CN105674923B - 基于Fresnel波带片编码的超分辨成像方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Fresnel波带片编码的超分辨成像方法及其实现装置，解决现有Fresnel波带片编码成像方式不能获得具有超分辨率的待测目标图像的问题。本发明包括以下步骤：(1)使用Fresnel波带片作编码孔对待测目标进行编码成像，得到待测目标物的编码图；(2)使用Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片的透过率函数进行编码图的复原，得到超分辨率的待测目标的原始图像；m>0。本发明构思合理、设计巧妙、适用范围广，其通过将Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片的透过率函数来进行编码图的复原，从而打破了瑞利判据的限制，很好地实现了待测目标的超分辨成像。

Description

基于Fresnel波带片编码的超分辨成像方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及高能辐射成像领域，具体涉及的是一种基于Fresnel波带片编码的超分辨成像方法及其实现装置。

背景技术

波带片编码成像技术是一种通过一次曝光获得目标三维信息的成像技术，1961年由Mertz和Young提出。目前，该技术广泛应用于天文学、核医学和激光惯性约束聚变研究等领域，其在惯性约束聚变研究(ICF)领域的应用和发展尤其吸引人们的注意。

在ICF中，通过内爆压缩区域图像能够获得驱动辐射源的对称性、均匀性以及内爆压缩等离子体流体力学不稳定性增长等重要物理信息。在粒子和强X光辐射成像中，传统的成像方法(如反射、折射等)不易获得高质量的成像。在当代ICF中，当靶参数和激光辐照参数得到充分优化时，辐射驱动内爆实验的中子产额较小，在这种剂量下带电粒子成像和中子成像技术难以奏效，采用X光成像手段是内爆压缩区域成像的最好选择。常规的X光针孔成像具有小的收光立体角，对低通量X光辐射(内爆压缩区域的硬X光通量通常比较小)成像不是十分有效。类似于Wolter显微镜，K-B显微镜的掠入射反射装置可以大幅度地提高收光效率，可望获得高分辨高信噪比的X光图像，但这类装置技术难度较大，使用成本高。

运用波带片编码成像技术使得人们在进行高温高密度等离子体诊断过程中遇到的各种各样的特殊问题得到解决，并获得了好的效果。

众所周知，空间分辨率是衡量成像器件性能的重要指标之一，但Fresnel波带片成像的空间分辨率受到波带片最外环宽度Δr的限制，即只能分辨尺寸大于1.22Δr的物体。因此，在瑞利判据的限制下，传统的Fresnel波带片编码成像方法难以实现待测目标的超分辨成像。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于Fresnel波带片编码的超分辨成像方法及其实现装置，其可以突破瑞利判据的限制，从而获得待测目标的超分辨成像。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于Fresnel波带片编码的超分辨成像方法，包括以下步骤：

(1)使用Fresnel波带片作编码孔对待测目标进行编码成像，得到待测目标物的编码图；

(2)使用Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片的透过率函数进行编码图的复原，得到超分辨率的待测目标的原始图像；m>0。

具体地说，所述Gabor波带片的透过率函数表示公式如下：

其中，m为对应于Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片，r为Fresnel波带片的第m环半径，r₁为Fresnel波带片的第一环半径。

基于上述方法，本发明还提供实现该超分辨成像方法的三种装置，分别如下：

装置一

其包括Fresnel波带片、相机记录介质和图像复原显示终端，其中：

Fresnel波带片，用于对激光聚变产生、并从聚变靶芯逸出的α粒子图像进行编码；

相机记录介质，用于获得α粒子图像的编码图；

图像复原显示终端，用于根据上述方法的步骤(2)的方式对编码图进行复原，获得具有超分辨率的激光聚变热核反应区域图像。

进一步地，所述相机记录介质为LR-115型高灵敏度固体核径迹探测器。

装置二

其包括Fresnel波带片、γ相机和图像复原显示终端，其中：

Fresnel波带片，用于对可以发射γ射线的待测物体的图像进行编码；

γ相机，用于获得待测物体图像的编码图；

图像复原显示终端，用于根据上述方法的步骤(2)的方式对编码图进行复原，获得具有超分辨率的待测物体图像。

装置三

其包括Fresnel波带片、准直器、X射线探测器和图像复原显示终端，其中：

Fresnel波带片，用于对待测物体发出的X射线图像进行编码；

准直器，用于将编码后的X射线打在X射线探测器上；

X射线探测器，用于获得X射线图像的编码图；

图像复原显示终端，用于根据上述方法的步骤(2)的方式对编码图进行复原，获得具有超分辨率的待测物体X射线图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明构思合理、设计巧妙，其在理论和实践结合的基础上，利用Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片的透过率函数来进行编码图的复原，从而打破了瑞利判据的限制，实现了待测目标的超分辨成像。根据试验统计，本发明复原得到的原始图像是直接用Fresnel波带片进行复原得到的原始图像的分辨率的m倍，优势非常明显。

(2)本发明基于所设计的超分辨成像方法基础上，通过合理的结构设计，使得本发明所设计出来的装置可以广泛应用于天文学、核医学和激光惯性约束聚变研究等领域，因而适用范围非常广泛，具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的编码成像示意图。

图3为本发明其中一种用于成像的物体的原始图像和Fresnel波带片。

图4为图3中的物体编码图及其复原后所得到的原始图像。

图5为第1阶Gabor波带片和复原得到的原始图像。

图6为第3阶Gabor波带片和复原得到的原始图像。

图7为第5阶Gabor波带片和复原得到的原始图像。

图8为第15阶Gabor波带片和复原得到的原始图像。

图9为本发明一种装置的结构示意图。

图10为本发明另一种装置的结构示意图。

图11为本发明第三种装置的结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-Fresnel波带片，2-相机记录介质，3-图像复原显示终端，4-γ相机，5-准直器，6-X射线探测器，7-待测物体。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明提供了一种超分辨成像方法，其首先使用Fresnel波带片作为编码孔对目标图像进行编码，得到编码图后，再采用Fresnel波带片的高阶Gabor波带片的透过率函数进行图像复原，从而获得能够打破瑞利判据限制的超分辨成像。如图2所示，本发明的特点是：采用普通Fresnel波带片对物体进行编码，Fresnel波带片的透过率函数可以表示为：

其中，*表示两个函数的卷积，r为Fresnel波带片的第m环半径，r₁为Fresnel波带片的第一环半径，为第二环半径。将上式作傅里叶展开，可得：

通过适当地变换，可得：

该式表明，Fresnel波带片可以表示为无穷多个Gabor波带片的线性组合。其中，Gabor波带片的透过率函数可以表示为：

其中，m表示对应于Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片，而本实施例中，所述的Gabor波带片可以是正弦型、余弦型或者其它类型的二值化Gabor波带片。

对于波带片编码成像，假设原始图像为f(x,y)，Fresnel波带片的透过率函数为g(x,y)，则经波带片后的编码图可表示为h(x,y)＝f(x,y)*g(x,y)。

测量到编码图后，采用如下公式可获得原始图像：

f(x,y)＝F^-1{F{h(x,y)}/F{g(x,y)}} (5)

其中，F{f(x,y)}表示对函数f(x,y)进行傅里叶变换，F^-1{f(x,y)}表示对函数f(x,y)进行逆傅里叶变换。上式表明，原始图像可由编码图的傅里叶变换与Fresnel波带片的傅里叶变换相除的逆傅里叶变换得到。

这里我们用Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片的透过率函数f_m(x,y)代替原Fresnel波带片的透过率函数g(x,y)，进行编码图的复原。

下面给出一个算例，证明采用该方法对编码图进行处理，可获得超分辨成像的原始图像。假设原始图像为等腰三角形，其下底的长度l为10μm；Fresnel波带片的环带数为N＝50，第一环半径为r₁＝150μm，最外环宽度为Δr＝10.6μm(如图3所示)。由于l<1.22Δr，根据瑞利判据，经波带片直接成像无法获得清晰的图像。

因此，经Fresnel波带片后所得的编码图以及通过复原获得的原始图像如图4所示。可以看出，直接对Fresnel波带片g(x,y)进行复原，无法获得清晰的原始图，因为原始图像的尺寸太小，超过了瑞利判据的限制。

下面，分别用各个阶次的Gabor波带片代替原来的Fresnel波带片透过率函数，对编码图进行复原，获得的原始图像结果如图5、6、7和8所示。

上述数值模拟计算表明，对经Fresnel波带片编码成像所得的编码图进行复原时，当采用的Gabor波带片的阶次m取得足够高时，可以实现打破瑞利判据限制的超分辨成像。这表明，通过第m阶的Gabor波带片进行编码图的复原是提高复原后的原始图像的分辨率的有效手段，一般地，采用第m阶的Gabor波带片复原的原始图像是直接用Fresnel波带片进行复原的图像的分辨率的m倍。

本发明提出的波带片编码成像方法能够广泛应用于天文学、核医学和激光惯性约束聚变研究等领域。下面详细介绍能够实现上述超分辨成像方法的装置，同样的，本发明实现上述超分辨成像方法的装置包括但不限于下列几种：

装置一

如图9所示，该装置包括Fresnel波带片1、相机记录介质2和图像复原显示终端3。所述的Fresnel波带片1用于对α粒子图像进行编码，从而反映出内爆压缩区的对称性和均匀性特征。在ICF实验中，首先激光聚变产生的α粒子从聚变靶芯逸出，然后逸出的α粒子经编码孔(Fresnel波带片)编码。所述的相机记录介质2用于获得α粒子图像的编码图，本实施例中，该相机记录介质2采用LR-115型高灵敏度固体核径迹探测器。所述的图像复原显示终端3用于根据上述成像方法对编码图进行复原，从而获得具有超分辨率的激光聚变热核反应区域图像。

装置二

如图10所示，该装置包括Fresnel波带片1、γ相机4和图像复原显示终端3。所述待测物体7可以发射γ射线，所述的Fresnel波带片1放置在待测物体7的一侧，用于对待测物体6图像进行编码。所述的γ相机4用于获得待测物体图像的编码图。所述的图像复原显示终端3用于根据上述成像方法对编码图进行复原，获得具有超分辨率的待测物体图像。

装置三

如图11所示，该装置包括Fresnel波带片1、准直器5、X射线探测器6和图像复原显示终端3。所述的Fresnel波带片1用于对待测天体发出的X射线图像进行编码。所述的准直器5用于将编码后的X射线打在X射线探测器6上，本实施例中，准直器5形状为蜂巢状，其用于支撑当内部压力降为0时的计数窗口，同时也用于限制视场。所述的X射线探测器6用于获得X射线图像的编码图。所述的图像复原显示终端3则用于根据上述成像方法对编码图进行复原，获得具有超分辨率的待测天体X射线图像。

本发明通过将Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片的透过率函数代替原Fresnel波带片的透过率函数，然后配合设计的算法进行编码图的复原，从而很好地实现了待测目标的超分辨成像。本发明的成像方法虽然看似简单，但并不容易想到，其是以巧妙的图像复原方式，突破了现有技术的束缚，从而获得了意想不到的技术效果，因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于Fresnel波带片编码的超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用Fresnel波带片作编码孔对待测目标进行编码成像，得到待测目标物的编码图；

(2)使用Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片的透过率函数进行编码图的复原，得到超分辨率的待测目标的原始图像；m>0；所述Gabor波带片的透过率函数表示公式如下：

其中，m为对应于Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片，r为Fresnel波带片的第m环半径，r₁为Fresnel波带片的第一环半径。

2.根据权利要求1所述的基于Fresnel波带片编码的超分辨成像方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用如下公式获得超分辨率的待测目标物的原始图像：

f(x,y)＝F^-1{F{h(x,y)}/F{f_m(x,y)}}

其中，f(x,y)表示原始图像，F{h(x,y)}表示对编码图的傅里叶变换，F{f_m(x,y)}表示对Fresnel波带片的第m阶Gabor波带片的傅里叶变换，F^-1{}表示逆傅里叶变换。

3.一种实现权利要求2所述的方法的装置，其特征在于，包括Fresnel波带片(1)、相机记录介质(2)和图像复原显示终端(3)，其中：

Fresnel波带片，用于对激光聚变产生、并从聚变靶芯逸出的α粒子图像进行编码；

相机记录介质，用于获得α粒子图像的编码图；

图像复原显示终端，用于根据权利要求1步骤(2)所述的方法对编码图进行复原，获得具有超分辨率的激光聚变热核反应区域图像。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述相机记录介质(2)为LR-115型高灵敏度固体核径迹探测器。

5.一种实现权利要求2所述的方法的装置，其特征在于，包括Fresnel波带片(1)、γ相机(4)和图像复原显示终端(3)，其中：

Fresnel波带片，用于对可以发射γ射线的待测物体的图像进行编码；

γ相机，用于获得待测物体图像的编码图；

图像复原显示终端，用于根据权利要求1步骤(2)所述的方法对编码图进行复原，获得具有超分辨率的待测物体图像。

6.一种实现权利要求2所述的方法的装置，其特征在于，包括Fresnel波带片(1)、准直器(5)、X射线探测器(6)和图像复原显示终端(3)，其中：

Fresnel波带片，用于对待测物体发出的X射线图像进行编码；

准直器，用于将编码后的X射线打在X射线探测器上；

X射线探测器，用于获得X射线图像的编码图；

图像复原显示终端，用于根据权利要求1步骤(2)所述的方法对编码图进行复原，获得具有超分辨率的待测物体X射线图像。