本發(fā)明提供了一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)及方法，屬于單像素多波長(zhǎng)成像。

背景技術(shù)：

1、圖像信息在科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療診斷和國(guó)防軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，高質(zhì)量圖像信息的獲取方式主要包括光學(xué)相機(jī)、紅外探測(cè)和單像素成像等。其中，單像素成像技術(shù)僅使用一個(gè)探測(cè)器，通過(guò)時(shí)間編碼或空間編碼等技術(shù)，獲取目標(biāo)的熱量或其他信息，這種成像方式成本低、功耗小，適用于在極端環(huán)境中對(duì)目標(biāo)物的成像。單像素多波長(zhǎng)成像技術(shù)使用紅色、綠色和藍(lán)色三個(gè)基本顏色通道來(lái)記錄圖像，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)單色圖像，最終通過(guò)組合這三個(gè)通道來(lái)生成彩色目標(biāo)物重建圖像。

2、單像素多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)主要分為時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)和頻分復(fù)用系統(tǒng)兩種。時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)通過(guò)將不同波長(zhǎng)的光調(diào)制到不同的時(shí)間段內(nèi)照射目標(biāo)，然后檢測(cè)各個(gè)時(shí)間段的回波信號(hào)。然而，這種系統(tǒng)對(duì)光源的脈沖寬度和時(shí)間穩(wěn)定性要求較高，并且在實(shí)際應(yīng)用中，不同深度的圖像可能會(huì)互相干擾，從而限制了其應(yīng)用范圍。相較之下，頻分復(fù)用系統(tǒng)通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)標(biāo)記為不同的重復(fù)頻率，并利用快速傅里葉變換在頻域中提取這些回波信號(hào)。傳統(tǒng)的單像素多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)使用光電探測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)致系統(tǒng)靈敏度較低以及在弱光環(huán)境下成像效果不佳。單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)使用單光子探測(cè)器收集多波長(zhǎng)信息，具備高靈敏度和優(yōu)異的弱光檢測(cè)能力。然而，現(xiàn)有的單光子多波長(zhǎng)成像技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨兩大挑戰(zhàn)。第一，存在大量的漲落噪聲。由于光子本身的不確定性和統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，單光子探測(cè)器在對(duì)光子進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)漲落現(xiàn)象。在極端環(huán)境下，這種漲落噪聲會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響，限制了成像系統(tǒng)的性能。第二，存在一定的背景噪聲。來(lái)自環(huán)境中非目標(biāo)光源的干擾信號(hào)與目標(biāo)光信號(hào)混合被同時(shí)探測(cè)，使得微弱的目標(biāo)信號(hào)難以提取。因此，有必要設(shè)計(jì)一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)源上對(duì)漲落噪聲和背景噪聲進(jìn)行有效抑制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有的單光子多波長(zhǎng)成像方案在極端環(huán)境下存在的易受噪聲影響和成像質(zhì)量較差的問題，本發(fā)明提出了一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)及方法。與傳統(tǒng)去噪方法相比，本發(fā)明提出的物理驅(qū)動(dòng)模型不依賴于大量的樣本學(xué)習(xí)，在平均每像素僅需30個(gè)光子的條件下，可顯著提高圖像的峰值信噪比10db以上，并在各種應(yīng)用場(chǎng)景下表現(xiàn)出優(yōu)異的魯棒性。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)，包括多波長(zhǎng)調(diào)制照明模塊、空間調(diào)制編碼模塊和探測(cè)成像模塊；多波長(zhǎng)調(diào)制照明模塊使用不同調(diào)制重復(fù)頻率的信號(hào)光對(duì)彩色目標(biāo)物進(jìn)行照明并散射至空間調(diào)制編碼模塊，空間調(diào)制編碼模塊將彩色目標(biāo)物進(jìn)行空間編碼并傳送至探測(cè)成像模塊，探測(cè)成像模塊捕獲調(diào)制信號(hào)光并傳輸至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)先寫入物理驅(qū)動(dòng)模型程序，物理驅(qū)動(dòng)模型包括測(cè)量值去噪模塊和物理驅(qū)動(dòng)圖像重建模塊，測(cè)量值去噪模塊中通過(guò)測(cè)量值去噪網(wǎng)絡(luò)對(duì)一維測(cè)量值進(jìn)行去噪；物理驅(qū)動(dòng)圖像重建模塊將去噪后的一維光子計(jì)數(shù)序列還原為紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的二維目標(biāo)圖像，最后合并為一張高質(zhì)量的彩色目標(biāo)物重建圖像。

3、所述多波長(zhǎng)調(diào)制照明模塊包括第一波長(zhǎng)激光器、分束器、第二波長(zhǎng)激光器、第三波長(zhǎng)激光器、衰減片和擴(kuò)束器，將三種波長(zhǎng)的激光器調(diào)制為不同的重復(fù)頻率，并利用分束器合束為一束光，經(jīng)過(guò)衰減片調(diào)控光強(qiáng)和擴(kuò)束器準(zhǔn)直擴(kuò)束后照射彩色目標(biāo)物；

4、第一波長(zhǎng)激光器、第二波長(zhǎng)激光器、第三波長(zhǎng)激光器分別用于產(chǎn)生紅色、綠色和藍(lán)色可見光，三個(gè)激光器對(duì)應(yīng)調(diào)制頻率不同；

5、所述分束器設(shè)置有兩個(gè)，第一個(gè)分束器設(shè)置在第一波長(zhǎng)激光器與第二波長(zhǎng)激光器之間，將兩束光合為一束光，第二個(gè)分束器設(shè)置在第三波長(zhǎng)激光器與第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)的合束光之間，將第三波長(zhǎng)和第一次的合束光再融合為一束光。

6、所述空間調(diào)制編碼模塊包括第一透鏡和數(shù)字微鏡器件，來(lái)自物體的散射光經(jīng)過(guò)第一透鏡傳送至數(shù)字微鏡器件；數(shù)字微鏡器件預(yù)先加載一組空間分辨率為256×256的哈達(dá)碼掩膜對(duì)彩色目標(biāo)物進(jìn)行空間編碼調(diào)制；

7、所述數(shù)字微鏡器件的外觸發(fā)信號(hào)由時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器記錄。

8、所述探測(cè)成像模塊包括第二透鏡、單光子探測(cè)器和時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器；第二透鏡將數(shù)字微鏡器件反射的編碼信號(hào)會(huì)聚至單光子探測(cè)器，單光子探測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)由時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器記錄并傳輸至計(jì)算機(jī)。

9、一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像方法，采用基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)，包括以下步驟：

10、步驟1：多波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)光源照射彩色目標(biāo)物及空間編碼調(diào)制；

11、步驟2：?jiǎn)喂庾佣嗖ㄩL(zhǎng)調(diào)制信號(hào)探測(cè)；

12、步驟3：利用測(cè)量值去噪網(wǎng)絡(luò)去除一維測(cè)量值中存在的噪聲：

13、步驟3.1：對(duì)計(jì)算機(jī)獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，分別計(jì)算每張調(diào)制掩膜對(duì)應(yīng)的光子計(jì)數(shù)值：

14、

15、式中，為第n張掩膜對(duì)應(yīng)的光子計(jì)數(shù)值，為第n張哈達(dá)瑪掩膜，t(x，y)表示目標(biāo)物；

16、步驟3.2：利用經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的測(cè)量值對(duì)一維光子計(jì)數(shù)值進(jìn)行去噪：

17、

18、式中，為包含噪聲的光子計(jì)數(shù)值，cp為去噪后的光子計(jì)數(shù)值，dθ為嵌入了遮擋注意力機(jī)制的測(cè)量值去噪網(wǎng)絡(luò)；

19、步驟4：利用物理驅(qū)動(dòng)圖像重建模塊迭代重建彩色目標(biāo)物的二維圖像：

20、t*＝rθ(dgi(cp))；

21、限制條件為：

22、式中，t*表示重建圖像，rθ為u-net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，dgi為差分鬼成像重構(gòu)算法，cp為去噪后的光子計(jì)數(shù)值，p代表哈達(dá)瑪掩膜，t代表迭代過(guò)程中非最優(yōu)重構(gòu)圖像。

23、步驟1具體包括：

24、步驟1.1：調(diào)制第一波長(zhǎng)激光器的重復(fù)頻率、第二波長(zhǎng)激光器的重復(fù)頻率、第三波長(zhǎng)激光器的重復(fù)頻率，三種不同波長(zhǎng)激光器經(jīng)過(guò)重復(fù)頻率調(diào)制，并利用分束器合束為一束光，通過(guò)擴(kuò)束器準(zhǔn)直擴(kuò)束后照射彩色目標(biāo)物；

25、步驟1.2：利用第一透鏡收集彩色目標(biāo)物的散射信號(hào)并成像到數(shù)字微鏡器件的調(diào)制區(qū)域，在數(shù)字微鏡器件加載一組空間分辨率為256×256的哈達(dá)瑪掩膜對(duì)彩色目標(biāo)物進(jìn)行空間編碼調(diào)制。

26、步驟2具體包括：

27、步驟2.1：利用第二透鏡將數(shù)字微鏡器件調(diào)制的反射光會(huì)聚到單光子探測(cè)器；

28、步驟2.2：利用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器記錄單光子探測(cè)器的響應(yīng)數(shù)據(jù)并傳輸至計(jì)算機(jī)。

29、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具備的有益效果為：

30、1、本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)，該物理驅(qū)動(dòng)模型直接處理成像前端采集的數(shù)據(jù)。相比于在成像后端利用去噪算法提升圖像質(zhì)量，本發(fā)明在平均每像素僅需30個(gè)光子的條件下，可顯著提高圖像峰值信噪比10db以上。

31、2、本發(fā)明將去噪后的光強(qiáng)值作為物理驅(qū)動(dòng)模型的約束條件，該模型僅需少量先驗(yàn)知識(shí)即可適用于任何成像場(chǎng)景，使本系統(tǒng)具有極高的魯棒性，適用于目標(biāo)物快速變化的應(yīng)用場(chǎng)景。

技術(shù)特征：

1.一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)，其特征在于：包括多波長(zhǎng)調(diào)制照明模塊、空間調(diào)制編碼模塊和探測(cè)成像模塊；多波長(zhǎng)調(diào)制照明模塊使用不同調(diào)制重復(fù)頻率的信號(hào)光對(duì)彩色目標(biāo)物進(jìn)行照明并散射至空間調(diào)制編碼模塊，空間調(diào)制編碼模塊將彩色目標(biāo)物進(jìn)行空間編碼并傳送至探測(cè)成像模塊，探測(cè)成像模塊捕獲調(diào)制信號(hào)光并傳輸至計(jì)算機(jī)(112)，在計(jì)算機(jī)(112)內(nèi)預(yù)先寫入物理驅(qū)動(dòng)模型程序，物理驅(qū)動(dòng)模型包括測(cè)量值去噪模塊和物理驅(qū)動(dòng)圖像重建模塊，測(cè)量值去噪模塊中通過(guò)測(cè)量值去噪網(wǎng)絡(luò)對(duì)一維測(cè)量值進(jìn)行去噪；物理驅(qū)動(dòng)圖像重建模塊將去噪后的一維光子計(jì)數(shù)序列還原為紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的二維目標(biāo)圖像，最后合并為一張高質(zhì)量的彩色目標(biāo)物重建圖像。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述多波長(zhǎng)調(diào)制照明模塊包括第一波長(zhǎng)激光器、分束器(102)、第二波長(zhǎng)激光器、第三波長(zhǎng)激光器、衰減片(105)和擴(kuò)束器(106)，將三種波長(zhǎng)的激光器調(diào)制為不同的重復(fù)頻率，并利用分束器(102)合束為一束光，經(jīng)過(guò)衰減片(105)調(diào)控光強(qiáng)和擴(kuò)束器(106)準(zhǔn)直擴(kuò)束后照射彩色目標(biāo)物(107)；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述空間調(diào)制編碼模塊包括第一透鏡(1081)和數(shù)字微鏡器件(109)，來(lái)自物體的散射光經(jīng)過(guò)第一透鏡(1081)傳送至數(shù)字微鏡器件(109)；數(shù)字微鏡器件(109)預(yù)先加載一組空間分辨率為256×256的哈達(dá)碼掩膜對(duì)彩色目標(biāo)物(107)進(jìn)行空間編碼調(diào)制。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述探測(cè)成像模塊包括第二透鏡(1082)、單光子探測(cè)器(110)和時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器(111)；第二透鏡(1082)將數(shù)字微鏡器件(109)反射的編碼信號(hào)會(huì)聚至單光子探測(cè)器(110)，單光子探測(cè)器(110)的響應(yīng)信號(hào)由時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器(111)記錄并傳輸至計(jì)算機(jī)(112)；

5.一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像方法，其特征在于：采用如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像方法，其特征在于：步驟1具體包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像方法，其特征在于：步驟2具體包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于物理驅(qū)動(dòng)模型的單光子多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)及方法，屬于單像素多波長(zhǎng)成像技術(shù)領(lǐng)域；解決了現(xiàn)有的單光子多波長(zhǎng)成像方案在極端環(huán)境下存在的易受噪聲影響和成像質(zhì)量較差的問題；包括多波長(zhǎng)調(diào)制照明模塊、空間調(diào)制編碼模塊和探測(cè)成像模塊；多波長(zhǎng)調(diào)制照明模塊使用不同調(diào)制重復(fù)頻率的信號(hào)光對(duì)彩色目標(biāo)物進(jìn)行照明并散射至空間調(diào)制編碼模塊，空間調(diào)制編碼模塊將彩色目標(biāo)物進(jìn)行空間編碼并傳送至探測(cè)成像模塊，探測(cè)成像模塊捕獲調(diào)制信號(hào)光并傳輸至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)先寫入物理驅(qū)動(dòng)模型程序，物理驅(qū)動(dòng)模型包括測(cè)量值去噪模塊和物理驅(qū)動(dòng)圖像重建模塊，最后合并為一張高質(zhì)量的彩色目標(biāo)物重建圖像；本發(fā)明應(yīng)用于光子成像。

技術(shù)研發(fā)人員：王星渝,宋愷,卞耀興,劉洪瑞,曾凡晉,張福通,趙世軍,葛鴻達(dá),肖連團(tuán)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：太原理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2