[发明专利]一种基于大气散射介质调制的单像素成像方法

说明书

本发明公开了一种基于大气散射介质调制的单像素成像方法，包括：激光束进入大气散射介质，以大气散射介质作为空间调制器，计算当前条件下的大气散射介质的单次调制样式；在该调制样式下，大气反射方向的光经过透镜到达目标，桶探测器收集所有来自目标的光信号，获得探测值；随机改变激光束进入大气的传输方向，获得大气对光场调制的一系列不同的调制样式；以单次调制样式为行向量，将一系列不同的调制样式对应的行向量组成大气散射介质测量矩阵；并获得一系列不同的调制样式下对应的一系列探测值组成的测量向量；利用图像重构算法恢复目标信号。本发明的方法利用大气散射介质作为单像素成像的空间调制器，实现被散射介质包围的目标的清晰成像。

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种基于大气散射介质调制的单像素成像方法。

背景技术

光学成像在对地观测、自动驾驶等领域发挥了重要作用，散射介质给光学成像带来了挑战。散射介质改变了光波的传输方向，造成强度衰减的同时，改变了光场的空间分布，导致无法通过散射介质对目标清晰成像。近年来光学相机的技术指标不断提高，具有更高的空间分辨率、更优的调制传递函数、更小的重量/尺寸，然而散射介质的存在，严重降低了相机获取的图像质量，限制了光学相机的探测能力。

近年来，针对散射条件下光学成像的新理论、新技术和新方法不断涌现。当前的研究方法大致可以分为两大类：抑制散射介质的影响和利用散射介质的影响。抑制散射介质影响的核心思想是找到并分离出未受散射介质干扰的光子，即所谓“弹道光子”，采用的方法包括时间分辨、关联成像、压缩感知等。由于弹道光子的数量随传播距离呈指数下降，因此这些方法均不适用于长距离条件下的成像。利用散射介质的影响以“记忆效应”和“透过矩阵”为代表。记忆效应是指光波从散射介质的不同方向穿过，形成的散斑形状不变，仅位置发生偏移。基于记忆效应，出现了波前整形、散斑相关和频谱测量等方法。记忆效应与散射介质的厚度成反比，因此这些方法只适用于薄的散射介质。基于透过矩阵的方法把散射介质看作光波的多路复用器，通过空间光调制器和全场干涉测量获取透过矩阵，这种方法要求散射介质不随时间变化，只适用于静态散射介质。综上所述，目前针对时变散射介质的长距离光学成像问题，尚无有效的解决方法。

发明内容

本发明针对散射条件下的光学成像难题，提出一种基于大气散射介质调制的单像素成像方法，以准直激光束穿过大气散射介质，利用大气散射介质的自然随机特性和时间变化特性，形成一系列随机的瞬时调制样式照明观测目标，通过单像素探测器收集来自目标的光强，采用合适的算法重构目标图像，为强散射条件下的光学成像提供一种新的技术途径。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于大气散射介质调制的单像素成像方法，所述方法包括：

激光束进入大气散射介质，以大气散射介质作为空间调制器，计算当前条件下的大气散射介质的单次调制样式；在该调制样式下，大气反射方向的光经过透镜到达目标，桶探测器收集所有来自目标的光信号，获得探测值的一个元素值；

随机改变激光束进入大气的传输方向，获得大气对光场调制的一系列不同的调制样式；以单次调制样式为行向量，将一系列不同的调制样式对应的行向量组成大气散射介质测量矩阵；并获得一系列不同的调制样式下对应的一系列探测值组成的测量向量；

基于测量向量和大气散射介质测量矩阵，利用图像重构算法恢复目标信号。

作为上述方法的一种改进，所述以大气散射介质作为空间调制器，计算当前条件下的大气散射介质的单次调制样式，具体为：

基于激光波长、激光传输方向、大气水平气象视距、大气分子和气溶胶光学厚度廓线信息，通过蒙特卡罗模拟方法计算大气散射介质的单次调制样式。

作为上述方法的一种改进，所述基于激光波长、激光传输方向、大气水平气象视距、大气分子和气溶胶光学厚度廓线信息，通过蒙特卡罗模拟方法计算大气散射介质的单次调制样式，具体包括：