專利名稱：一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統及方法
技術領域：
本發明涉及時間分辨極弱光探測的技術領域，特別涉及一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統及方法。
背景技術：
在熒光壽命成像、生物檢測、星空探測、夜視觀測、極弱光探測、遙感成像、醫療成像、監控等科技領域，不僅需要時間分辨地探測可見極弱光，更需要進行近紅外光成分分布的動態過程分析，現有的儀器設備越來越無法滿足科學家們的需求，需要一種新的時間分辨成像系統以提高時間分辨率和空間分辨率，并實現可見光和近紅外光的同時探測。本發明是基于前人工作進行的改進和創新。在該領域，本研究所已有一份專利《一種時間分辨單光子計數二維成像系統及方法》(申請號或專利號201110328462. 2，申請人 或專利權人中國科學院空間科學與應用研究中心)，該專利是本研究室前人所做工作，目的是做時間分辨單光子計數成像，其特征在于，該系統根據壓縮傳感理論，在空間光調制器的單臂出射方向進行光子探測，實現了對極弱光對象的可見光成分的時間分辨二維成像，尚未涉及近紅外光，更無法做到可見光和近紅外光的同時探測；且該專利所提供的時間分辨方案是建立在觸發器基礎上的，時間分辨精度僅能達到秒級，無法對物理、化學、生物中的瞬態周期的成分變化過程進行有效捕捉，且所用算法較慢，僅對較小分辨率的待測圖像有效，成像質量較差，系統裝置尚不完善。為以解決上述一系列的缺陷，本發明提出一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統及方法，采用雙臂測量，可見光與近紅外光可同時時間分辨地探測，并改進了原理和算法，提出關聯的壓縮傳感算法，將在天文、生物顯微等諸多領域廣泛應用。所謂時間分辨就是分辨時間維度上的間隔，而超高時間分辨即指在觀察物理和化學的瞬態過程并能分辨其時間，在液相中，很多物理和化學過程，如分子的順-反異構和定向弛豫、電荷和質子的轉移、激發態分子碰撞預解離、能量傳遞和熒光壽命以及電子在水中溶劑化等，僅需10_8秒就能完成，只有通過皮秒的時間分辨精度的分析儀器才有可能及時地觀察這些極快的過程。主流的時間分辨技術主要有熒光壽命成像(FLIM)、雙光子熒光壽命顯微成像、熒光壽命相關光譜(FCS)技術和多維度熒光壽命顯微技術。在本發明中，就想在極短的時間間隔內進行光子探測。單光子屬于極弱光，被認為是光不可分割的最小能量單位，是可以探測的極限。單光子探測技術已廣泛應用于生物自發光、醫療診斷、非破壞性物質分析、天文觀測、光譜測量、量子光學等領域，并在其中扮演著重要角色。而光子計數成像就是一種極弱光探測技術，通過記錄成像位置的光子計數，計數等效于光強信息，于是得到光強的空間分布情況，最后累計出一幅圖像，一般采用弱光面元探測器，如ICCD、EMCCD、APDs等。面元探測器在對極弱光進行探測時需要曝光一定時間(即積分時間)，平均到單位像素上的光通量極小，加上暗計數的影響，信噪比較差，極難準確推算落在該像元上的光強值，具有靈敏度的問題。其中ICCD、EMCCD都號稱可以做到單光子探測，但需深度半導體制冷，成本昂貴，ICCD空間分辨率較差，時間分辨精度達到納秒級別，而EMCCD空間分辨率稍好，但時間分辨僅達到毫秒量級，存在的共同問題都是弱光下很難對儀器噪聲進行控制或線性輸出；而APDs可以工作在蓋革模式，但尚處在研究階段，而且高精度的APD陣列很難制造和流片，林肯實驗室對外公布的APD陣列也僅有64 X 256像素，對中國禁運，且目前的APD陣列波長響應范圍十分有限，僅在中可視波段達到量子效率峰值，由于每個像素都極小，光通量必須平均分配在整個陣列上，那么散粒噪聲的影響將變得十分顯著。因而，弱光面元探測器的靈敏度、信噪比、噪聲控制、面陣規模、波長響應范圍直接限制獲取高質量極弱光圖像的能力。為此采用壓縮傳感理論和互補測量技術來彌補原理上的缺陷，用單光子點探測器獲取面上的總光子計數，其光通量顯著高于弱光面元探測器單位像素上的光通量，極大提高了靈敏度、信噪比、空間分辨能力和圖像重建質量，還節省了維度。所述壓縮傳感(CompressiveSensing,簡稱 CS)理論是由 Donoho、Candes 和 Ta o等人提出的一個全新數學理論，實現以隨機采樣的方式、更少的數據采樣數(遠低于奈奎斯特/香農采樣定理的極限)來完美地恢復信號，且具有更高魯棒性。該原理先壓縮采樣，將被測信號由高維向低維映射并對其進行采樣，選取合適的稀疏變換框架W，使得X經W變換所得向量I是稀疏的，然后根據觀測數據y、測量矩陣A和框架W，求解少’ =A^￥x +c，最后由反演出x。所述空間光調制器(Spatial Light Modulator,簡稱SLM)是一類能將信息加載于一維或兩維的光學數據場上，在隨時間變化的電驅動信號或其它信號的控制下，可對空間上光分布的強度進行調制的實時光信息處理器件，可將按空間光調制器規定的角度入射的光以一定概率反射至兩個方向，一般米用二值表征反射方向的狀態，常見的空間光調制器有數字微鏡器件、液晶光閥、毛玻璃等。其中，數字微鏡器件(Digital Micro-mirrorDevice，簡稱DMD)，是世界上最精密的光開關。DMD的核心是由成千上萬個安裝在鉸鏈上的微反射鏡組成的微鏡陣列(主流的DMD由1024X768的陣列構成，最大可至2048X 1152)，每一鏡片的尺寸為14iimX14iim (或16iimX16iim)并可以通斷一個像素的光,這些微鏡皆懸浮著，通過對每一個鏡片下的存儲單元都以二進制平面信號進行電子化尋址，便可讓每個鏡片以靜電方式向兩側傾斜，把這兩種狀態記為I和0，分別對應“開”和“關”，當鏡片不工作時，它們處于0°的“停泊”狀態。

發明內容
本發明的目的在于，為滿足能同時時間分辨地觀察物理化學生物瞬態過程中的可見光和近紅外光成分的空間分布變化情況的強烈需求，解決常規時間分辨成像方法存在的時間分辨精度差或者成像質量差的問題，通過提高極弱光的光通量以提高信噪比，從而提供一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統及方法，通過雙臂時間分辨地探測，來彌補單臂測量所引起的信息缺失，進而同時重建出可見光和近紅外光的灰度視頻幀序列，以促進相關領域的發展。為了實現上述目的，本發明提供了一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述系統包含脈沖激光器、光學成像部件、空間光調制器、第一組會聚收光部件、第二組會聚收光部件、可見光單光子點探測器、近紅外光單光子點探測器、多通道計數器、隨機數發生器、系統控制平臺、數據讀寫存儲器和處理模塊；所述脈沖激光器每隔一段時間將激光打在物體上，激發物體熒光，該熒光由所述光學成像部件成像在空間光調制器上，所述空間光調制器依據隨機發生器提供的隨機矩陣對成像進行隨機光調制，將光分配到兩臂出射方向上，第一臂出射方向設置有第一組會聚收光部件和可見光單光子探測器，第二臂出射方向設置有第二組會聚收光部件和近紅外光單光子探測器，用于分別對極弱光對象的可見光成分和近紅外光成分同時進行探測；所述可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器處于常開狀態并向所述多通道計數器輸出脈沖波形，所述多通道計數器上的兩個計數通道對輸入其中的信號進行濾波、鑒別和累計計數脈沖尖峰個數；所述脈沖激光器與所述多通道計數器相連，激光的脈沖波形作為多通道計數器的參考脈沖輸入；

所述系統控制平臺發送指令給隨機數發生器，并控制整個系統的運作；所述隨機數發生器的輸出端與空間光調制器的輸入端相連，用于給空間光調制器傳輸隨機測量矩陣；所述多通道計數器用于記錄可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器探測的光子的計數值并獲取時間維度信息、再將所述計數值、時間維度信息與隨機數發生器上的隨機測量矩陣共同作為數據讀寫存儲器的輸入，這些數據經由數據讀寫存儲器輸入至處理模塊；處理模塊根據這些數據重建出觀測對象的可見光和近紅外光成分的灰度視頻幀序列。上述技術方案中，所述可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器均工作在蓋革模式，且兩者的安放位置可置換。上述技術方案中，所述系統還包含延時器；所述多通道計數器進一步包含計數模塊和時幅變換模塊，用于實現計數和時間分辨功能，獲取時間維度信息；當采用光子到達時間方式獲取時間分辨，則時幅變換模塊使能，而延時器不使能；當采用延時計數門寬的方式，則時幅變換模塊不使能，而延時器使倉泛;所述延時器向所述計數模塊發送門控信號，用于延時門寬上升沿或下降沿的到達時間，該延時的時間段能夠作為對應瞬態周期內的時間子段，該時間分辨精度能夠達到20ps ；所述延時器由多通道計數器中的時幅變換模塊進行功能置換，該時間幅度變換模塊用于將獲得的光子的時間轉化為電壓形式并記錄在對應通道中，并按光子到達時間將光子數分段劃分，統計得到一個瞬態周期內各時間間隔內的多段累積計數，時間分辨精度達到 5ps ；當被測對象為非周期變化的情況下，設物體在某一較短時間內幾乎保持不變，此時采用逐幀測量的方式，即測完一幀可見光和近紅外光圖像后再測下一幀，時間分辨精度達到秒級。上述技術方案中，所述隨機數發生器通過采集自然界的隨機源作為隨機數源，對真隨機數進行處理獲取隨機數并輸出至空間光調制器；
所述數據讀寫存儲器，用于存儲輸入的各個子時間段或各使能門控信號時間段內的光子數、各通道的時間維度信息及相應的隨機測量矩陣，從而起到讀寫與緩存的作用。上述技術方案中，所述系統控制平臺進一步包含使能控制模塊，用于控制各部件的使能，即發送驅動使能信號發給上述各部件使其開始正常工作；同步控制模塊，用于實現激光脈沖和多通道計數器的光子計數之間的同步；和矩陣變換模塊，用于控制隨機陣列的變換和其上隨機矩陣的更替并在瞬態周期開始前或結束后進行相應調整。基于上述系統本發明還提供了一種互補測量的時間分辨單光子計數成像方法，所述方法包含

步驟101)脈沖激光器每隔一段時間將激光打在物體上，激發物體發出熒光，該熒光作為極弱光對象，所述熒光由光學成像部件成像在空間光調制器上，空間光調制器依據隨機測量矩陣對其進行隨機光調制后以將光分配到兩臂出射方向上；步驟102)分別利用可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器進行兩臂同時探測，并采用時間分辨策略完成探測的時間分辨；步驟103)采用多通道計數器對可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器探測的結果分別進行計數，依據所述計數值、時間維度信息與隨機測量矩陣采用重建算法實現單光子量級的極弱光對象的可見光和近紅外光成分的灰度視頻幀序列，完成互補測量的時間分辨單光子計數成像。上述技術方案中，所述步驟102)采用如下時間分辨策略中的一種策略一，可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器常開，保持空間光調制器固定一巾貞不動，以脈沖激光的脈沖波形作為時間幅度變換模塊的參考脈沖，開啟激光，激發物體熒光，時間幅度變換模塊將光子到達時間以電壓形式記錄下來，記錄在對應的通道中，按光子達到時間將光子數進行分段劃分，統計出一個周期內d個時間子段的累計計數，然后空間光調制器上隨機陣列變換到下一幀，重復上述操作，變換M次，則每個時間子段內便相應有M個計數，分別對應M個隨機測量矩陣及其互補矩陣，分別對每個時間子段做算法重建，便可捕捉到一個周期內成分分布的瞬態變化過程；若光強極弱，則多次測量累加使相應的計數變大，依法炮制；策略二，可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器常開，保持空間光調制器固定一幀不動，開啟激光，激發物體熒光，通過延時器向多通道計數器中的計數模塊發送門控信號，可延時門寬上升沿或下降沿的到達時間，該延時的時間段作為瞬態周期內的時間子段，在每次瞬態周期內僅探測一次，門寬延時后再探測一次，兩次的計數值作差便得到時間子段內的計數值，重復上述操作，得到一個周期內d個時間子段的累計計數，然后空間光調制器上隨機陣列變換到下一幀，重復上述操作，變換M次，則每個時間子段內便相應有M個計數，分別對應M個隨機測量矩陣及其互補矩陣，分別對每個時間子段做算法重建，便可捕捉到一個周期內成分分布的瞬態變化過程；若光強極弱，則多次測量累加使相應的計數變大，依法炮制；所述步驟103)采用的稀疏重建的步驟具體包含在每個時間子段內，將會獲得可見光和近紅外光的兩組測量值y和y'，其中yi和I' i，分別對應隨機矩陣Bi和矩陣的補a' i，由于矩陣元素用O和I 二值表示，矩陣的補即I_a，其中I是單位陣，將％和&' 別拉伸至一行，分別作為該時間子段內可見光測量矩陣A和近紅外光測量矩陣A'中的第i行，測量M次，兩個測量矩陣都共計M行，y和y'都共計M個值，利用關聯的壓縮傳感重建算法便可重建出該時間子段內觀測對象在可見光波段和近紅外光波段的灰度圖像，結合時間維度信息，便可得到可見光成分和近紅外光成分的空間分布動態變化的灰度視頻幀序列。 上述技術方案中，所述壓縮傳感數學模型如下來自觀測物體的光投影到空間光調制器上，在任意一臂光路上將反射光收集到一個點，在瞬態周期中的某個時間子段內，分別將待測可見光信號和近紅外光信號假想為列向量x，y G ma'，則該過程可看作兩組測量矩陣和相應待測信號作內積的過程，分別得到兩組觀測向量U; e ，其中次f e R-Wx'￥ (K<M N ),e,e's Maj是系統噪聲，如果x是可壓縮或可稀疏表達的，則X =，其中^Mv1, W2,..., ￥n]是稀疏變換矩陣(即稀疏框架)，K = IiiaxClIxI1 ,Ilx-II1)，即關聯稀疏度，那么，壓縮采樣的過程可以描述為下式 [v\ y'] =才,中:T + ef]其中，將A設置為二值隨機測量矩陣；所述的稀疏重建是在已知觀測數據y，y'和測量矩陣A，A'的條件下求解3F，F，用壓縮傳感的策略進行求解，所述策略采用如下算法—+申|，!^n|||/ —ITTf +r|| |其中，I I…I |p代表范數算符，(IHL)" =ZiI1Kf *僅需M彡0(K log(N/K))次測量，
便可反演出待測物體在該時間子段內可見光波段和近紅外光波段的光強空間分布信息X和X'。上述技術方案中，所述壓縮傳感算法包括貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0MP、基跟蹤算法BP、LASSO, LARS, GPSR、貝葉斯估計算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST 算法、I0 重建算法、I1 重建算
法或I2重建算法。上述技術方案中，所述的關聯的壓縮傳感算法是基于每個時間子段內的兩個隨機測量矩陣是互補的而提出的，將單位陣看作測量矩陣參與運算，在壓縮傳感算法的基礎上加入修正參數，所得值再與X做符合運算，便得到X，，極大簡便運算，縮小存儲空間，可見光信號X與近紅外光信號X'可同時獲得，每個時間子段內的數據依法炮制，進而可得到可見光和近紅外光灰度視頻幀序列。與現有技術相比本發明的優點在于本發明結合壓縮傳感理論、互補測量技術和時間分辨技術后提出的方案，利用雙臂探測可以同時時間分辨地捕捉可見光和近紅外光的成分分布的瞬態變化情況，其靈敏度可以達到單光子水平，分辨率最高可達2048X 1152的分辨率，滿足了目前對物理、化學、生物瞬態過程的時間分辨精度和空間分辨精度的強烈需求。本發明再原有基礎上提出改進的時間分辨測量方法，將該系統的時間分辨精度提高到皮秒量級，應用前景更加廣泛。本發明還改進了原有算法，使其魯棒性更強，運算更快，成像質量更高。基于以上優點和創新點，本發明可廣泛應用于熒光壽命成像、生物檢測、星空探測、夜視觀測、極弱光探測、遙感成像、醫療成像、監控等科技領域。


圖I是本發明的互補測量的時間分辨單光子計數成像系統的結構示意圖；圖2是本發明實施例的模擬實驗結果；其中，(a)和(b)為可見光視頻幀原始圖像，(e)和(f)是可見光視頻幀重建圖像，(C)和⑷為近紅外光視頻幀原始圖像，(g)和(h)是近紅外光視頻幀重建圖像；圖3是本發明實施例的模擬實驗結果；其中，(a)、(b)和(C)是近紅外光視頻幀序列，(d)、(e)和(f)對應的是每一幀的重建圖像。附圖標識I、脈沖激光器2、光學成像系統 3、空間光調制器4、第一組會聚收光部件5、第二組會聚收光部件6、可見光單光子點探測器7、近紅外光單光子點探測器 8、多通道計數器9、隨機數發生器10、延時器11、系統控制平臺 12、數據讀寫存儲器13、處理模塊
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。為實現上述目的，本發明提供一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，該系統主要基于壓縮傳感理論、互補測量技術和時間分辨技術，用于對具有瞬態周期性的動態變化的物體的可見光和近紅外光成分同時成像，輸出按時間順序排列的灰度視頻幀序列，所述系統包含脈沖激光器、光學成像部件、空間光調制器、兩組會聚收光部件、可見光單光子點探測器、近紅外光單光子點探測器、多通道計數器、隨機數發生器、延時器、系統控制平臺、數據讀寫存儲器、算法模塊；光學部分脈沖激光器每隔一段時間將激光打在物體上，激發物體熒光，熒光作為極弱光對象，該熒光由光學成像部件成像在空間光調制器(SLM)上，空間光調制器對其進行隨機光調制，以一定概率將光分配到兩臂出射方向上，在這兩個方向上分別設置會聚收光部件、可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器，對極弱光對象的可見光成分和近紅外光成分同時進行探測；電學部分可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器常開，輸出脈沖波形，分別輸入到多通道計數器上的兩個計數通道上進行濾波、鑒別和累計計數脈沖尖峰個數；脈沖激光器與多通道計數器相連，激光的脈沖波形作為多通道計數器上時幅變換模塊的參考脈沖輸入；可選的，延時器的輸出端與多通道計數器上的計數模塊相連，以控制計數的門寬；系統控制平臺發送指令給隨機數發生器和延時器，并控制整個系統電學部分的正常運作；其中隨機數發生器的輸出端與空間光調制器的輸入端相連，用于給空間光調制器傳輸隨機測量矩陣；多通道計數器上的兩組計數值、時間維度信息與隨機數發生器上的隨機測量矩陣一起作為數據讀寫存儲器的輸入，數據讀寫存儲器的作用是將數據暫存，并輸入至算法模塊；算法模塊根據這些數據重建出觀測對象的可見光和近紅外光成分的灰度視頻幀序列。可選的，可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器都工作在蓋革模式，兩者的安放位置可置換。多通道計數器上有計數模塊和時幅變換模塊，實現計數和時間分辨功能，若采用光子到達時間方式獲取時間分辨，則時幅變換模塊使能，而延時器不使能；若采用延時計數門寬的方式，則時幅變換模塊不使能，而延時器使能；延時器，用于向多通道計數器中的計數模塊發送門控信號，可延時門寬上升沿或下降沿的到達時間，該延時的時間段作為對應瞬態周期內的時間子段，該時間分辨精度為20ps ； 所述延時器可由多通道計數器中的時幅變換模塊進行功能置換，該時間幅度變換模塊用于將獲得的光子的時間轉化為電壓形式并記錄在對應通道中，并按光子到達時間將光子數分段劃分，統計得到一個瞬態周期內各時間間隔內的多段累積計數，時間分辨精度為 5ps ；在針對時間分辨精度要求不高的非周期變化對象的情況下，設物體在某一較短時間內幾乎保持不變，經較長時間才逐漸改變，可采用逐幀測量的方式，即測完一幀可見光和近紅外光圖像后再測下一幀，時間分辨精度為秒級。隨機數發生器，用于產生對空間光調制器上隨機陣列進行調制的隨機數，且該隨機數發生單元通過采集自然界的隨機源作為隨機數源，對真隨機數進行處理獲取隨機數并輸出至空間光調制器；數據讀寫存儲器，用于存儲輸入的各個子時間段或各使能門控信號時間段內的光子數、各通道的時間維度信息及相應的隨機測量矩陣，從而起到讀寫與緩存的作用。所述系統控制平臺，用于包括各部件的使能，即發送驅動使能信號發給上述各部件使其開始正常工作；并實現激光脈沖和光子計數之間的同步；且用于控制隨機陣列的變換和其上隨機矩陣的更替并在瞬態周期開始前或結束后進行相應調整。可選的，所述衰減片根據實際光強進行設置，用于將光衰減到單光子點探測器的探測范圍，若極弱光光強已經在單光子點探測器的探測范圍，則無需再設置衰減片。本發明還提出一種互補測量的時間分辨單光子計數成像方法，該方法采用了壓縮傳感理論、互補測量技術和時間分辨技術，利用可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器進行雙臂同時探測，實現單光子量級的極弱光對象的可見光和近紅外光成分的灰度視頻幀序列，所述方法包含如下步驟步驟1，用于壓縮采樣的步驟由空間光調制器對入射至其上的光進行隨機光調制，使得兩路出射光分別以一定概率投向后續的會聚收光部件和單光子點探測器，單看某個時間子段，其實際的采樣數M遠小于該時間子段內的信號維度N，以完成被測信號在可見光波段和近紅外光波段的同時壓縮采樣；所述空間光調制器是指在隨時間變化的電驅動信號或其它信號的控制下，可對空間上光分布的強度進行調制的實時光信息處理器件，可將按空間光調制器規定的角度入射的光以一定概率反射至兩個方向，其方向并不需要是某個固定角度，可限定在一定角度范圍內，所述隨機光調制是指空間光調制器上的調制矩陣的是真隨機的，一般采用二值表征反射方向的狀態，常見的空間光調制器有數字微鏡器件(DMD)、液晶光閥、毛玻璃等；步驟2，用于時間分辨的步驟，可采用以下兩種策略中的任意一種策略一，單光子點探測器常開，保持空間光調制器固定一幀不動，以脈沖激光的脈沖波形作為時間幅度變換模塊的參考脈沖，開啟激光，激發物體熒光，時間幅度變換模塊將光子到達時間以電壓形式記錄下來，記錄在對應的通道中，按光子達到時間將光子數進行分段劃分，統計出一個周期內d個時間子段的累計計數，然后空間光調制器上隨機陣列變換到下一幀，重復上述操作，變換M次，則每個時間子段內便相應有M個計數，分別對應M個隨機測量矩陣及其互補矩陣，分別對每個時間子段做算法重建，便可捕捉到一個周期內成分分布的瞬態變化過程；若光強極弱，則多次測量累加使相應的計數變大，依法炮制;策略二，單光子點探測器常開，保持空間光調制器固定一幀不動，開啟激光，激發物體熒光，通過延時器向多通道計數器中的計數模塊發送門控信號，可延時門寬上升沿或 下降沿的到達時間，該延時的時間段作為瞬態周期內的時間子段，在每次瞬態周期內僅探測一次，門寬延時后再探測一次，兩次的計數值作差便得到時間子段內的計數值，重復上述操作，得到一個周期內d個時間子段的累計計數，然后空間光調制器上隨機陣列變換到下一幀，重復上述操作，變換M次，則每個時間子段內便相應有M個計數，分別對應M個隨機測量矩陣及其互補矩陣，分別對每個時間子段做算法重建，便可捕捉到一個周期內成分分布的瞬態變化過程；若光強極弱，則多次測量累加使相應的計數變大，依法炮制；步驟2，用于稀疏重建的步驟 在每個時間子段內，將會獲得可見光和近紅外光的兩組測量值y和y'，其中yi和I' i，分別對應隨機矩陣％和矩陣的補a' i，由于矩陣元素用0和I 二值表示，矩陣的補即I_a，其中I是單位陣，將％和&' 別拉伸至一行，分別作為該時間子段內可見光測量矩陣A和近紅外光測量矩陣A'中的第i行，測量M次，兩個測量矩陣都共計M行，y和y'都共計M個值，利用關聯的壓縮傳感重建算法便可重建出該時間子段內觀測對象在可見光波段和近紅外光波段的灰度圖像，結合時間維度信息，便可得到可見光成分和近紅外光成分的空間分布動態變化的灰度視頻幀序列。其數學模型如下來自觀測物體的光投影到空間光調制器上，在任意一臂光路上將反射光收集到一個點，在瞬態周期中的某個時間子段內，分別將待測可見光信號和近紅外光信號假想為列向量，則該過程可看作兩組測量矩陣和相應待測信號作內積的過程，分別得到兩組觀測向量U; G Rjv ,其中式I e MMx-v (K<M N g 是系統噪聲，如果x是可壓縮或可稀疏表達的，則X =，其中屯=[V1, ￥2,..., ￥n]是稀疏變換矩陣(即稀疏框
架)，J = maX(|4柄I1)，即關聯稀疏度,那么，壓縮采樣的過程可以描述為下式[.,V.,./] = + e, + er]其中均需滿足 Restricted Isometry Property (RIP), A, A'與 W 需不相關，由于A，A'互補，為滿足上述條件，本發明中僅需將A設置為二值隨機測量矩陣；所述的稀疏重建是在已知觀測數據y，y'和測量矩陣A，A'的條件下求解--這是一個NP-hard問題，但轉化為11范數或12范數問題，便可用壓縮傳感的思想進行求解，算法可分許多種類型，作為范例，取其中一種常見的表述方式，描述為下式mmilv-.WlIj + r||. | .1^全||/ — 1聽||; + 制[其中Il…Il 5代表范數算符，僅需M<0(K*log(N/K))次測量，便可反演出待測物體在該時間子段內可見光波段和近紅外光波段的光強空間分布信息X和
Xf O可選的，所述壓縮傳感算法包括貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0MP、基跟蹤算法BP、LASSO, LARS, GPSR、 貝葉斯估計算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST 算法、I0 重建算法、I1 重建算法、I2重建算法等；算法的核心思想是相通的，在于交替最小化和更新乘子，在算的技巧上會略有區別，以TV算法為例作算法核心思想說明TV 模型、J、j !11Ii. ' S L = h
一- i等價于石IKIL，s.t. Au=b 且 DiU=Wi ；相應的增廣拉格朗日問題為min^f|wf|n — Vt1 (￡)- — Wi) + -ID1 / — Wj||: -At (Au-b) +—\Au -bf2
Wi-U i V2V2輸入b, A, U , P >0,初始化 u=b ；當沒有收斂時,通過交替方向方案(alternating direction scheme)來近似最小化增廣拉格朗日功能函數，并不斷更新乘子，即重復以下三步操作步驟(I)固定U不變,按下式計算w
_7] H, = maxJlA.-v./^ -Md;步驟(2)固定w不變,按下式計算uU = F ~-—In1~~.
v 廠(/.)■』>O廠("Ji) +F(Iy-lYoI-U)'-1) + {/// ^)F{AYoI '(A)j其中，D(1)和D(2)分別是一階有限矩陣水平差異和垂直差異，F為二維離散傅里葉變換，*表示復數共軛，O表示數乘；步驟(3)更新乘子Vi<r~ Vi — P (D;u -1 )，又[2 - /4 /I廣/ - A)。所述的關聯的壓縮傳感算法是基于每個時間子段內的兩個隨機測量矩陣是互補的而提出的，核心算法思想在于將單位陣看作測量矩陣參與運算，在所述的算法思想的基礎上加入修正參數，所得值再與X做符合運算，便得到X'，極大簡便運算，縮小存儲空間，可見光信號X與近紅外光信號X'可同時獲得，每個時間子段內的數據依法炮制，進而可得到可見光和近紅外光灰度視頻幀序列。如圖I所示，所述系統主要由光學部分和電學部分組成，光學部分用于成像、光調制、會聚收集等，電學部分用于探測、控制、時間分辨和成像等。脈沖激光器I每隔一段時間將激光打在物體上，激發物體熒光，熒光作為極弱光對象，該熒光由光學成像部件2成像在空間光調制器3上，空間光調制器3對其進行隨機光調制，以一定概率將光分配到兩臂出射方向上，在這兩個方向上分別設置第一組會聚收光部件4、第二組會聚收光部件5、可見光單光子點探測器6和近紅外光單光子點探測器7，對極弱光對象的可見光成分和近紅外光成分同時進行探測，其中兩個單光子點探測器的位置可以互換。在時間分辨采樣時，令可見光單光子點探測器6和近紅外光單光子點探測器7常開，輸出脈沖波形，分別輸入到多通道計數器8上的兩個計數通道上進行濾波、鑒別和累計計數脈沖尖峰個數；脈沖激光器I與多通道計數器8相連，脈沖激光器I的脈沖波形作為多通道計數器8上時幅變換模塊的參考脈沖輸入；可選的，延時器10的輸出端與多通道計數器8上的計數模塊相連，以控制計數的門寬；系統控制平臺11發送指令給隨機數發生器9和延時器10，并控制整個系統電學部分的正常運作；其中隨機數發生器9的輸出端與空間光調制器3的輸入端相連，用于給空間光調制器3傳輸隨機測量矩陣；多通道計數器8上的兩組計數值、時間維度信息與隨機數發生器10上的隨機測量矩陣一起作為數據讀寫存儲器12的輸入，數據讀寫存儲器12的作用是將數據暫存，并輸入至處理模塊13 ;處理模塊13根據這些數據重建出觀測對象的可見光和近紅外光成分的灰度視頻幀序列。

需要說明的是，當極弱光光強超出可見光單光子點探測器6和近紅外光單光子點探測器7的探測范圍時，需在單光子點探測器前的任意光路位置上設置合適的衰減片，用于將光衰減到單光子點探測器的探測范圍，若極弱光光強已經在單光子點探測器的探測范圍內，則無需再設置衰減片。圖2是本發明實施例的模擬實驗結果，目的是驗證算法的可行性，該算法主要針對灰度圖像，大小均為100X 130，原始可見光視頻幀序列和近紅外光視頻幀序列來自WeiboCaijDong-Woon Shin, Kai Chen, Olivier Gheysens, Qizhen Caoj Shan XWangjSanjivS.Gambhir, and Xiaoyuan Chen,Peptide-Labeled Near-Infrared Quantum Dots forImaging Tumor Vasculature in Living Subjects, Nano Lett.，2006，6 (4)，pp669 - 676。圖示細胞是人類的神經母細胞癌U87MA瞬態變化過程，圖2(a)和圖2(b)為可見光視頻幀原始圖像，圖2(e)和圖2(f)是可見光視頻幀重建圖像，圖2(c)和圖2(d)為近紅外光視頻幀原始圖像，圖2(g)和圖2(h)是近紅外光視頻幀重建圖像。圖2第二行重建圖與原圖的誤差率分別為5. 6030%,4. 6603%,2. 9845%和4. 0099%,可見光和近紅外光成分變化相結合的觀察可以揭示更多的生物癌變細胞特征，有助于醫療的發展，本實例為說明本發明在未來的生物顯微和熒光壽命成像中將發揮重要作用。圖3同樣是本發明實施例的模擬實驗結果，原始數據來自某高速公路的近紅外光監控錄像，圖3 (a)、圖3 (b)和圖3 (c)是近紅外光視頻幀序列，圖3 (d)、圖3 (e)和圖3 (f)對應的是每一幀的重建圖像，大小皆為57X99，三幀所用的測量數均只占總信號維度的45%，重建的誤差率分別為4. 9648%、5. 1076%、5. 3357%。該實施例用于驗證算法的可行性和重建質量。最后需要說明的是，具體實施方式
中所述算法已經經過大量實驗數據驗證，是真實可靠的，搭配硬件便可實現本發明的技術方案。所述所有實施例僅為對本發明進行進一步詳細說明，并非絕對，可相應擴展。本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改、添加、刪減或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述系統包含脈沖激光器、光學成像部件、空間光調制器、第一組會聚收光部件、第二組會聚收光部件、可見光單光子點探測器、近紅外光單光子點探測器、多通道計數器、隨機數發生器、系統控制平臺、數據讀寫存儲器和處理模塊； 所述脈沖激光器每隔一段時間將激光打在物體上，激發物體熒光，該熒光由所述光學成像部件成像在空間光調制器上，所述空間光調制器依據隨機發生器提供的隨機矩陣對成像進行隨機光調制，將光分配到兩臂出射方向上，第一臂出射方向設置有第一組會聚收光部件和可見光單光子探測器，第二臂出射方向設置有第二組會聚收光部件和近紅外光單光子探測器，用于分別對極弱光對象的可見光成分和近紅外光成分同時進行探測； 所述可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器處于常開狀態并向所述多通道計數器輸出脈沖波形，所述多通道計數器上的兩個計數通道對輸入其中的信號進行濾波、鑒別和累計計數脈沖尖峰個數； 所述脈沖激光器與所述多通道計數器相連，激光的脈沖波形作為多通道計數器的參考脈沖輸入； 所述系統控制平臺發送指令給隨機數發生器，并控制整個系統的運作； 所述隨機數發生器的輸出端與空間光調制器的輸入端相連，用于給空間光調制器傳輸隨機測量矩陣； 所述多通道計數器用于記錄可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器探測的光子的計數值并獲取時間維度信息、再將所述計數值、時間維度信息與隨機數發生器上的隨機測量矩陣共同作為數據讀寫存儲器的輸入，這些數據經由數據讀寫存儲器輸入至處理模塊；處理模塊根據這些數據重建出觀測對象的可見光和近紅外光成分的灰度視頻幀序列。
2.根據權利要求I所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器均工作在蓋革模式，且兩者的安放位置可置換。
3.根據權利要求I所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述系統還包含延時器； 所述多通道計數器進一步包含計數模塊和時幅變換模塊，用于實現計數和時間分辨功能，獲取時間維度信息；當采用光子到達時間方式獲取時間分辨，則時幅變換模塊使能，而延時器不使能；當采用延時計數門寬的方式，則時幅變換模塊不使能，而延時器使能； 所述延時器向所述計數模塊發送門控信號，用于延時門寬上升沿或下降沿的到達時間，該延時的時間段能夠作為對應瞬態周期內的時間子段，該時間分辨精度能夠達到20ps ； 所述延時器由多通道計數器中的時幅變換模塊進行功能置換，該時間幅度變換模塊用于將獲得的光子的時間轉化為電壓形式并記錄在對應通道中，并按光子到達時間將光子數分段劃分，統計得到一個瞬態周期內各時間間隔內的多段累積計數，時間分辨精度達到5ps ； 當被測對象為非周期變化的情況下，設物體在某一較短時間內幾乎保持不變，此時采用逐幀測量的方式，即測完一幀可見光和近紅外光圖像后再測下一幀，時間分辨精度達到秒級。
4.根據權利要求I所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述隨機數發生器通過采集自然界的隨機源作為隨機數源，對真隨機數進行處理獲取隨機數并輸出至空間光調制器； 所述數據讀寫存儲器，用于存儲輸入的各個子時間段或各使能門控信號時間段內的光子數、各通道的時間維度信息及相應的隨機測量矩陣，從而起到讀寫與緩存的作用。
5.根據權利要求I所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述系統控制平臺進一步包含 使能控制模塊，用于控制各部件的使能，即發送驅動使能信號發給上述各部件使其開始正常工作； 同步控制模塊，用于實現激光脈沖和多通道計數器的光子計數之間的同步；和 矩陣變換模塊，用于控制隨機陣列的變換和其上隨機矩陣的更替并在瞬態周期開始前或結束后進行相應調整。
6.一種互補測量的時間分辨單光子計數成像方法，所述方法包含 步驟101)脈沖激光器每隔一段時間將激光打在物體上，激發物體發出熒光，該熒光作為極弱光對象，所述熒光由光學成像部件成像在空間光調制器上，空間光調制器依據隨機測量矩陣對其進行隨機光調制后以將光分配到兩臂出射方向上； 步驟102)分別利用可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器進行兩臂同時探測，并采用時間分辨策略完成探測的時間分辨； 步驟103)采用多通道計數器對可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器探測的結果分別進行計數，依據所述計數值、時間維度信息與隨機測量矩陣采用重建算法實現單光子量級的極弱光對象的可見光和近紅外光成分的灰度視頻幀序列，完成互補測量的時間分辨單光子計數成像。
7.根據權利要求6所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像方法，其特征在于，所述步驟102)采用如下時間分辨策略中的一種 策略一，可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器常開，保持空間光調制器固定一幀不動，以脈沖激光的脈沖波形作為時間幅度變換模塊的參考脈沖，開啟激光，激發物體熒光，時間幅度變換模塊將光子到達時間以電壓形式記錄下來，記錄在對應的通道中，按光子達到時間將光子數進行分段劃分，統計出一個周期內d個時間子段的累計計數，然后空間光調制器上隨機陣列變換到下一幀，重復上述操作，變換M次，則每個時間子段內便相應有M個計數，分別對應M個隨機測量矩陣及其互補矩陣，分別對每個時間子段做算法重建，便可捕捉到一個周期內成分分布的瞬態變化過程；若光強極弱，則多次測量累加使相應的計數變大，依法炮制； 策略二，可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器常開，保持空間光調制器固定一幀不動，開啟激光，激發物體熒光，通過延時器向多通道計數器中的計數模塊發送門控信號，可延時門寬上升沿或下降沿的到達時間，該延時的時間段作為瞬態周期內的時間子段，在每次瞬態周期內僅探測一次，門寬延時后再探測一次，兩次的計數值作差便得到時間子段內的計數值，重復上述操作，得到一個周期內d個時間子段的累計計數，然后空間光調制器上隨機陣列變換到下一幀，重復上述操作，變換M次，則每個時間子段內便相應有M個計數，分別對應M個隨機測量矩陣及其互補矩陣，分別對每個時間子段做算法重建，便可捕捉到一個周期內成分分布的瞬態變化過程；若光強極弱，則多次測量累加使相應的計數變大,依法炮制； 所述步驟103)采用的稀疏重建的步驟具體包含 在每個時間子段內，將會獲得可見光和近紅外光的兩組測量值y和y'，其中^和I' i，分別對應隨機矩陣％和矩陣的補a' i，由于矩陣元素用0和I 二值表示，矩陣的補即I_a，其中I是單位陣，將％和&' 別拉伸至一行，分別作為該時間子段內可見光測量矩陣A和近紅外光測量矩陣A'中的第i行，測量M次，兩個測量矩陣都共計M行，y和y'都共計M個值，利用關聯的壓縮傳感重建算法便可重建出該時間子段內觀測對象在可見光波段和近紅外光波段的灰度圖像，結合時間維度信息，便可得到可見光成分和近紅外光成分的空間分布動態變化的灰度視頻幀序列。
8.根據權利要求7所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像方法，其特征在于，所述壓縮傳感數學模型如下 來自觀測物體的光投影到空間光調制器上，在任意一臂光路上將反射光收集到一個點，在瞬態周期中的某個時間子段內，分別將待測可見光信號和近紅外光信號假想為列向量x，x' G ETv，則該過程可看作兩組測量矩陣和相應待測信號作內積的過程，分別得到兩組觀測向量Jf, )< e Rif，其中為A' G iK<M<stN),e,e'G R'w是系統噪聲，如果x是可壓縮或可稀疏表達的，則I =，其中V2，…，￥n]是稀疏變換矩陣(即稀疏框架)，^ =，即關聯稀疏度，那么，壓縮采樣的過程可以描述為下式 [>-,/] = + + 其中，將A設置為二值隨機測量矩陣； 所述的稀疏重建是在已知觀測數據y，y'和測量矩陣A，A'的條件下求解7，7，用壓縮傳感的策略進行求解，所述策略采用如下算法 其中，Il…Ilp代表范數算符，僅需M彡0(K ^log(NA))次測量，便可反演出待測物體在該時間子段內可見光波段和近紅外光波段的光強空間分布信息X和X'。
9.根據權利要求7所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像方法，其特征在于，所述壓縮傳感算法包括貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0MP、基跟蹤算法 BP、LASSO, LARS、GPSR、貝葉斯估計算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、Il_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、I0重建算法、I1重建算法或I2重建算法。
10.根據權利要求7所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像方法，其特征在于，所述的關聯的壓縮傳感算法是基于每個時間子段內的兩個隨機測量矩陣是互補的而提出的，將單位陣看作測量矩陣參與運算，在壓縮傳感算法的基礎上加入修正參數，所得值再與X做符合運算，便得到X'，極大簡便運算，縮小存儲空間，可見光信號X與近紅外光信號X'可同時獲得，每個時間子段內的數據依法炮制，進而可得到可見光和近紅外光灰度視頻幀序列。
全文摘要
本發明提供一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統及方法，該系統由光學部分和電學部分組成，光學部分用于成像、光調制、會聚收集等，電學部分用于探測、控制、時間分辨和成像等。該方法包括以下步驟極弱光成像在空間光調制器上，經調制后出射至雙臂方向，會聚后分別由可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器探測，以時幅變換或延時計數門寬的方式實現周期對象皮秒級時間分辨，以逐幀測量方式實現非周期對象秒級時間分辨，根據兩臂矩陣互補，利用關聯的壓縮傳感算法重建出可見光及近紅外光灰度視頻幀序列。本發明解決了常規時間分辨成像方法的可見光與近紅外光無法同時探測及空時分辨精度差等問題，具有潛在實用價值和廣闊應用前景。
文檔編號H03K21/00GK102769460SQ201210265250
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者俞文凱, 劉雪峰, 王超, 翟光杰, 趙清 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心