本发明属于单光子探测、光子计数和距离选通，尤其涉及一种基于距离选通的水下鬼成像方法及系统。
背景技术：
1、鬼成像又称为“关联成像”，作为一种全新的成像方式，拥有较强的信道抗噪能力，并且具有非局域性，可以对视域以外的物体成像，只需要探测物体的光强信息就可重构出目标图像。
2、鬼成像作为一种新颖的光学成像技术，起初在量子成像实验中被提出，后来人们发现经典光源下也能实现鬼成像。鬼成像系统的关键在于两方面，一是获取投射到物体表面的光场分布，二是探测物体反射或透射的总光强。通过对光场分布和总光强数据的关联计算即可获取目标图像。具体过程是：由计算机生成随机散斑图样并加载到空间光调制器上产生光强随机涨落的散斑场，光场投射至待测物体上然后通过桶探测器采集反射(透射)的光强。将投射到待测物体上的光场以及采集到的光强信息进行关联计算即可重构出待测物体。
3、随着单光子探测技术随量子信息发展，因探测灵敏度可以达到单个光子级别，可在保持光源功率不变的情况下进一步提升鬼成像的探测距离。
4、由于在水环境中成像时，传输的散斑场受到散射的影响，进行长距离水下鬼成像时，严重的后向散射噪声会覆盖目标光信号，导致成像系统无法成功探测目标。距离选通技术可以实现在选定距离处的一定范围内目标探测，可以有效滤除大量后向散射光及背景噪声，故亟需设计一种水下距离选通鬼成像方法。
5、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：由于在水环境中成像时，传输的散斑场受到散射的影响，现有技术在进行长距离水下鬼成像时，严重的后向散射噪声会覆盖目标光信号，导致成像系统无法成功探测目标。
技术实现思路
1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种基于距离选通的水下鬼成像方法及系统，尤其涉及一种基于光子计数的水下距离选通鬼成像方法、系统以及新型的散斑场，所述技术方案如下：
2、本发明是这样实现的，一种基于距离选通的水下鬼成像系统，该系统包括控制与成像模块、光场调制与发射模块和光子收集与探测模块，用于在完成基于距离选通的水下鬼成像系统初始化后进行水下光子计数的远距离目标探测。
3、其中，控制与成像模块包括上位机和主控板，主控板由fpga芯片、比较器、跨阻放大器和扩展板构成，用于实现控制参数配置、预制散斑场的生成与导入、调制信号产生、单光子选通计数以及探测系统成像算法的构建与实现；
4、光场调制与发射模块包括激光器、扩束镜、数字微镜器件dmd、透镜组、分光平片和apd探测器，用于实现水下鬼成像系统的激光调制脉冲发射、光场调制、预制散斑场信息的切换以及选通门参考信号的采集；
5、光子收集与探测模块包括望远镜、滤光片和单光子探测器，用于实现水下鬼成像系统对回波光子的收集、滤波和采集功能。
6、进一步，主控板用于实现调制信号的产生和单光子选通计数，通过调制信号对激光器和dmd控制产生光强随机涨落的散斑场；
7、上位机用于实现预制散斑场的生成、dmd导入以及调制模式的配置、二阶关联重构算法的构建与实现。
8、进一步，激光器采用488nm波长，由电路与成像模块控制进行周期性发射强激光脉冲；
9、光调制装置为数字微镜器件dmd，由电路成像模块控制，实现激光的强度随机调制产生位移散斑场以及调制数据的切换；
10、透镜组为两个透镜和一个可调光阑组成，对散斑场进行滤波准直；
11、分光平片一面镀部分反射膜，反面镀增透膜，适用波长为400-700nm，透反比为90：10；
12、apd探测器采集光信号产生光电流并输入电路成像模块，用于为后续选通门延时提供参考信号。
13、进一步，滤光片为带通滤光片，用于滤除488nm以外波长的光；
14、单光子探测器用于采集回波光子后转换为电压信号输入电路成像模块的主控板中。
15、进一步，在光子收集与探测模块的接收光路中，由望远镜接收散斑场投射到物体表面反射回的回波光子，其中回波光子包括信号光子和噪声光子；通过滤光片后，由单光子探测器对所有的回波光子探测并传送至控制与成像模块中的主控板进行单光子选通计数并存储，最后传输至上位机进行二阶关联算法重构。
16、本发明的另一目的在于提供一种基于距离选通的水下鬼成像方法，该方法用于对所述的基于距离选通的水下鬼成像系统进行调控，该方法包括：
17、在上位机完成散斑场的生成后导入dmd中完成设备调制模式的配置，使得dmd处于待触发状态；
18、在主控板的控制下，激光器产生脉冲光束经扩束后覆盖dmd的微镜阵列，dmd对脉冲激光光束调制产生散斑场，由透镜组准直滤波后覆盖成像区域；
19、望远镜收集所有回波光子并经过滤光片滤波后耦合进单光子探测器，单光子探测器的输出信号接入控制与成像模块对回波光子信号采取软门控选通计数；
20、将选通光子数与对应的散斑场信息进行二阶关联运算完成目标图像的算法重构。
21、进一步，通过软门控实现单光子选通计数，主要信号光子的时间范围包含于激光的脉宽，通过增加门宽与激光脉宽一致的选通门，使得t1＝t2，并在采集到的参考信号后根据不同的目标距离以及系统本身的时间成本对选通门增加相应的延时步长t3；对选通门的光子计数，实现单光子选通计数，滤除大部分的后向散射光。
22、进一步，采用的二阶关联重构计算公式如下：
23、
24、式中，表示m次测量后的总体平均，r表示预制散斑场的总强度，ir(x,y)表示第r个预制散斑场的强度分布，s表示系统采集到的对应于ir(x,y)的光子数。
25、进一步，位移散斑场的产生流程包括：
26、a.生成维度为n×n均匀分布的随机矩阵；
27、b.设定阈值选取随机矩阵元，记录所选矩阵元对应的坐标(xi,yi)；
28、c.生成分辨率为n×n的散斑场矩阵，以步骤b记录的坐标(xi,yi)为中心，在散斑场矩阵中选取m×m大小的随机区域作为散斑颗粒，其中m<n；
29、d.将步骤c中选取的随机散斑颗粒设置为白色，并用黑色填充散斑场矩阵的其余区域，所形成的散斑场为位移散斑场。
30、进一步，该方法还包括：控制与成像模块控制激光器发射激光，激光由扩束器扩束后覆盖dmd的微镜阵列；根据控制与成像模块载入的预置信号对激光脉冲光束进行调制产生强随机分布的位移散斑场，位移散斑场经过由可调光阑和透镜所构成的透镜组进行滤波准直；随后经过分光平片产生透反比为90：10的散斑场，强光为探测光投射至成像区域，弱光由apd探测器探测产生电信号输入至电路与成像模块作为选通门参考信号。
31、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
32、1.本发明结合光子计数和距离选通技术，设计基于光子计数的水下距离选通鬼成像系统，可以解决远距离水环境中鬼成像所存在的上述问题。为了克服随机散斑场重构出的物体图像明显带有散斑颗粒的位置痕迹，进而导致图像细节丢失严重的问题，本发明设计了位移散斑场，可以克服随机散斑场的缺陷，提高图像的清晰度，实现水下单光子计数鬼成像系统远距离高质量的目标探测。
33、2.本发明结合距离选通技术与鬼成像系统相结合，有效滤除水下强后向散射噪声及背景噪声。本发明采用单光子技术，实现鬼成像系统水下远距离目标的探测。相比较于水下摄像机，本发明的鬼成像系统成本更低，并且只需获取目标光强信息，而不需要获取目标图像空间信息，节约了数据储存空间。本发明在收集光强前利用滤光片滤波，进一步滤除杂散光，大大提高了测量的准确性。此外，本发明使用位移散斑场，有利于提升探测目标的图像清晰度。
34、3.本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：鬼成像在对水下目标探测时，散斑场会被水环境散射与吸收，严重限制了鬼成像对水下远距离目标的探测。本发明使用软门控实现距离选通功能，能够实现高频的光子选通计数，滤除大部分后向散射光噪声，实现光子计数的水下鬼成像，系统简单且价格低廉。
1.一种基于距离选通的水下鬼成像系统，其特征在于，该系统包括控制与成像模块、光场调制与发射模块和光子收集与探测模块，用于在初始化后进行水下光子计数的远距离目标探测；
2.根据权利要求1所述的基于距离选通的水下鬼成像系统，其特征在于，主控板(102)用于实现调制信号的产生和单光子选通计数，通过调制信号对激光器(103)和dmd控制产生光强随机涨落的散斑场；
3.根据权利要求1所述的基于距离选通的水下鬼成像系统，其特征在于，激光器(103)采用488nm波长，由电路与成像模块控制进行周期性发射强激光脉冲；
4.根据权利要求1所述的基于距离选通的水下鬼成像系统，其特征在于，滤光片(110)为带通滤光片，用于滤除488nm以外波长的光；
5.根据权利要求1所述的基于距离选通的水下鬼成像系统，其特征在于，在光子收集与探测模块的接收光路中，由望远镜(109)接收散斑场投射到物体表面反射回的回波光子，其中回波光子包括信号光子和噪声光子；通过滤光片(110)后，由单光子探测器(111)对所有的回波光子探测并传送至控制与成像模块中的主控板(102)进行单光子选通计数并存储，最后传输至上位机(101)进行二阶关联算法重构。
6.一种基于距离选通的水下鬼成像方法，其特征在于，该方法用于对权利要求1-5任意一项所述的基于距离选通的水下鬼成像系统进行调控，该方法包括：
7.根据权利要求6所述的基于距离选通的水下鬼成像方法，其特征在于，通过软门控实现单光子选通计数，主要信号光子的时间范围包含于激光的脉宽，通过增加门宽与激光脉宽一致的选通门，使得t1＝t2，并在采集到的参考信号后根据不同的目标距离以及系统本身的时间成本对选通门增加相应的延时步长t3；对选通门内的光子计数，实现单光子选通计数，滤除大部分的后向散射光。
8.根据权利要求6所述的基于距离选通的水下鬼成像方法，其特征在于，采用的二阶关联重构计算公式如下：
9.根据权利要求6所述的基于距离选通的水下鬼成像方法，其特征在于，位移散斑场的产生流程包括：
10.根据权利要求6所述的基于距离选通的水下鬼成像方法，其特征在于，该方法还包括：
