[發(fā)明專利]一種基于平衡檢測(cè)的超快成像系統(tǒng)噪聲模型建立方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810677484.1
• 申請(qǐng)日: 2018-06-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109460560B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王凱民;李雨欣;孫浩杰;姜珊珊;徐巧;戴博;徐美勇;忻向軍;張大偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海理工大學(xué);華東理工大學(xué);上海出版印刷高等專科學(xué)校;北京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F119/10
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31312
• 代理人: 袁步蘭

本發(fā)明提出一種基于平衡檢測(cè)的超快成像系統(tǒng)噪聲模型建立方法，包括摻鉺光纖放大器放大噪聲和光電接收機(jī)噪聲、平衡檢測(cè)器碼間串?dāng)_噪聲以及放大噪聲和光電接收機(jī)噪聲經(jīng)過(guò)低通濾波后得到的噪聲的建模方法。將上述各噪聲模型綜合分析，建立系統(tǒng)噪聲模型，得到平衡檢測(cè)輸出的信號(hào)噪聲功率，進(jìn)而得到輸出信噪比，系統(tǒng)噪聲模型可以應(yīng)用于基于空間光調(diào)制的超快成像系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過(guò)分析噪聲模型，得到整個(gè)系統(tǒng)的噪聲功率，進(jìn)而分析對(duì)應(yīng)的成像效果。可以通過(guò)合適地調(diào)整參數(shù)，來(lái)提升成像效果，使得系統(tǒng)輸出的圖像更加清晰。由此提升超快成像系統(tǒng)在激光核聚變、生物組織和細(xì)胞探測(cè)等科研、其他工程領(lǐng)域的成像應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于平衡檢測(cè)的超快成像系統(tǒng)噪聲模型建立方法。

背景技術(shù)

高速成像技術(shù)對(duì)研究動(dòng)態(tài)現(xiàn)象有很大幫助，能廣泛應(yīng)用于研究激光核聚變、探測(cè)生物組織和細(xì)胞等科研、工程領(lǐng)域。目前，最廣泛使用的成像系統(tǒng)是基于電荷耦合器件(CCD)或者互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。然而，這類成像的手段在速率方面存在短板：高端CCD和CMOS圖像傳感器幀頻為1KHz，成像速率不足以捕捉物體的高速變化。所以，需要一種新型的超快成像技術(shù)

2009年，美國(guó)加州大學(xué)從事光信號(hào)編解碼技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)提出了連續(xù)時(shí)域編碼高速成像技術(shù)(STEAM)。該成像技術(shù)幀頻達(dá)到37MHz，是現(xiàn)有技術(shù)成像速率的3萬(wàn)多倍。成像系統(tǒng)中，寬譜脈沖用作光源。影像采集時(shí)，光脈沖在空間被展開(kāi)，光譜分量與空間位置一一對(duì)應(yīng)。在STEAM的改良版本——基于平衡檢測(cè)的超快成像系統(tǒng)中，空間展開(kāi)的光被投射到物體上，由于物體各部位對(duì)光的吸收程度不同，光被反射回來(lái)時(shí)，不同光譜分量的光強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，該過(guò)程就是光信號(hào)編解碼技術(shù)中非相干編碼原理。由此，物體的影像被記錄在光信號(hào)上。隨后，空間展開(kāi)的光信號(hào)被還原成光脈沖。接著，載有影像信息的光脈沖經(jīng)過(guò)色散器件在時(shí)域上被展開(kāi)(傅立葉變換)，譜域分量與時(shí)域分量一一對(duì)應(yīng)。因此，空間分布的影像信息被間接地映射到時(shí)域上。接下來(lái)，用EDFA對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，用平衡光電檢測(cè)器讀取光信號(hào)上的信息，平衡檢測(cè)即差分檢測(cè)，這種檢測(cè)方法使得待測(cè)物的邊緣像素凸顯，而內(nèi)部像素則相互抵消，如此，得到的圖像邊緣具有雙倍的像素梯度，使得待測(cè)物更容易和背景區(qū)分開(kāi)來(lái)。最后，并在后端處理中還原出原來(lái)的影像。通過(guò)該技術(shù)仍處于初步研究階段，存在眾多問(wèn)題有待解決，例如：成像速率、分辨率、成像方式等等。而最關(guān)鍵、亟待解決的問(wèn)題是：超快成像系統(tǒng)得到的圖像存在不同程度的失真，這會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的應(yīng)用前景。因此，首先需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在成像清晰程度方面的可靠性進(jìn)行定性定量分析。影響成像清晰程度的因素，除了信號(hào)的強(qiáng)弱之外，就是信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)各模塊(主要為光放大模塊和光電檢測(cè)模塊)產(chǎn)生的噪聲。而由于STEAM超快成像技術(shù)相對(duì)較新，對(duì)其系統(tǒng)噪聲進(jìn)行的研究尚不全面。本發(fā)明旨在解決這一問(wèn)題，提出一種新型的，基于平衡檢測(cè)的超快成像系統(tǒng)噪聲模型，定性定量求解系統(tǒng)噪聲，并研究系統(tǒng)噪聲和成像質(zhì)量的關(guān)系，為不同清晰度層次的成像需求提供相對(duì)應(yīng)的噪聲功率參考依據(jù)。幫助成像系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，合適地調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)所需的成像清晰度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于平衡檢測(cè)的超快成像系統(tǒng)噪聲模型建立方法，以助成像系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，合適地調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)所需的成像清晰度。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種基于平衡檢測(cè)的超快成像系統(tǒng)噪聲模型建立方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：光信號(hào)進(jìn)入EDFA后，分析EDFA自發(fā)輻射放大噪聲場(chǎng)強(qiáng)E_amp(t)的統(tǒng)計(jì)特性，通過(guò)將E_amp(t)與進(jìn)入EDFA之前的輸入信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)E_{forward_EDFA}(t)相加得到放大后信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)E_{after_EDFA}(t)；