CN210119571U - 一种抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像*** - Google Patents
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Abstract
为解决现有技术存在的在利用傅里叶成像***成像时，对激光光源稳定性要求过高，导致工程中很难达到或成本过高，或者由于采样时间加长导致成像时效性变差，使得成像***使用范围受到限制的技术问题，本实用新型提出一种抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像***，通过激光分束器把激光分为主光束和辅助光两束，主光束用于扫描目标表面，由目标表面反射并转换为激光回波电信号进而得到相位闭合系数；辅助光用于检测光强值，然后计算得到光强波动比例系数矩阵进而得到光强扰动因子，利用光强扰动因子和相位闭合系数，通过频谱重建算法求解得到消除光强波动的频谱分量，最后通过图像重建得到抑制激光光强波动进而避免像质退化效应的图像。
Description
技术领域
本实用新型涉及主动成像，具体涉及一种抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像***。
背景技术
激光干涉场成像是一种新型高分辨主动成像技术，如图1所示，通过主动发射多束相干激光照射扫描目标表面，扫描目标表面反射的激光回波信号经接收***信号解调，相位闭合抑制湍流扰动影响后，重构目标高分辨图像。同常规光学成像相比，具有分辨率高、作用距离远、主动性强等特点，可推广应用于空间远程暗弱目标探测等领域，对于开展研究有着重要意义和广阔的应用前景。
现有的主动成像***，包括激光发射单元、激光回波信号接收单元；其中，激光发射单元包括发射信息处理计算机、激光发射阵列；激光回波信号接收单元包括探测器接收模块、图像重建模块；发射信息处理计算机用于设置各频谱采样点的发射孔径间距和激光发射方向；激光发射阵列用于根据发射信息处理计算机的控制运动到对应的频谱采样点位置后发射激光扫描目标表面，目标表面反射激光回波光信号，探测器接收模块用于接收激光回波光信号并将其转换为激光回波电信号；图像重建模块用于接收探测器接收模块接收到的激光回波电信号，当采集完激光发射阵列上所有频谱采样点后，将激光回波电信号进行解调处理并求解得到相位闭合系数；利用相位闭合系数，通过频谱迭代得到高阶频谱分量，并利用高阶频谱分量经逆傅里叶变换重建目标图像。
即现有的主动成像***是通过激光发射阵列发射激光照射目标，再经过后续迭代重建频谱分量进行成像。由于激光光强波动直接影响迭代频谱分量的求解精度，进而影响最后的成像质量，严重时甚至无法重建目标图像。因此，激光束光强波动是影响激光相干场成像像质的一个重要因素。
由于激光光束的光强随时间和空间的波动性对成像像质影响较大，为获得较好的成像质量，现有激光成像***主要通过以下两种技术途径消除激光束光强波动对成像像质的影响：方法一，采用高稳定功率激光光源，保证光束光强稳定；方法二，成像采样时，增加频谱采样时间，通过求平均的方法，消除激光光强波动效应。以上两种方法，可在一定程度上消除激光光束光强波动对像质的影响。
但对方法一而言，对激光光源要求为窄线宽、高稳定性，这在实际工程中很难达到，即便能够达到，在工程实现中也存在难度极大、成本很高的问题；对方法二而言，采样时间的加长导致成像时效性变差，使得这种成像***的使用范围受到限制。
发明内容
为解决现有技术存在的在利用傅里叶成像***成像时，对激光光源稳定性要求过高，导致工程中很难达到或成本过高，或者由于采样时间加长导致成像时效性变差，使得成像***使用范围受到限制的技术问题，本实用新型提出一种抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像***。
由于目前国内外尚不清楚激光束光强波动对成像像质的影响机理，因而现有激光光强波动(扰动)抑制方法无法从源头上消除激光光强波动对像质的降质影响。本实用新型建立了激光光强对频谱分量的影响理论模型，揭示了激光光强波动对像质产生影响的机理，并基于这个模型和基本影响规律，提出了一种高效的可抑制激光束光强波动对像质产生影响的高分辨主动成像***。
本实用新型的发明构思为：在激光发射端，通过激光分束器把激光分为主光束和辅助光两束，主光束用于扫描目标表面，由目标表面反射激光回波光信号进而得到相位闭合系数；辅助光用于检测光强值，然后由图像重建模块计算得到光强波动比例系数矩阵，利用光强波动比例系数矩阵和相位闭合系数，通过频谱重建算法求解得到消除光强波动的频谱分量，最后通过图像重建得到抑制激光光强波动进而避免像质退化效应的图像。
为达到上述目的，本实用新型提供的技术解决方案如下：
一种抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像***，如图2所示，包括激光发射单元、激光回波信号接收单元，所述激光发射单元包括发射信息处理计算机、激光发射阵列；所述激光回波信号接收单元包括探测器接收模块和图像重建模块；其特征在于：还包括时统单元和光强测试仪，所述激光发射单元还包括激光分束器；
所述时统单元用于同步控制所述发射信息处理计算机、所述激光发射阵列、所述光强测试仪和所述探测器接收模块；
所述激光分束器用于将从所述激光发射单元获取的激光分为主光束和辅助光两束；主光束用于扫描目标表面，并经过目标表面反射得到激光回波光信号，激光回波光信号进入探测器接收模块，由探测器接收模块输出相应的激光回波电信号；辅助光被光强测试仪接收；
图像重建模块用于根据从探测器接收模块获取的激光回波电信号和从光强测试仪获取的辅助光光强值重建目标图像；具体是：根据辅助光光强值计算多次采样的剪切光束与固定光束的光强值之比，建立光强比例系数矩阵，进而计算出每次采样的光强扰动因子；所述固定光束是每次采样中从同一激光发射孔发出的激光束，所述剪切光束是与固定光束相邻的光束；将所述激光回波信号进行解调并求解得到相位闭合系数；利用所述相位闭合系数和所述光强扰动因子，通过频谱迭代，得到抑制激光光强波动后的高阶频谱分量，将高阶频谱分量经逆傅里叶变换重建目标图像。
本实用新型相比现有技术的有益效果为：
本实用新型提出的抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像***，是一种激光高分辨成像***，有效抑制了激光光强波动对重建图像的降质效应，提高了***成像像质，同时降低了激光干涉场成像过程中，对于发射激光光束光强稳定性的要求，进而降低了***实现难度。具体为：
1、采用该***成像时，通过时统单元实现***激光发射与激光回波接收的同步控制。通过添加激光分束器将激光进行分束，主光束扫描目标表面，同时光强测试仪可以检测辅助光光强，主光束与辅助光来自同一光束，二者光强值相同，通过光强测试仪获得了激光束的光强值，为后续求解光强比例系数，消除激光光强波动降质效应做准备；
2、从激光选用的角度讲，本实用新型放宽了激光光源对光强稳定性的要求，降低了激光发射***的研制难度和成本；
3、同现有长时间采样取平均的方法相比，本实用新型的***具有抑制激光光强波动彻底，像质效果提升明显，实现简单方便的特点。本实用新型的***可实时准确测量得到激光束光强波动的光强比例系数，并在图像重建算法中，利用实时测量得到的光强波动的光强比例系数得到光强扰动因子，消除激光光强波动效应对频谱分量和成像质量的降质影响效应，进而提升成像质量。
附图说明
图1为现有激光主动成像原理示意图；
图2为本实用新型抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像***示意图；
图3为本实用新型抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像方法流程图；
图4为本实用新型抑制激光光强波动前后的重建图像效果对比图，图a为原始输入图像，图b为未抑制激光光强波动的图像直接重建效果图，图c为采用本实用新型的***抑制激光光强波动后的图像重建效果图；
图5为本实用新型频谱重建示意图；
图6为本实用新型三光束相位闭合示意图。
具体实施方式
下面以三光束激光成像***为例，结合附图对本实用新型作进一步地说明。
1)实时获取光强值与实时接收激光回波信号
开启时统单元，由时统单元同步信号统一控制发射信息处理计算机，发射信息处理计算机通过设置第1频谱采样点的3个激光发射孔的孔径间距和激光发射方向来控制激光发射阵列发射激光，此时，激光发射阵列从第1频谱采样点发射激光(其中包含3个激光发射孔分别发射的光束1、光束2和光束3)给激光分束器，激光分束器将该激光分成主光束和辅助光两束，其中主光束用于扫描目标表面(探测目标)，辅助光用于作为光强测试仪的输入(即被光强测试仪接收)来测量从第1频谱采样点发出激光光束中各个光束的光强值，从而完成从第1频谱采样点采样。具体测量过程为：在时统单元的同步信号控制下，开启光强测试仪实时测量第1频谱采样点在t1时刻时，光束1的光强值Q1-t1和光束2的光强值Q2-t1。后续只需要测量光束2在各个时刻的光强值，并计算其与光束1在t1时刻的光强值之比。
先定义光束1、光束2、光束3。光束1为固定光束，即每次采样中从同一激光发射孔发出的激光束，光束2为固定光束的相邻光束，为剪切光束，对于光强波动起主要影响；另外的光束为光束3，即移动光束，并在频谱采样过程中，光束序号保持不变，光束1、光束2、光束3位置关系如图5相所示；同时再用大面积低光学质量要求的接收阵列***(探测器接收模块)接收目标激光回波光信号并将其转换为激光回波电信号，经目标反射的激光回波光信号中包含了目标傅里叶频谱分量信息，图像重建模块获取探测器接收模块提供的激光回波电信号。
因此，除了在t1时刻需要检测第1频谱采样点发射激光中光束1和光束2的光强值外，对于其余时刻只需要检测光束2的光强值即可。这是因为本方法只与第1频谱采样点光束1(固定光束)光强值Q1-t1有关，故不需测其它频谱采样点固定光束的光强值。
一个频谱采样点对应一个时刻，即第1频谱采样点对应t1时刻，第2频谱采样点对应t2时刻，依次类推，也就是说，每一个时刻只有一个频谱采样点发射激光。同时，第1频谱采样点的主光束扫描目标表面后由目标表面反射经由探测器接收模块接收并转换得到其激光回波电信号S(t)，在时统单元同步信号控制下，探测器接收模块接收该激光回波电信号S(t)。
(光强值Q1-t1说明：下标1-表示光束1，下标t1-表示第1频谱采样点，Q1-t1表示第1频谱采样点光束1的光强值；2—表示光束2，t1—表示第1频谱采样点，Q2-t1表示第1频谱采样点的光束2的光强值；其余频谱采样点的光强值表示同理。)
按照上述步骤，继续依次测量激光发射阵列上第2频谱采样点、第3频谱采样点直至第n频谱采样点的光束2的光强值，以上光强值测量是为了获取光束2在不同时刻(即不同频谱采样点)的光强值Q2-t2、Q2-t3、……、Q2-tn。直到激光发射阵列上所有频谱采样点发射激光的相应的激光回波电信号S(t)和光束2的光强值全部采集完毕，采样则结束。
2)获取光强比例系数矩阵
图像重建模块从光强测试仪获取步骤1)中实时测量得到的所有频谱采样点(即所有时刻)发射的光束2的光强值Q2-t1、Q2-t2、Q2-t3、……、Q2-tn以及第1频谱采样点(即t1时刻)光束1的光强值，然后计算并记录存储每束激光中两两光束间的光强比例系数，光强比例系数的计算过程具体为：
计算第1频谱采样点，光束2与t1时刻光束1的光强比例系数：
k1_12＝Q2-t1/Q1-t1＝A2(t1)2/A1(t1)2
(光强比例系数说明：k1_12下标说明，1-表示第1频谱采样点，12-表示光束2相对光束1；k1_12表示第1频谱采样点光束2相对光束1的光强比例系数；A2(t1)为第1频谱采样点光束2对应的瞬时光强振幅；A1(t1)为第1频谱采样点光束1对应的瞬时光强振幅；其余频谱采样点比例系数表示同理。)
同理，计算第2频谱采样点，光束2与t1时刻光束1的光强比例系数：
k2_12＝Q2-t2/Q1-t1＝A2(t2)2/A1(t1)2
依次计算第3频谱采样点、……、第n频谱采样点的光强比例系数：
k3_12＝Q2-t3/Q1-t1＝A2(t3)2/A1(t1)2
……
kn_12＝Q2-tn/Q1-t1＝A2(tn)2/A1(t1)2
由所有频谱采样点(即第1频谱采样点至第n频谱采样点)的光束2相对t1时刻光束1的光强比例系数得到所有频谱采样点的光束2相对t1时刻光束1的光强比例系数矩阵M：
M＝[k1_12k2_12…kn_12]
利用光强比例系数矩阵M中的光强比例系数消除光强扰动因子(光强扰动因子为不同时刻光束2的瞬时光强振幅的平方，即剪切光束的平方，表示为A2(tn)2)，结合步骤3)得到的相位闭合系数R12n，根据频谱重建原理，由低阶频谱分量逐级重建得到高阶频谱分量O1n，高阶频谱分量O1n表达式：
O1n＝N·A2(tn)2·(O12·O2n)/R12n
求解抑制激光光强波动的频谱分量的具体过程如下：
利用步骤2)得到的光强比例系数矩阵M，计算得到光强扰动因子A2(tn)2
由于，k1_12＝Q2-t1/Q1-t1＝A2(t1)2/A1(t1)2；
将A1(t1)2当作常数因子C＝A1(t1)2处理，该常数因子不影响后续激光回波信号处理结果,因此所有时刻下，t1时刻光束1和光束2瞬时光强振幅比例关系如下所示：
A2(t1)2＝k1_12·A1(t1)2；
A2(t2)2＝k2_12·A1(t1)2；
A2(t3)2＝k3_12·A1(t1)2；
A2(t4)2＝k4_12·A1(t1)2；
……
A2(tn)2＝kn_12·A1(t1)2
3)求解相位闭合系数
将步骤1)得到的激光回波电信号S(t)解调得到回波解调信号Pij，再由回波解调信号Pij求解，得到相位闭合系数R12n，具体步骤为：
一个频谱采样点发射的激光(包含光束1、光束2和光束3)对R处目标扫描后反射的激光回波电信号S(t)可表示为激光回波光强信号I(x,y,t)与目标强度反射函数O(x,y)的卷积：
S(t)＝∫∫I(x,y,t)O(x,y)dxdy
设采样周期为T、采样点数为N、信号频差为Δωij，当满足条件NΔωijT＝2nπ时，将激光回波信号S(t)进行离散采样简化处理，得到三光束两两拍频后的三组拍频回波解调信号Pij：
其中，Pij为回波解调信号；k为激光回波信号离散采样点序号；M(kT)为一个采样周期内的离散采样数据；Oij为频谱分量；光束i和光束j的光强振幅分别为Ai和Aj。
由大气湍流扰动引起的像质退化效应，通过相位闭合技术对加以抑制。三光束相位闭合技术的原理，由相位闭合技术可逐次求解得到各阶相位闭合系数R12n，其通用表达式为：
n指第n频谱采样点，其取值为3、4、5、……、n-1、n；
其中，A2(tn)为光束2在tn时刻的瞬时光强振幅，由于大气湍流扰动会引起光强值随时间随机变化，因此，相位闭合系数R12n为随光束光强和时间变化的随机变量。
4)抑制激光光强波动的频谱求解
将光强扰动因子A2(tn)2代入频谱分量O1n表达式，结合相位闭合系数R12n，根据频谱重建原理，重建低阶频谱分量：
O13＝N·A2(t3)2·(O12·O23)/R123
＝N·k3_12·A1·(t1)2·(O12·O23)/R123
由低阶频谱分量O12逐级重建，得到高阶频谱分量O1n：
O14＝C·N·k3_12·(O12·O23)/R123
由于O24＝O13，O12＝O23，得到：
O14＝N·k4_12·A1(t1)2·(O12·O13)/R124
＝N·k4_12·A1(t1)2·(O12·(N·A2(t3)2·(O12·O23)/R123))/R124
＝N·k4_12·A1(t1)2·(O12·(N·(k3_12·A1(t1)2)(O12·O23)/R123))/R124
＝N2·(k3_12·k4_12)·(A1(t1)2·A1(t1)2)·(O12 2·O23)/R123·R124
＝C2·N2·(k3_12·k4_12)·(O12 3)/R123·R124
通过迭代递推，重建得到精确求解的高阶频谱分量O1n：
5)重建目标高分辨图像
最后高阶频谱分量O1n逆傅里叶重建目标高分辨图像，由于频谱分量O1n逆傅立叶重建图像为常规技术手段，本实用新型不再详细论述，由下式逆傅立叶重建得到消除激光光强波动降质效应的图像I：
I＝F-1(O1n)
本实用新型通过定性和定量的测试方法来表征和验证本实用新型的主动成像***抑制激光光强波动后的像质提升效果，首先分别给出了原始输入图像、未抑制激光光强波动(抖动或扰动)的直接重建图象和采用本实用新型的***及方法抑制激光光强波动后的重建图像来进行定性表征，然后通过分别计算激光光强波动下的图像直接重建图和采用本实用新型的***抑制激光光强波动后的图像重建图的图像像质评价指标斯特列尔比，来定量化评估本实用新型的成像***抑制激光光强波动之后对于像质提升的有效性和实际效果。
从图4定性表征的直观视觉效果来看，图c的采用本实用新型的***抑制激光光强波动后的图像重建效果图相比图b的未抑制激光光强波动的图像直接重建效果图，图像重建效果效果更好，具体表现为：背景灰度更均匀，像质更清晰，图像信噪比更高。
表1.抑制激光光强波动前后图像重建的像质指标对比表
| 图像重建的像质指标对比 | 未抑制激光光强波动 | 抑制激光光强波动 |
| 图像斯特列尔比 | 16.3％ | 31.6％ |
从表1的定量表征来看，抑制激光光强波动后重建图像的斯特列尔比相比于未抑制激光光强波动直接重建图像的斯特列尔提高了约15.3％。
综合以上定性和定量测试结果得出的结论为：本实用新型的成像***可有效抑制激光光强波动导致的降质效应，从而提高重建图像的成像质量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所保护技术方案的范围。
Claims (1)
1.一种抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像***，包括激光发射单元、激光回波信号接收单元，所述激光发射单元包括发射信息处理计算机、激光发射阵列；所述激光回波信号接收单元包括探测器接收模块和图像重建模块；其特征在于：还包括时统单元和光强测试仪，所述激光发射单元还包括激光分束器；
所述时统单元用于同步控制所述发射信息处理计算机、所述激光发射阵列、所述光强测试仪和所述探测器接收模块；
所述激光分束器用于将从所述激光发射单元获取的激光分为主光束和辅助光两束；主光束用于扫描目标表面，并经过目标表面反射得到激光回波光信号，激光回波光信号进入探测器接收模块，由探测器接收模块输出相应的激光回波电信号；辅助光被光强测试仪接收；
图像重建模块用于根据从探测器接收模块获取的激光回波电信号和从光强测试仪获取的辅助光光强值重建目标图像。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN109581409A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-04-05 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像***及方法 |
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2018
- 2018-12-12 CN CN201822085516.7U patent/CN210119571U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109581409A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-04-05 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种抑制激光光强波动像质退化效应的主动成像***及方法 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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