基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统及成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种基于光纤阵列赝热光源的鬼成像系 统及成像方法，可用于目标的探测与成像。
【背景技术】
[0002] 鬼成像，又称量子成像或关联成像，是近十年发展起来的一种新型成像技术。它利 用光场的关联特性来实现物体的非局域和超分辨成像。最早的鬼成像实验采用双光子纠缠 源作为光源来实现物体的成像，后来利用经典的非相干光源（赝热光、热光源）来实现物体 的非局域关联成像。相比产生效率低的双光子纠缠光源，热光和赝热光源普遍存在、更容易 获取，因此逐渐成为研究热点。
[0003] 2002年，Rochester大学的R.S.Bennink等人实现了经典光源的强度关联成 像（BenninkRS,BenleySJ,BoydRff. "Two-photon"coincidenceimagingwitha classicalsource.Phys.Rev.Lett. , 2002, 89:113601)。2005 年利用歷热光源实现的 双光子关联成像实验也被报道（MA.Valencia,G.Scarcelli,M.D'Angelo，Y.H.Shih· Two-PhotonImagingwithThermalLight.Phys.Rev.Lett. 2005,94(6):063601)。此 后大多数的鬼成像均采用旋转毛玻璃法产生的赝热光源。直到2008年，学者Shapiro提 出了基于空间光调制器（SLM)的计算鬼成像方案（ShapiroJ.H·，Computationalghost imaging,Phys.Rev.A, 2008, 78(6) :061802 (R) :1-4) ;2009 年，利用液晶SLM的计算鬼成像 实验被报道（1〇·Υ·Bromberg, 0·Katz,andY.Silberberg，"Ghostimagingwithasingle detector, "Phys.Rev.A79,053840(2009)) ;2011 年，陆海明研究 了利用数字微镜器件 (DMD)的计算鬼成像（陆明海，沈夏，韩申生.基于数字微镜器件的压缩感知关联成像研究， 光学学报，2011，31 (7) :0711002)。申请号为201310296016的中国发明专利申请也公开了 一种基于液晶SLM的压缩三维计算鬼成像系统及方法。但是现有的计算鬼成像系统均采用 由空间光调制器产生（液晶SLM或DMD)的赝热光源，受限于器件的响应速度和功率阈值， 存在着以下局限：产生的散斑场速率低，成像速率低；赝热光输出功率低，作用距离近。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种成像速率高、作用距离远的基于光纤阵列赝热光的鬼成 像系统及成像方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
[0006] 基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统，包括：脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调 制器、射频驱动电源、光纤放大器、光纤阵列、扩束准直器、半反半透镜、接收望远镜、光电阵 列探测器、信号采集模块以及信号控制与计算成像模块，其中，所述脉冲激光器、光纤耦合 器、电光相位调制器、光纤放大器及光纤阵列通过单模光纤依次相连，所述电光相位调制器 由所述射频驱动电源驱动，所述射频驱动电源与所述信号控制与计算成像模块相连；脉冲 激光器发出的激光被所述光纤親合器分成多束相干光传输至所述电光相位调制器进行随 机相位调制，然后传输至所述光纤放大器进行功率放大，经所述光纤阵列、扩束准直器及半 反半透镜后照射到目标，所述接收望远镜收集散射光信号并汇聚到所述光电探测器，光电 探测器输出的电信号由信号采集模块进行采样，采样数据传送至信号控制与计算成像模 块。
[0007] 进一步的，所述光纤阵列由剥去外保护层的单模裸光纤集束而成。
[0008] 进一步的，所述单根裸纤模场直径为5微米。
[0009] 进一步的，所述脉冲激光器采用可见光或近红外脉冲光纤激光器。
[0010] 进一步的，所述电光相位调制器为LiNb03相位调制器。
[0011] 进一步的，所述光纤放大器为有源放大器。
[0012] 进一步的，所述光电阵列探测器为PIN或APD阵列探测器。
[0013] 进一步的，所述射频驱动电源输出电压的最大值和最小值分别对应所述电光相位 调制器的正负半波电压。
[0014] 进一步的，所述脉冲激光器输出光脉冲的重复频率与射频驱动电源输出信号的变 化频率一致。
[0015] 根据前述基于光纤阵列赝热光的鬼成像系统的成像方法，包括以下步骤：
[0016] 脉冲激光器输出激光，将脉冲激光器输出的激光分成若干束相干光；
[0017] 电光相位调制器对多束相干光进行相位调制；
[0018] 调制后的光束放大后经由光纤阵列形成赝热光场，并照射到目标上；
[0019] 光电探测器接收目标的光散射信号，信号采集模块采集信号并将信号传输至信号 控制与计算成像模块，由信号控制与计算成像模块根据采集到的数据进行成像；
[0020] 利用接收信号和参考光场分布恢复出目标图像，步骤如下：
[0021] a、根据光纤阵列光束的几何分布和调制相位，利用光纤阵列输出的赝热光场强度 分布计算采样t时刻第m次采样的散斑场IRini:
[0022]
[0023] 其中，为光电阵列探测器的第p个阵元、目标图像对应的参考光场矩阵，p= 1，···，Ρ，Ρ为光电阵列探测器每行（列）阵元个数；
[0024] b、获取采样后光电阵列探测器每个阵元输出的电信号；
[0025] c、获取光电阵列探测器每个阵元恢复的目标局部图像矩阵；
[0026] d、将光电阵列探测器所有阵元得到的目标局部图像矩阵进行拼接，得到目标的完 整图像：
[0027]
[0028] Gp为第p个阵元恢复的目标局部图像矩阵。
[0029] 由以上技术方案可知，本发明的鬼成像系统采用多光束合成方式和光纤放大器， 可以输出高亮度的赝热光场，作用距离远，并采用高灵敏度的光电阵列探测器，可对远距离 目标进行计算成像；成像速率高，输出光场强度起伏速率高，同时采用阵列探测器，分割目 标视场，降低样本需求，进而提高成像速率，解决了已有鬼成像系统存在的不足。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明实施例的结构示意图；
[0031] 图2为本发明实施例光纤阵列的示意图；
[0032] 图3为本发明实施例探测器的示意图；
[0033] 图4为本发明实施例赝热光源的归一化强度关联系数图；
[0034] 图5为本发明实施例赝热光源的散斑场强度空间分布图；
[0035] 图6为计算成像仿真时采用的目标反射率模型图；
[0036] 图7为仿真成像得到的强度关联算法的成像结果图；
[0037] 图8为仿真成像得到的压缩感知算法的成像结果图。
[0038] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细地说明。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示 器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制 本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅 用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0040] 如图1所示，本发明的基于光纤阵列光束赝热光的鬼成像系统包括脉冲激光器1、 光纤耦合器2、电光相位调制器4、射频驱动电源5、光纤放大器6、光纤阵列7、扩束准直器 8、半反半透镜9、接收望远镜10、光电阵列探测器11、信号采集模块12以及信号控制与计算 成像模块13,其中，脉冲激光器1、光纤親合器2、电光相位调制器4、光纤放大器6及光纤阵 列7通过单模光纤3依次相连。
[0041] 脉冲激光器1输出的激光被光纤親合器2分为N束相干光后，沿单模光纤3传输。 电光相位调制器4为高速率电光调制器，电光相位调制器4由射频驱动电源5驱动，被光纤 耦合器2分成若干束的相干光沿单模光纤3传输至电光相位调制器4后，利用由射频驱动 电源5驱动的电光相位调制器4实现N个相干光束的快速时变随机相位调制，射频驱动电 源5的输出由信号控制与计算成像模块13控制，射频驱动电源5输出电压的最大值和最小 值分别对应电光相位调制器的正负半波电压。调制后的N束相干光传输至光纤放大器6,由 光纤放大器6对每束光进行功率放大后传输至光纤束阵列7,光束经由光纤阵列7空间辐射 叠加形成快速时变的散斑场，即赝热光场，最后经扩束准直器8和半反半透镜9后照射到目 标，散射光信号经接收望远镜10收集汇聚到光电探测器11，光电探测器11输出的电信号由 信号采集模块12进行数字采样，采样数据传送至信号控制与计算成像模块13,完成参考光 场计算与成像处理。
[0042] 本发明的光纤束阵列7由剥去外保护层的裸光纤集束而成，光纤束阵列可根据输 出光场的需要选择合适的排布方式，如圆环形阵列、均匀方形阵列等。如图2所示，本实施 例的光纤束阵列为N=SXS(S= 5)的方形阵列，单根裸纤模场直径5微米。光电阵列探 测器采用高灵敏度、低像素的PIN或AH)阵列探测器，如图3所示，本实施例的光电阵列探 测器采用5*5的AH)阵列（InGaAs)，可以避免成像模糊。
[0043] 本发明的脉冲激光器1采用可见光或近红外激光器，如波长为1064nm或1310nm 或1550nm的脉冲激光器，脉冲激光器输出光脉冲的重复频率与射频驱动电源输出信号的 变化频率一致。本实施例的脉冲激光器1采用波长为1550nm的脉冲光纤激光器，电光相位 调制器4采用Photeline公司的LiNb03相位调制器，其最大调制速率10吉赫兹（GHz)，半波 电压<10V。射频驱动电源输出25路随机电压信号至电光相位调制器，