一种单光子计数成像的偏振去噪方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111896125A(43)申请公布日2020.11.06(21)申请号202010657471.5G06F17/16(2006.01)(22)申请日2020.07.09G06T5/00(2006.01)(71)申请人武汉大学地址430072湖北省武汉市武昌区珞珈山武汉大学(72)发明人田昕陈葳李松朱凯余典杨晋陵马跃周辉(74)专利代理机构武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙)42222代理人王琪(51)Int.Cl.G01J11/00(2006.01)G01S17/89(2020.01)G01S7/483(2006.01)G06F17/11(2006.01)权利要求书3页说明书9页附图4页(54)发明名称一种单光子计数成像的偏振去噪方法(57)摘要本发明提供了一种单光子计数成像的偏振去噪方法，包括：通过斯托克斯(stokes)矢量和穆勒矩阵计算出两个方向的探测器探测得到的总强度，并定义一个新的反射率指标αN；通过计算反射率α和线性去极化参数β的负对数似然函数，并添加非局部先验稀疏表示约束，构建单光子计数成像偏振去噪模型；通过交替最小化方法解决优化问题，得到并输出反射率和去极化参数图像。本发明方法可以在高背景噪声环境下，利用信号光与背景光之间的偏振差异，从根源上提高了信噪比，同时结合非局部先验稀疏表示约束，不仅能获得高质量的反映目标特征的反射率图像，还能得到目标本身的线性去极化参数图像，获取目标的偏振信息。CN111896125ACN111896125A权利要求书1/3页1.一种单光子计数成像的偏振去噪方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，通过斯托克斯stokes矢量和穆勒矩阵计算出两个方向的探测器探测得到的总强度，并定义一个新的反射率NRI指标αN；其中，α为反射率，β为线性去极化参数，a1，b1代表归一化后的stokes矢量中的两个参数；步骤2，通过计算反射率α和线性去极化参数β的负对数似然函数，并添加非局部先验稀疏表示约束，构建单光子计数成像偏振去噪模型；步骤3，通过交替最小化方法解决优化问题，得到并输出反射率和去极化参数图像。2.如权利要求1所述的一种单光子计数成像的偏振去噪方法，其特征在：步骤1中两个角度满足，θP为任意角度，θM＝θP+90°。3.如权利要求1所述的一种单光子计数成像的偏振去噪方法，其特征在：步骤1中计算两个方向的探测器探测得到的总强度的具体实现方式如下，已知偏振态的用以照射目标的周期性脉冲激光表示为：TSlaser＝I0[1a1b1c1]22其中，I0为脉冲激光的光强度，a1，b1，c1代表归一化后的stokes矢量，同时满足a1+b1+2c1＝1，经目标后的反射光的偏振态表示为：Sre＝Miar×Slaser其中，Mtar为目标物体表面的穆勒矩阵；对于非双折射材料的光反射，穆勒矩阵近似为其中，α为目标的反射率，β和χ分别为目标物体的线性去极化参数和圆形去极化参数；在接收系统中，存在一个相对于x方向成角度θ的偏振片，该偏振片的穆勒矩阵表示为在真实场景中，将背景光的光强度表示为IB，由于背景光为自然光，所以通过线性偏振片后，其光强度会变为原来的一半，因此，到达探测器的总光强I为上式表明了，偏振片的角度对于SNR的提升起到重要作用，使SNR最高的角度θP由下式求出2CN111896125A权利要求书2/3页得到这时在该角度的总光强IP为为求解出α和β，转动偏振片至角度θM，θM＝θP+90°，这时到达探测器的总光强IM为，4.根据权利要求2或3所述的一种单光子计数成像的偏振去噪方法，其特征在于：步骤2的具体实现包括以下子步骤：步骤2.1，由单光子计数模块记录每个像素(i，j)上收集到的光子数X(i，j)，根据分别在θP和θM角度上得到的光子计数XθP(i，j)和XθM(i，j)，计算关于反射率α和线性去极化参数β的负对数似然函数：其中η为探测器的光电探测效率，D表示每个脉冲重复周期内探测器的暗计数，B和S分别代表每个脉冲重复周期内背景计数和总信号计数，N为激光照射到目标的每个像素的脉冲数，m×n为单光子计数图像的分辨率，PθP和PθM分别为在角度为θP和θM的单个照明脉冲中检测到的光子数量X(i，j)的概率质量函数；步骤2.2，将图像分成重叠的小块进行处理，以反射率为例，给定一个噪声较大的色块α*，基于块匹配算法从NRI中探究出K个相似的色块，生成一个具有一定信噪比的色块组，作为先验知识；步骤2.3，结合上述约束，最终构建单光子计数成像偏振去噪模型：其中后两项皆为先验约束，D为字典，λα和λβ为平衡不同项之间的参数，wα为反射率图像α的稀疏表示，wβ为线性去极化参数图像β的稀疏表示。5.根据权利要求4所述的一种单光子计