熱光高階鬼成像研究范文

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《激光與光電子學進展雜志》2016年第四期

摘要：

鬼成像作為一項新型成像機制，目前已成為光學成像領域的研究熱點。為了探討光場的高階關聯對于切向運動目標鬼成像的影響，將熱光高階漲落鬼成像理論應用于切向運動目標鬼成像的研究中，并對所得結果進行了數值模擬和仿真實驗，給出了相關仿真圖像。結果表明，采用高階漲落關聯研究方法研究切向運動目標鬼成像，隨著參考光束的階數增加，光場的高階關聯將會極大的增加背景漲落的噪聲，導致圖像重建質量變差，而信號光束的階數增加對成像質量影響較小，總的來說，最低階的鬼成像得到的鬼像質量最好。

關鍵字：

鬼成像，高階關聯，切向運動目標，成像質量

1引言

鬼成像（GhostImaging），也稱為關聯成像，是一種不同于傳統成像方式的新型成像技術，已經成為了量子成像領域的熱點[1-7]。作為一種非局域成像，對于鬼成像的研究經歷了從使用量子糾纏光源[1,2]產生“鬼像”進展到可以利用經典熱光源[3,4]實現鬼成像的發展過程。由于熱光光源獲取簡單，更利于實際的應用，已經成為了鬼成像領域中研究的重點之一。經過近十年的發展，鬼成像的實用化研究已經邁出了重要的一步，上海光機所韓申生小組[8]研究的GISC雷達已經可以成像距離在km量級遠處的實際物體，并且重建圖像的質量已經極大的改善。但是，之前的許多研究主要針對靜止目標，由于實際應用過程中目標和成像系統間大部分是運動的，所以研究運動目標的鬼成像性質的實踐意義巨大。

在傳統光學成像中，目標與成像系統間的相對運動將會導致成像質量的急劇下降，對于鬼成像也有理論和實驗得到相似的結論[9]。運動目標的鬼成像研究，現在的研究主要分為兩個方向，一是切向運動，二是軸向運動，對于前者，研究人員指出可以使用準靜態估計[9]的方法將切向運動過程進行分段研究，即在滿足一定條件下，每一段過程中目標相對于成像系統可看做是靜止的，給出了切向運動目標鬼成像的研究思路。對于后者，研究人員將軸向相關深度[10]的研究結論應用在軸向運動目標鬼成像研究中，給出了軸向運動目標的計算模型和實驗驗證[11]。同時，研究人員也提出了相應克服鬼成像運動模糊的方法：在文獻[12]中，研究人員提出基于參考光路CCD探測器記錄的光場強度分布平移補償進而提高運動目標鬼成像分辨率的方案，獲取了運動目標的高分辨率鬼成像重建圖像[12]。在文獻[13]中，他們提出了一個不受目標運動影響的成像方案，即傅里葉變換鬼衍射可以很好的消除目標抖動造成的運動模糊[13]。隨著高階鬼成像的提出，研究人員普遍認為，鬼成像的可見度隨著階數的增加而提高，成像階數越大，成像效果越好[14-16]。而此前切向運動目標鬼成像研究使用的是二階鬼成像方案，并沒有研究人員探究多光場的高階關聯對于運動目標鬼成像的影響。本文將高階鬼成像方案運用于切向運動目標鬼成像性質研究中，推導了切向運動目標的高階鬼成像計算模型，并用計算機仿真了實驗過程，從理論和仿真實驗中分析了不同信號光束和參考光束的階數對對于切向運動目標鬼成像質量的影響，為研究切向運動目標鬼成像提供了一種新的思路。

2理想熱光高階強度漲落的切向運動目標鬼成像模型

傳統的無透鏡熱光鬼成像系統由兩路光路構成。激光束經旋轉毛玻璃調制后，形成贗熱光源，贗熱光源經過一個非偏振性的分束棱鏡BS后分成兩束光。其中一束通過物體后，傳播到一個無分辨的桶探測器上，成為信號光路，另一束經過自由空間傳播后到達一個具有分辨率的CCD探測器上，成為參考光路，當物體與桶探測器距離可忽略不計，且1zz時，那么通過對兩個探測器探測到的光場強度進行關聯，可得到物體的實空間像。研究人員對于切向運動目標的鬼成像研究主要采用如圖1所示的實驗原理圖。這里的目標是可以沿著信號光路切向（也就是圖中顯示的速度方向）運動。對于圖1的鬼成像系統，研究人員指出，兩個探測器上的強度漲落應用的是信號光場和參考光場的二階關聯。而參照光場二階關聯理論，很容易類推出光場的高階關聯理論，將高階關聯理論，并將之運用在鬼成像中就形成了高階鬼成像。

3數值模擬與分析

為了驗證以上的理論推導，我們進行了數值模擬和計算機仿真實驗。設置光源波長為632.8nm，光源的橫向尺寸為D3mm，光源平面到CCD探測平面的距離z600mm，使用的模擬目標為純振幅透射雙縫，如圖3（a）所示，目標大小為3080pixels，透光區域為305pixels，首先，作為對比，我們給出了階數m1，n1時靜止目標鬼成像重建圖像，如圖3（b）所示；然后我們設定目標沿信號光路切向做勻速運動，速度為v0.002pixels/sampling，它的含義為每完成500次采樣，目標運動1個像素，采樣次數為5000。然后我們仿真了在階數m和n分別為1、2、4的情況下切向運動目標的鬼像m,nG重建結果。結果如圖4所示。結合圖2、圖3，由于目標的運動，在參考CCD探測器上將會得到的是目標的一個拖影，顯然，目標的運動導致了鬼成像質量嚴重下降；由圖3、圖4可以看出，當參考光束的冪次階數n不變而信號光束的冪次階數m增加時，目標鬼成像的成像質量并沒有明顯差別；而當信號光束的冪次階數m不變而參考光束的冪次階數n增加時，目標鬼成像的成像質量出現了明顯差別，參考光束的冪次階數n增加會使目標成像質量大幅下降。綜上所述，我們可以發現，切向運動目標的鬼成像在階數為m1，n1所得的圖像質量最好，這是因為鬼成像是基于統計平均計算出來的圖像，所以增加信號光束的階數對應增加了鬼成像的信號項，而增加參考光束的階數對應增加鬼成像的背景項，當參考光束的階數增加時，背景噪聲將會極大的增加，導致圖像信號完全淹沒在背景漲落的噪聲中，而且目標物體運動時鬼成像過程中的采樣不足，也極大的增加了噪聲。這與文獻[14]-[16]所得的結果并不相同，這是因為本文中所采用的高階關聯是消除背景項的BSGI方式，而文獻[14]-[16]中所采用的高階關聯并沒有消除背景項，所以會得到關聯階數的增加將會得到鬼成像質量增加的結果，本文所采用的BSGI研究方法，可以消除一些隨機因素，得到更佳的研究效果。

4結論

提出了利用光場的高階關聯理論研究運動目標鬼成像，結合切向運動目標這一具體運動方式，對基于高階鬼成像的切向運動目標鬼成像圖像質量進行了數值模擬和仿真實驗。結果表明，隨著信號光束冪次階數的增加，切向運動目標鬼成像重建質量差距不大，而當參考光束冪次階數增加時，光場的高階關聯將會極大的增加背景漲落的噪聲，導致鬼成像重建質量變差，反而最低階的鬼成像得到的成像質量最好。對于切向運動目標鬼成像研究來說，最低階鬼成像更適用于實際情況。

作者：梁振宇 樊祥 程正東 朱斌 施展 單位：脈沖功率技術國家重點實驗室 合肥電子工程學院