基于光纖陣列贗熱光的鬼成像系統及成像方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學成像技術領域，特別涉及一種基于光纖陣列贗熱光源的鬼成像系 統及成像方法，可用于目標的探測與成像。
【背景技術】
[0002] 鬼成像，又稱量子成像或關聯成像，是近十年發展起來的一種新型成像技術。它利 用光場的關聯特性來實現物體的非局域和超分辨成像。最早的鬼成像實驗采用雙光子糾纏 源作為光源來實現物體的成像，后來利用經典的非相干光源（贗熱光、熱光源）來實現物體 的非局域關聯成像。相比產生效率低的雙光子糾纏光源，熱光和贗熱光源普遍存在、更容易 獲取，因此逐漸成為研究熱點。
[0003] 2002年，Rochester大學的R.S.Bennink等人實現了經典光源的強度關聯成 像（BenninkRS,BenleySJ,BoydRff. "Two-photon"coincidenceimagingwitha classicalsource.Phys.Rev.Lett. , 2002, 89:113601)。2005 年利用歷熱光源實現的 雙光子關聯成像實驗也被報道（MA.Valencia,G.Scarcelli,M.D'Angelo，Y.H.Shih· Two-PhotonImagingwithThermalLight.Phys.Rev.Lett. 2005,94(6):063601)。此 后大多數的鬼成像均采用旋轉毛玻璃法產生的贗熱光源。直到2008年，學者Shapiro提 出了基于空間光調制器（SLM)的計算鬼成像方案（ShapiroJ.H·，Computationalghost imaging,Phys.Rev.A, 2008, 78(6) :061802 (R) :1-4) ;2009 年，利用液晶SLM的計算鬼成像 實驗被報道（1〇·Υ·Bromberg, 0·Katz,andY.Silberberg，"Ghostimagingwithasingle detector, "Phys.Rev.A79,053840(2009)) ;2011 年，陸海明研究 了利用數字微鏡器件 (DMD)的計算鬼成像（陸明海，沈夏，韓申生.基于數字微鏡器件的壓縮感知關聯成像研究， 光學學報，2011，31 (7) :0711002)。申請號為201310296016的中國發明專利申請也公開了 一種基于液晶SLM的壓縮三維計算鬼成像系統及方法。但是現有的計算鬼成像系統均采用 由空間光調制器產生（液晶SLM或DMD)的贗熱光源，受限于器件的響應速度和功率閾值， 存在著以下局限：產生的散斑場速率低，成像速率低；贗熱光輸出功率低，作用距離近。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種成像速率高、作用距離遠的基于光纖陣列贗熱光的鬼成 像系統及成像方法。
[0005] 為了實現上述目的，本發明采取如下的技術解決方案：
[0006] 基于光纖陣列贗熱光的鬼成像系統，包括：脈沖激光器、光纖耦合器、電光相位調 制器、射頻驅動電源、光纖放大器、光纖陣列、擴束準直器、半反半透鏡、接收望遠鏡、光電陣 列探測器、信號采集模塊以及信號控制與計算成像模塊，其中，所述脈沖激光器、光纖耦合 器、電光相位調制器、光纖放大器及光纖陣列通過單模光纖依次相連，所述電光相位調制器 由所述射頻驅動電源驅動，所述射頻驅動電源與所述信號控制與計算成像模塊相連；脈沖 激光器發出的激光被所述光纖親合器分成多束相干光傳輸至所述電光相位調制器進行隨 機相位調制，然后傳輸至所述光纖放大器進行功率放大，經所述光纖陣列、擴束準直器及半 反半透鏡后照射到目標，所述接收望遠鏡收集散射光信號并匯聚到所述光電探測器，光電 探測器輸出的電信號由信號采集模塊進行采樣，采樣數據傳送至信號控制與計算成像模 塊。
[0007] 進一步的，所述光纖陣列由剝去外保護層的單模裸光纖集束而成。
[0008] 進一步的，所述單根裸纖模場直徑為5微米。
[0009] 進一步的，所述脈沖激光器采用可見光或近紅外脈沖光纖激光器。
[0010] 進一步的，所述電光相位調制器為LiNb03相位調制器。
[0011] 進一步的，所述光纖放大器為有源放大器。
[0012] 進一步的，所述光電陣列探測器為PIN或APD陣列探測器。
[0013] 進一步的，所述射頻驅動電源輸出電壓的最大值和最小值分別對應所述電光相位 調制器的正負半波電壓。
[0014] 進一步的，所述脈沖激光器輸出光脈沖的重復頻率與射頻驅動電源輸出信號的變 化頻率一致。
[0015] 根據前述基于光纖陣列贗熱光的鬼成像系統的成像方法，包括以下步驟：
[0016] 脈沖激光器輸出激光，將脈沖激光器輸出的激光分成若干束相干光；
[0017] 電光相位調制器對多束相干光進行相位調制；
[0018] 調制后的光束放大后經由光纖陣列形成贗熱光場，并照射到目標上；
[0019] 光電探測器接收目標的光散射信號，信號采集模塊采集信號并將信號傳輸至信號 控制與計算成像模塊，由信號控制與計算成像模塊根據采集到的數據進行成像；
[0020] 利用接收信號和參考光場分布恢復出目標圖像，步驟如下：
[0021] a、根據光纖陣列光束的幾何分布和調制相位，利用光纖陣列輸出的贗熱光場強度 分布計算采樣t時刻第m次采樣的散斑場IRini:
[0022]
[0023] 其中，為光電陣列探測器的第p個陣元、目標圖像對應的參考光場矩陣，p= 1，···，Ρ，Ρ為光電陣列探測器每行（列）陣元個數；
[0024] b、獲取采樣后光電陣列探測器每個陣元輸出的電信號；
[0025] c、獲取光電陣列探測器每個陣元恢復的目標局部圖像矩陣；
[0026] d、將光電陣列探測器所有陣元得到的目標局部圖像矩陣進行拼接，得到目標的完 整圖像：
[0027]
[0028] Gp為第p個陣元恢復的目標局部圖像矩陣。
[0029] 由以上技術方案可知，本發明的鬼成像系統采用多光束合成方式和光纖放大器， 可以輸出高亮度的贗熱光場，作用距離遠，并采用高靈敏度的光電陣列探測器，可對遠距離 目標進行計算成像；成像速率高，輸出光場強度起伏速率高，同時采用陣列探測器，分割目 標視場，降低樣本需求，進而提高成像速率，解決了已有鬼成像系統存在的不足。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發明實施例的結構示意圖；
[0031] 圖2為本發明實施例光纖陣列的示意圖；
[0032] 圖3為本發明實施例探測器的示意圖；
[0033] 圖4為本發明實施例贗熱光源的歸一化強度關聯系數圖；
[0034] 圖5為本發明實施例贗熱光源的散斑場強度空間分布圖；
[0035] 圖6為計算成像仿真時采用的目標反射率模型圖；
[0036] 圖7為仿真成像得到的強度關聯算法的成像結果圖；
[0037] 圖8為仿真成像得到的壓縮感知算法的成像結果圖。
[0038] 以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細地說明。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖對本發明進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便于說明，表示 器件結構的附圖會不依一般比例做局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制 本發明保護的范圍。需要說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅 用以方便、清晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[0040] 如圖1所示，本發明的基于光纖陣列光束贗熱光的鬼成像系統包括脈沖激光器1、 光纖耦合器2、電光相位調制器4、射頻驅動電源5、光纖放大器6、光纖陣列7、擴束準直器 8、半反半透鏡9、接收望遠鏡10、光電陣列探測器11、信號采集模塊12以及信號控制與計算 成像模塊13,其中，脈沖激光器1、光纖親合器2、電光相位調制器4、光纖放大器6及光纖陣 列7通過單模光纖3依次相連。
[0041] 脈沖激光器1輸出的激光被光纖親合器2分為N束相干光后，沿單模光纖3傳輸。 電光相位調制器4為高速率電光調制器，電光相位調制器4由射頻驅動電源5驅動，被光纖 耦合器2分成若干束的相干光沿單模光纖3傳輸至電光相位調制器4后，利用由射頻驅動 電源5驅動的電光相位調制器4實現N個相干光束的快速時變隨機相位調制，射頻驅動電 源5的輸出由信號控制與計算成像模塊13控制，射頻驅動電源5輸出電壓的最大值和最小 值分別對應電光相位調制器的正負半波電壓。調制后的N束相干光傳輸至光纖放大器6,由 光纖放大器6對每束光進行功率放大后傳輸至光纖束陣列7,光束經由光纖陣列7空間輻射 疊加形成快速時變的散斑場，即贗熱光場，最后經擴束準直器8和半反半透鏡9后照射到目 標，散射光信號經接收望遠鏡10收集匯聚到光電探測器11，光電探測器11輸出的電信號由 信號采集模塊12進行數字采樣，采樣數據傳送至信號控制與計算成像模塊13,完成參考光 場計算與成像處理。
[0042] 本發明的光纖束陣列7由剝去外保護層的裸光纖集束而成，光纖束陣列可根據輸 出光場的需要選擇合適的排布方式，如圓環形陣列、均勻方形陣列等。如圖2所示，本實施 例的光纖束陣列為N=SXS(S= 5)的方形陣列，單根裸纖模場直徑5微米。光電陣列探 測器采用高靈敏度、低像素的PIN或AH)陣列探測器，如圖3所示，本實施例的光電陣列探 測器采用5*5的AH)陣列（InGaAs)，可以避免成像模糊。
[0043] 本發明的脈沖激光器1采用可見光或近紅外激光器，如波長為1064nm或1310nm 或1550nm的脈沖激光器，脈沖激光器輸出光脈沖的重復頻率與射頻驅動電源輸出信號的 變化頻率一致。本實施例的脈沖激光器1采用波長為1550nm的脈沖光纖激光器，電光相位 調制器4采用Photeline公司的LiNb03相位調制器，其最大調制速率10吉赫茲（GHz)，半波 電壓<10V。射頻驅動電源輸出25路隨機電壓信號至電光相位調制器，