发射单元和OPA发射光学***，其中，二维OPA发射单元以但不限于硅材料、GaAs-AlGaAs材料制备得到的；OPA发射光学***可以但不仅限于物镜、透镜组成。
可选地，回波探测***可以但不限于桶探测器、面阵探测器。可选地采用同一芯片完成速度测量和计算成像。
可选地，控制模块可采用外部控制电路，用于实现在***的初始工作状态时，控制OPA发射光学***发射扫描光束，在速度测量完成后，控制OPA发射光学***发射赝热光。具体电路结构在此不做限制。
进一步地，对本实施例的OPA扫描动态成像***的具体工作过程和原理进行说明，请结合参见图6和图7，图6是本发明实施例提供的OPA扫描动态成像***的工作示意图(其中速度测量模块、计算成像模块和控制模块图中未示出)；图7是本发明实施例提供的OPA扫描动态成像***的工作流程图。如图所示，本实施例的OPA扫描动态成像***分为两个工作状态，其中：***的初始工作状态为速度测量工作状态，在这种工作状态下外部控制电路对OPA加载顺序电压，此时，OPA能够实现对视场范围的顺序扫描。当有目标移动进入视场范围被OPA发出的光扫描到，由探测器测量信号反映出结果之后。***通过上述的速度测量算法对目标的移动速度进行计算得到目标移动速度的两个分量，然后分别将这两个速度分量反馈到上位机中，此时外部控制电路给OPA加载随即电压，再经由成像算法对空间光场分布进行计算，再结合探测器测量光强结果对目标进行鬼成像图像恢复，得到最终图像结果，实现对目标的快速成像。
本发明实施例提供的OPA扫描动态成像***，可以执行上述方法实施例，其具体实现步骤和原理以及技术效果类似，在此不再赘述。
实施例三
本实施例对实施例一的OPA扫描动态成像方法进行了实验验证，请参见图8和图9，图8是本发明方法的成像结果图；图9是普通光学***的成像结果图。如图所示，其中，成像目标为30m外尺寸为5mm的物体，从图中可以看出，本实施例的OPA扫描动态成像方法能够在30m的距离下实现对尺寸为5mm的物体成像，重要的是，我们采用的迭代算法运行了1000次但重建了444×512像素的目标像，这是一个远高于奈奎斯特采样定律的结果。从图9中的对比图可以看，普通光学***的成像结果图分辨率较低。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种OPA扫描动态成像方法，其特征在于，包括：
获取目标扫描回波信号，根据所述目标扫描回波信号，得到所述目标的第一移动速度分量和第二移动速度分量；其中，根据所述目标扫描回波信号，得到所述目标的第一移动速度分量，包括：
步骤1：发射扫描光束，根据所述扫描光束的回波信号，判断是否探测到目标；
步骤2：响应于探测到所述目标，根据接收的所述目标扫描回波信号，通过目标范围判定算法，得到目标范围判定结果；其中，所述目标范围判定结果包括：目标范围和目标中心；
步骤3：加入时间延迟，以上一时刻的目标中心为基准，采用变步长法进行光束扫描，重复步骤1-步骤2，得到此刻的目标范围判定结果，根据相邻两时刻的所述目标范围判定结果，确定目标中心的位移量，得到目标速度；
步骤4：重复步骤3直至所述目标速度达到设定阈值或运行次数达到设定阈值，输出该目标速度，得到所述目标的第一移动速度分量；
结合所述第一移动速度分量和所述第二移动速度分量，计算得到所述目标的参考光场；
获取目标光强回波信号，根据所述目标光强回波信号，得到所述目标的信号光场；
根据所述参考光场和所述信号光场，利用鬼成像实现目标的成像。
2.根据权利要求1所述的OPA扫描动态成像方法，其特征在于，
所述目标扫描回波信号为扫描光束经过所述目标后得到的回波信号；
所述目标光强回波信号为赝热光经过所述目标后得到的光强信号。
3.根据权利要求1所述的OPA扫描动态成像方法，其特征在于，
所述第一移动速度分量为所述目标在垂直于光传播方向的平面内的移动速度分量；
所述第二移动速度分量为所述目标在平行于光传播方向的移动速度分量。
4.根据权利要求1所述的OPA扫描动态成像方法，其特征在于，所述步骤2包括：
响应于探测到所述目标，增大扫描步长再次进行扫描，再对所述扫描光束的回波信号进行分析，判断是否探测到目标；
若有探测到所述目标，则继续增大步长进行扫描并判断是否探测到目标，若没有探测到所述目标，则减小步长重新扫描并判断是否探测到目标，当扫描步长小于或等于扫描光束宽度时结束算法；
根据所述扫描步长，得到所述目标范围，根据所述目标范围得到所述目标中心。
5.根据权利要求1所述的OPA扫描动态成像方法，其特征在于，获取目标扫描回波信号，根据所述目标扫描回波信号，得到所述目标的第二移动速度分量，包括：
根据所述目标扫描回波信号，利用多普勒频移算法，计算所述目标的第二移动速度分量。
6.一种OPA扫描动态成像***，其特征在于，包括：
OPA***，用于发射扫描光束以实现远场扫描，发射赝热光以实现鬼成像；
回波探测***，用于获取目标扫描回波信号和目标光强回波信号；
速度测量模块，用于根据所述目标扫描回波信号，得到所述目标的第一移动速度分量和第二移动速度分量；其中，根据所述目标扫描回波信号，得到所述目标的第一移动速度分量，包括：步骤1：发射扫描光束，根据所述扫描光束的回波信号，判断是否探测到目标；步骤2：响应于探测到所述目标，根据接收的所述目标扫描回波信号，通过目标范围判定算法，得到目标范围判定结果；其中，所述目标范围判定结果包括：目标范围和目标中心；步骤3：加入时间延迟，以上一时刻的目标中心为基准，采用变步长法进行光束扫描，重复步骤1-步骤2，得到此刻的目标范围判定结果，根据相邻两时刻的所述目标范围判定结果，确定目标中心的位移量，得到目标速度；步骤4：重复步骤3直至所述目标速度达到设定阈值或运行次数达到设定阈值，输出该目标速度，得到所述目标的第一移动速度分量；
计算成像模块，用于结合所述第一移动速度分量和所述第二移动速度分量，计算得到所述目标的参考光场；根据所述目标光强回波信号，得到所述目标的信号光场；根据所述参考光场和所述信号光场，利用鬼成像实现目标的成像。
7.根据权利要求6所述的OPA扫描动态成像***，其特征在于，还包括：
控制模块，用于在***的初始工作状态时，控制所述OPA发射光学***发射扫描光束以实现远场扫描，在速度测量完成后，控制所述OPA发射光学***发射赝热光以实现鬼成像。
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