本發明涉及超分辨率關聯成像領域，特別涉及一種基于低通濾波的超分辨率關聯成像系統和方法。

背景技術：

關聯成像技術（也稱“鬼”成像）是一種利用熱光場或量子光場的高階時空強度關聯性質，在非定域上實現對物體信息重建的一種新型成像技術。其中，近年來迅猛發展熱光源的關聯成像技術具有很多不同于傳統的透鏡成像或照相技術的優勢，比如，可不用透鏡而成像且原則上適合電磁波譜中任意波長，可不受大氣湍流擾動、空氣混濁或其它散射介質的影響，可以在大氣湍流、云霧遮擋的情況下依然獲得物體清晰的成像，這是傳統經典成像無法做到的。并且熱光源（例如太陽光）與我們日常生活息息相關，相比較量子光源，更容易獲得，因此，研究方向和熱點趨向于基于熱光源的關聯成像技術。正是由于該項技術具有傳統透鏡成像技術所不可替代的作用和優勢，所以在國防、軍事、遙感，通訊、生物醫學等眾多成像技術領域都具有巨大的潛在應用價值。

雖然關聯成像技術在相同的條件下比傳統成像具有更高的成像分辨率，但是依然受制于成像系統的衍射極限，同時關聯成像技術的成像分辨率與對比度是相互制約的關系，通常情況下，高分辨率的成像會導致對比度很低，這是關聯成像技術的不足之處。

技術實現要素：

本發明的一個目的是將空間低通濾波技術應用于光學超分辨率關聯成像領域，從而提供一種基于低通濾波的超分辨成像系統和方法。

一種基于低通濾波的超分辨率關聯成像系統，用于利用光源對待成像物體進行空間關聯成像，包括：光源發出的光束被非偏振分束器分成兩路：探測臂光路和參考臂光路。

所述探測臂光路中設有具有空間分辨能力的探測臂探測器和所述待成像物體，所述探測臂探測器用于采樣所述探測臂光路中經過所述待成像物體后的光場強度空間分布信號，探測臂探測器輸出信號接入探測臂空間濾波器。

參考臂光路，所述的參考臂光路中設有具有空間分辨能力的參考臂探測器，用于采樣所述參考臂光路的光場強度分布信號，參考臂探測器輸出信號接入一個參考臂空間濾波器。

進一步地，所述光源為熱光源、自然光或人造贗熱光源。

進一步地，所述參考臂探測器和探測臂探測器均為具有空間分辨能力的ccd（chargecoupleddevice，電荷耦合元件）、emccd（electron-multiplyingccd，電子倍增電荷耦合元件）、iccd（增強電荷耦合元件，intensifiedccd）或cmos（complementarymetaloxidesemiconductor，互補金屬氧化物半導體）面陣列相機。

進一步地，所述探測臂空間濾波器和參考臂空間濾波器分別為均值濾波器、中值濾波器、lee局域統計自適應濾波器、frost濾波器、sigma濾波器、改良k-均值自適應濾波或gamma濾波器中的一種。

一種基于低通濾波的超分辨率關聯成像方法，采用了所述的一種基于低通濾波的超分辨率關聯成像系統，包括以下步驟：

1）對通過探測臂光路的探測目標或者由其反射散射的光場強度分布和參考臂光路的光場強度分布按照一定的時間序列同步進行一定時間的曝光拍攝，并將其每次曝光獲得的數據輸出依次接入對應的空間濾波器，即參考臂空間濾波器和探測臂空間濾波器；

2）根據光場強度的平均值和即時光場的最大值分別為參考臂空間濾波器和探測臂空間濾波器設定一個合適的閾值；

3）根據閾值將每個時序點獲得的面陣數據信號依次通過參考臂空間濾波器和探測臂空間濾波器進行低通濾波運算；

4）將參考臂光路和探測臂光路獲得的這兩組面陣數據按照傳統熱光關聯成像的原理和方法進行處理則實現對待成像物體實現超分辨率關聯成像。

進一步地，所述低通濾波運算采用硬件濾波處理或軟件濾波處理。

參考臂空間濾波器和探測臂空間濾波器的閾值在光強的平均值與即時強度分布的最大值之間進行選擇，在平均值附近會具有更高成像分辨率和更好的成像質量；如果光源發出的光場強度穩定，這里的平均值可以是所有采樣數的平均光強；如果光源發出的光場強度不穩定，平均值也可以是即時強度的平均值。

本發明的優點在于：

1.本發明具有打破衍射極限的超分辨成像能力，該方法的成像分辨率是傳統關聯成像方法的2倍多；

2.本發明繼承了傳統關聯成像技術的全部優勢，可以用于升級各種真熱光源或者贗熱光源以及基于計算機調制的空間調制光束的計算關聯成像技術來提高關聯成像系統的分辨率及成像對比度和信噪比；

3.本發明不用改變關聯成像的光路結構，主要探測結構和觸發控制，只需將原系統中的桶探測器換成具有空間分辨能力的探測器，以及在探測器后增加空間濾波器或者在傳統探測方法的基礎上利用計算軟件對面陣數據進行數字化技術處理即可，結構簡單，易于操作，不增加關聯成像系統的復雜程度和數據處理復雜度；

4.本發明也適用于光源發出的光場強度不穩定的情況；

5.本發明對光強的不穩定性不敏感，具有抵抗大氣擾動、湍流等影響惡劣天氣影響的能力，能夠實現超分辨率成像，比傳統方法具有更好成像質量。

附圖說明

圖1是本發明基于低通濾波的超分辨率關聯成像系統的原理框圖；

1、光源；2、非偏振分束器；3、待成像物體；4-1、探測臂探測器；4-2、參考臂探測器；5-1、探測臂空間濾波器；5-2、參考臂空間濾波器；6、用于重建待成像物體像的符合測量系統。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

圖1是根據本發明一個實施例基于低通濾波的超分辨率關聯成像系統和方法的示意性結構布置圖。圖1中的關聯成像系統包括熱光源和非偏振分束器2、探測臂光路和參考臂光路、對兩路具有空間分辨能力的面陣探測器輸出信號進行低通濾波的探測臂空間濾波器5-1和參考臂空間濾波器5-2以及用于重建待成像物體像的符合測量系統6。其中，探測臂光路中可以具有面陣探測器4-1和待成像物體3。探測臂探測器4-1用于采樣所述探測臂光路中經過所述待成像物體3后或者被其反射散射光場的空間強度信號。參考臂光路中具有參考臂探測器4-2，用于采樣所述參考臂光路的光場強度空間分布信息。其中，以上兩光路中的空間分布信號和是按照一定的時間序列進行同步觸發探測器，在一定的曝光時間內采集獲得的兩組面陣數據序列。兩組面陣數據分別依次通過設定一定閾值的探測臂空間濾波器5-1和參考臂空間濾波器5-2后變成另外兩組面陣數據和，然后按照熱光關聯成像的原理和方法，利用歸一化二階強度關聯函數

即可重現待測物體的像。

以上是本發明的系統基本構成和主要方法，下面對于本發明的關鍵點進行進一步的詳盡說明。

本成像系統中與傳統關聯成像系統最大的不同是在探測臂也使用具有空間分辨能力的探測器。探測器的輸出信號按序列依次進行空間濾波操作之后，對每個序列點面陣數據信號的按像素求和，并按原有相同序列作為桶探測器的即時強度信號序列，再與參考臂經過空間濾波后的相同序列的面陣數據信號按照關聯成像的原理和方法重建待測物體的圖像。

對于本發明中最為關鍵的空間濾波操作可以分為兩種情況：硬件濾波和軟件濾波。

硬件濾波就是按照圖1所示的方法，將探測器的輸出信號接入空間濾波器，濾波器按照人為設定的閾值或者預設的方法計算出閾值對接入的信號進行濾波。具備上述功能的濾波器也可以是探測器的一部分，探測器光敏元件曝光采集到的原始數據直接通過空間濾波器后再輸出。

如果采用軟件濾波，就是在數據處理的過程中，將濾波操作編入軟件程序中。具體的以均值低通濾波為例，兩路的探測器輸出面陣信號按序列存儲于電腦硬盤，通過程序依次讀入數據，然后計算每一個序列信號的平均值作為閾值信號，然后該面陣信號的每一個元素與該閾值信號進行比較，大于閾值的等于0值，小于閾值的設為原值，從而達到對數據的空間低通濾波操作。當然，濾波閾值也可以根據具體情況認為設定，參考臂和探測臂的濾波操作方法相同，但是閾值可以不同，甚至采用不同方法獲得閾值。

空間濾波操作也可以在光路中進行，可在分束器前加入一個光強空間濾波器，或者在探測臂和參考臂分別加入一個空間濾波器。該種方法探測臂可不使用具有空間分辨能力的探測器，可以像傳統關聯成像一樣使用桶探測器。

專業人員應該還可以進一步意識到，結合本發明中所公開的實施例描述的示例及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結合來實現，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了示例及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的范圍。

雖然本發明的實施例僅列舉了光源為熱光源的形式，但本發明的關聯成像系統同樣適用于服從熱光統計分布的自然光或人造贗熱光源的成像方案及光源與參考探測器和探測臂探測器之間有、無透鏡的成像方案。

至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的一個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和范圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的范圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。