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热光高阶鬼成像研究

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《激光与光电子学进展杂志》2016年第四期

摘要:

鬼成像作为一项新型成像机制,目前已成为光学成像领域的研究热点。为了探讨光场的高阶关联对于切向运动目标鬼成像的影响,将热光高阶涨落鬼成像理论应用于切向运动目标鬼成像的研究中,并对所得结果进行了数值模拟和仿真实验,给出了相关仿真图像。结果表明,采用高阶涨落关联研究方法研究切向运动目标鬼成像,随着参考光束的阶数增加,光场的高阶关联将会极大的增加背景涨落的噪声,导致图像重建质量变差,而信号光束的阶数增加对成像质量影响较小,总的来说,最低阶的鬼成像得到的鬼像质量最好。

关键字:

鬼成像,高阶关联,切向运动目标,成像质量

1引言

鬼成像(GhostImaging),也称为关联成像,是一种不同于传统成像方式的新型成像技术,已经成为了量子成像领域的热点[1-7]。作为一种非局域成像,对于鬼成像的研究经历了从使用量子纠缠光源[1,2]产生“鬼像”进展到可以利用经典热光源[3,4]实现鬼成像的发展过程。由于热光光源获取简单,更利于实际的应用,已经成为了鬼成像领域中研究的重点之一。经过近十年的发展,鬼成像的实用化研究已经迈出了重要的一步,上海光机所韩申生小组[8]研究的GISC雷达已经可以成像距离在km量级远处的实际物体,并且重建图像的质量已经极大的改善。但是,之前的许多研究主要针对静止目标,由于实际应用过程中目标和成像系统间大部分是运动的,所以研究运动目标的鬼成像性质的实践意义巨大。

在传统光学成像中,目标与成像系统间的相对运动将会导致成像质量的急剧下降,对于鬼成像也有理论和实验得到相似的结论[9]。运动目标的鬼成像研究,现在的研究主要分为两个方向,一是切向运动,二是轴向运动,对于前者,研究人员指出可以使用准静态估计[9]的方法将切向运动过程进行分段研究,即在满足一定条件下,每一段过程中目标相对于成像系统可看做是静止的,给出了切向运动目标鬼成像的研究思路。对于后者,研究人员将轴向相关深度[10]的研究结论应用在轴向运动目标鬼成像研究中,给出了轴向运动目标的计算模型和实验验证[11]。同时,研究人员也提出了相应克服鬼成像运动模糊的方法:在文献[12]中,研究人员提出基于参考光路CCD探测器记录的光场强度分布平移补偿进而提高运动目标鬼成像分辨率的方案,获取了运动目标的高分辨率鬼成像重建图像[12]。在文献[13]中,他们提出了一个不受目标运动影响的成像方案,即傅里叶变换鬼衍射可以很好的消除目标抖动造成的运动模糊[13]。随着高阶鬼成像的提出,研究人员普遍认为,鬼成像的可见度随着阶数的增加而提高,成像阶数越大,成像效果越好[14-16]。而此前切向运动目标鬼成像研究使用的是二阶鬼成像方案,并没有研究人员探究多光场的高阶关联对于运动目标鬼成像的影响。本文将高阶鬼成像方案运用于切向运动目标鬼成像性质研究中,推导了切向运动目标的高阶鬼成像计算模型,并用计算机仿真了实验过程,从理论和仿真实验中分析了不同信号光束和参考光束的阶数对对于切向运动目标鬼成像质量的影响,为研究切向运动目标鬼成像提供了一种新的思路。

2理想热光高阶强度涨落的切向运动目标鬼成像模型

传统的无透镜热光鬼成像系统由两路光路构成。激光束经旋转毛玻璃调制后,形成赝热光源,赝热光源经过一个非偏振性的分束棱镜BS后分成两束光。其中一束通过物体后,传播到一个无分辨的桶探测器上,成为信号光路,另一束经过自由空间传播后到达一个具有分辨率的CCD探测器上,成为参考光路,当物体与桶探测器距离可忽略不计,且1zz时,那么通过对两个探测器探测到的光场强度进行关联,可得到物体的实空间像。研究人员对于切向运动目标的鬼成像研究主要采用如图1所示的实验原理图。这里的目标是可以沿着信号光路切向(也就是图中显示的速度方向)运动。对于图1的鬼成像系统,研究人员指出,两个探测器上的强度涨落应用的是信号光场和参考光场的二阶关联。而参照光场二阶关联理论,很容易类推出光场的高阶关联理论,将高阶关联理论,并将之运用在鬼成像中就形成了高阶鬼成像。

3数值模拟与分析

为了验证以上的理论推导,我们进行了数值模拟和计算机仿真实验。设置光源波长为632.8nm,光源的横向尺寸为D3mm,光源平面到CCD探测平面的距离z600mm,使用的模拟目标为纯振幅透射双缝,如图3(a)所示,目标大小为3080pixels,透光区域为305pixels,首先,作为对比,我们给出了阶数m1,n1时静止目标鬼成像重建图像,如图3(b)所示;然后我们设定目标沿信号光路切向做匀速运动,速度为v0.002pixels/sampling,它的含义为每完成500次采样,目标运动1个像素,采样次数为5000。然后我们仿真了在阶数m和n分别为1、2、4的情况下切向运动目标的鬼像m,nG重建结果。结果如图4所示。结合图2、图3,由于目标的运动,在参考CCD探测器上将会得到的是目标的一个拖影,显然,目标的运动导致了鬼成像质量严重下降;由图3、图4可以看出,当参考光束的幂次阶数n不变而信号光束的幂次阶数m增加时,目标鬼成像的成像质量并没有明显差别;而当信号光束的幂次阶数m不变而参考光束的幂次阶数n增加时,目标鬼成像的成像质量出现了明显差别,参考光束的幂次阶数n增加会使目标成像质量大幅下降。综上所述,我们可以发现,切向运动目标的鬼成像在阶数为m1,n1所得的图像质量最好,这是因为鬼成像是基于统计平均计算出来的图像,所以增加信号光束的阶数对应增加了鬼成像的信号项,而增加参考光束的阶数对应增加鬼成像的背景项,当参考光束的阶数增加时,背景噪声将会极大的增加,导致图像信号完全淹没在背景涨落的噪声中,而且目标物体运动时鬼成像过程中的采样不足,也极大的增加了噪声。这与文献[14]-[16]所得的结果并不相同,这是因为本文中所采用的高阶关联是消除背景项的BSGI方式,而文献[14]-[16]中所采用的高阶关联并没有消除背景项,所以会得到关联阶数的增加将会得到鬼成像质量增加的结果,本文所采用的BSGI研究方法,可以消除一些随机因素,得到更佳的研究效果。

4结论

提出了利用光场的高阶关联理论研究运动目标鬼成像,结合切向运动目标这一具体运动方式,对基于高阶鬼成像的切向运动目标鬼成像图像质量进行了数值模拟和仿真实验。结果表明,随着信号光束幂次阶数的增加,切向运动目标鬼成像重建质量差距不大,而当参考光束幂次阶数增加时,光场的高阶关联将会极大的增加背景涨落的噪声,导致鬼成像重建质量变差,反而最低阶的鬼成像得到的成像质量最好。对于切向运动目标鬼成像研究来说,最低阶鬼成像更适用于实际情况。

作者:梁振宇 樊祥 程正东 朱斌 施展 单位:脉冲功率技术国家重点实验室 合肥电子工程学院

激光与光电子学进展杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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