本發(fā)明涉及光學(xué)成像領(lǐng)域，特別涉及一種大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、圖像作為信息傳遞的關(guān)鍵載體，在信息傳遞過程中扮演著重要角色，而成像技術(shù)則是獲取這些圖像的核心手段。傳統(tǒng)成像是一種點(diǎn)對點(diǎn)的成像方式，使用具有空間分布的陣列型探測器作為圖像傳感器，常見于手機(jī)攝像頭和數(shù)碼相機(jī)。盡管傳統(tǒng)的成像技術(shù)已相當(dāng)成熟，但在復(fù)雜環(huán)境下或某些特殊領(lǐng)域，如遠(yuǎn)距離成像，仍存在一定的局限性。在遠(yuǎn)距離成像中，傳統(tǒng)成像技術(shù)的分辨能力會受到光學(xué)衍射極限的限制，同時，成像系統(tǒng)的探測能力也很容易受到大氣湍流、煙霧等惡劣天氣的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在大霧環(huán)境下的遠(yuǎn)距離搜救中，大霧中的水滴會散射光線，使得光線在傳播過程中發(fā)生偏折，從而減少能見度；還會吸收部分光譜，降低光的強(qiáng)度，影響成像質(zhì)量，使得成像中的對比度降低，物體的圖像變得不清晰，導(dǎo)致難以分辨物體的形狀和輪廓。低對比度和模糊的圖像使得細(xì)節(jié)信息丟失，影響識別能力，給搜救帶來極大困擾。

2、針對大霧環(huán)境下搜救中得到圖像的細(xì)節(jié)信息難以識別的問題，在此，本發(fā)明將具有強(qiáng)抗干擾能力和大景深的鬼成像技術(shù)引用到大霧環(huán)境下的搜救中，提出一種大霧環(huán)境下的鬼成像搜救方法、系統(tǒng)及裝置。鬼成像源自上世紀(jì)的九十年代，物理學(xué)家們對于量子糾纏光子對的非定域特性的研究。在鬼成像過程中，激光通過旋轉(zhuǎn)的毛玻璃，得到具有隨機(jī)分布散斑特性的贗熱光場；在贗熱光場后放置一個無偏振特性的5-5分束器，使其產(chǎn)生的兩束光束具有相同的分布特性。其中一束光照射在待成像物體上，被稱為信號光路（也叫作探測臂），其后面放置一個無空間分辨率的桶探測器，收集照射到物體后的透射總光強(qiáng)（得到一個數(shù)，記作di，i=1，2，...，n）。另一束光直接照射在具有空間分辨率的ccd相機(jī)上，稱為參考光路（也叫作參考臂），對該光路的橫截面進(jìn)行掃描，得到其空間分布信息（收集到的信息是一個矩陣，記作ii，i=1，2，...，n）。通過適當(dāng)調(diào)整參考光路中ccd探測器的位置，經(jīng)過n次測量，將d1、d2、…dn和i1、i2…in這n組數(shù)據(jù)進(jìn)行“關(guān)聯(lián)運(yùn)算”，就可以恢復(fù)待成像物體的信息。

3、由于測試光路中的桶探測器沒有空間分辨能力，而參考光路中有空間分辨能力的ccd探測器并沒有直接接觸到待成像物體，因此任一單光路都無法獲得待成像物體的圖像信息，但通過關(guān)聯(lián)運(yùn)算卻可以清晰地還原物體的像，這些性質(zhì)難以由傳統(tǒng)的光學(xué)成像理論解釋，因此被稱為“鬼”成像。鬼成像是一種非常規(guī)的成像機(jī)制，它突破了傳統(tǒng)光學(xué)成像方法的衍射極限，具有非局域性的特點(diǎn)；并且這種非點(diǎn)對點(diǎn)的成像方式，具有抗干擾能力強(qiáng)、大景深、探測靈敏高、成像視角廣等特性，在軍事、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用潛能和發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述狀況，本發(fā)明的主要目的是為了提出一種大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法與系統(tǒng)，以解決上述技術(shù)問題。

2、本發(fā)明提出了一種大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，所述方法包括如下步驟：

3、步驟1、基于zemax，選定光源，并在光源后放置分束器以形成兩束具有相同分布特性的光束，得到探測光路和參考光路；

4、在探測光路上依次設(shè)置透鏡、待測物體以及桶探測器，并在透鏡待測物體設(shè)置有一層大霧模擬物，并在參考光路設(shè)置面探測器；

5、步驟2、通過zemax進(jìn)行模擬，利用桶探測器記錄透過待測物體的總光強(qiáng)，利用面探測器記錄對應(yīng)位置光強(qiáng)的空間分布；

6、計(jì)算桶探測器位置部分以及面探測器位置部分的光場分布；

7、步驟3、根據(jù)光場和光強(qiáng)的關(guān)系計(jì)算高斯型的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)寬度，根據(jù)透鏡參數(shù)進(jìn)行景深計(jì)算；

8、步驟4、以最小化高斯型的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)寬度以及最大化景深作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化完成后，得到最優(yōu)成像參數(shù)。

9、本發(fā)明還提出一種大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)應(yīng)用如上述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，所述系統(tǒng)包括：

10、2f系統(tǒng)構(gòu)建模塊，用于：

11、基于zemax，選定光源，并在光源后放置分束器以形成兩束具有相同分布特性的光束，得到探測光路和參考光路；

12、在探測光路上依次設(shè)置透鏡、待測物體以及桶探測器，并在透鏡待測物體設(shè)置有一層大霧模擬物，并在參考光路設(shè)置面探測器；

13、模擬運(yùn)行模塊，用于：

14、通過zemax進(jìn)行模擬，利用桶探測器記錄透過待測物體的總光強(qiáng)，利用面探測器記錄對應(yīng)位置光強(qiáng)的空間分布；

15、計(jì)算桶探測器位置部分以及面探測器位置部分的光場分布；

16、影響因素計(jì)算模塊，用于：

17、根據(jù)光場和光強(qiáng)的關(guān)系計(jì)算高斯型的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)寬度，根據(jù)透鏡參數(shù)進(jìn)行景深計(jì)算；

18、成像參數(shù)優(yōu)化模塊，用于：

19、以最小化高斯型的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)寬度以及最大化景深作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化完成后，得到最優(yōu)成像參數(shù)。

20、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下：

21、本發(fā)明通過zemax搭建鬼成像系統(tǒng)，利用米氏散射模擬大霧環(huán)境，并結(jié)合傳統(tǒng)成像中的景深概念，從幾何光學(xué)考慮鬼成像非焦平面成像質(zhì)量對鬼成像系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，能夠提高鬼成像系統(tǒng)在非焦平面的成像質(zhì)量，通過加大景深提擴(kuò)大成像范圍，在大霧環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)大范圍的成像，能實(shí)現(xiàn)大霧環(huán)境下位置未知目標(biāo)成像質(zhì)量的提升，以捕獲待成像物體的細(xì)節(jié)信息，更加貼合真實(shí)環(huán)境下的應(yīng)用，在惡劣環(huán)境下的搜救中有重要意義。

22、本發(fā)明的附加方面與優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)施例了解到。

技術(shù)特征：

1.一種大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，在所述步驟1中，光源為遵從一階高斯分布的圓形光源，分束器為無偏振特性的5-5分束器，大霧模擬物基于米氏散射模型構(gòu)成。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，在所述步驟2中，計(jì)算桶探測器位置部分的光場分布對應(yīng)的過程存在如下關(guān)系式：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，在計(jì)算光源到透鏡、透鏡到物體的脈沖響應(yīng)函數(shù)的過程中，根據(jù)線性光學(xué)傳遞系統(tǒng)，以將光源到透鏡、透鏡到物體的脈沖響應(yīng)函數(shù)表示為光源經(jīng)過透鏡到物體的脈沖響應(yīng)函數(shù)，光源經(jīng)過透鏡到物體的脈沖響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算過程存在如下關(guān)系式：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，增量的計(jì)算過程存在如下關(guān)系式：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，物體到桶探測器的脈沖響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算過程存在如下關(guān)系式：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，在所述步驟2中，計(jì)算面探測器位置部分的光場分布對應(yīng)的過程存在如下關(guān)系式：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，光源到面探測器的脈沖響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算過程存在如下關(guān)系式：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，在所述步驟3中，根據(jù)光場和光強(qiáng)的關(guān)系計(jì)算高斯型的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)寬度具體包括以下步驟：

10.一種大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)應(yīng)用如權(quán)利要求1至9任意一項(xiàng)所述的大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法，所述系統(tǒng)包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種大霧環(huán)境下大范圍鬼成像搜救系統(tǒng)優(yōu)化方法與系統(tǒng)，該方法通過基于ZEMAX，選定光源，并在光源后放置分束器以形成兩束光束，得到探測光路和參考光路，在探測光路上依次設(shè)置透鏡、待測物體以及桶探測器，并在透鏡待測物體設(shè)置有一層大霧模擬物，并在參考光路設(shè)置面探測器，通過ZEMAX進(jìn)行模擬，通過獲取兩個探測器的光場和光強(qiáng)，根據(jù)光場和光強(qiáng)的關(guān)系計(jì)算高斯型的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)寬度，根據(jù)透鏡參數(shù)進(jìn)行景深計(jì)算，以最小化高斯型的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)寬度以及最大化景深作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，獲取最優(yōu)成像參數(shù)。本發(fā)明利用米氏散射結(jié)合傳統(tǒng)成像中的景深概念對鬼成像系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)在大霧環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)大范圍的成像。

技術(shù)研發(fā)人員：羅春伶,李龍輝,伍津筠,朱翔,朱志明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華東交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30