高效双螺旋点扩展函数相位片的设计与实验研究

双螺旋点扩展函数具有随离焦连续旋转变化的特性, 结合单分子定位方法可用于厚样品三维超分辨成像及分子定位追踪研究. 但双螺旋点扩展函数不足之处是光能利用率低, 对于光子数受限的荧光显微成像而言其应用受限. 本文通过对双螺旋点扩展函数在空域、频域和拉盖尔-高斯模式面等三个不同域中进行约束优化. 模拟结果表明, 优化后的双螺旋点扩展函数的光能效率提高了30多倍. 同时, 基于最优设计方案制备了相位片, 并实验验证了该设计的正确性. 与文献报道相比较, 本文结果在成像深度和光能利用率方面都有所改善. 关键词： 双螺旋点扩展函数 超分辨成像 轴向定位 优化算法     

用于大景深单分子定位显微的多功能全息相位片的设计及数值模拟

发展具有大轴向定位范围的单分子定位技术对于实现厚样品的超分辨成像具有重要的价值.基于波前编码技术,将变形多值纯相位光栅与双螺旋点扩散函数相位片相结合,提出一种可以通过空间光调制器实现的具有高衍射效率的新型全息相位片的设计方法.这种全息相位片可以将样品内多个层面的分子信息以双螺旋的形式成像在同一个探测面的不同位置,在无需扫描的情况下提高双螺旋点扩散函数工程的轴向定位范围和分辨率,解决活细胞内单分子定位和示踪技术中的大景深探测难题.数值模拟表明,设计的5×5全息相位片可以将样品内25个层面上的分子信息以双螺旋的形式成像在同一探测面上的不同位置,相邻两个层面的间隔为0.5μm,实现了轴向12μm的探测范围,证明了设计的可行性.     

一种基于高斯拟合的衍射光斑峰值位置的定位方法

基于衍射理论的分块镜共相位误差检测中,衍射光斑最高峰峰值位置的定位精度直接影响最终的测量精度,峰值定位精度受限于CCD的像元尺寸。针对衍射光斑的特点及最高峰峰值位置亚像元的定位精度要求,提出了基于高斯拟合的最高峰峰值位置的定位方法。在采样间距为5μm,采样点在10个左右的情况下,定位精度高于600nm,与传统的质心法及Hilbert变换法相比,精度可以提高20%以上,且鲁棒性好。实验结果表明,该方法是一种有效的亚像元精度的峰值定位方法,为提高共相位误差的测量精度提供有效途径。     

光点定位中的曲面拟合迭代算法

在光电检测系统中,需要对光点信号的位置实现亚像素定位。光纤从一端照明,由光纤另一端出射光点,由面阵CCD摄像机获取光点的灰度分布。基于最小二乘法,采用高斯曲面拟合算法拟合其分布,用高斯拟合函数的极值点作为光点的定位点。实验结果表明,采用多次迭代算法可以提高定位精度;拟合算法的稳定性(标准差)为0.7μm.高斯曲面拟合算法具有重复精度高、稳定性好的特点。     

用于大景深三维纳米分辨多分子追踪的衍射光学元件的设计制备和实验研究

发展能实时检测完整细胞内多个生物分子随时空变化的单分子探测和追踪技术, 对于研究生命过程的分子机理具有重要意义. 在变形光栅多阶成像和双螺旋点扩散函数成像方法的基础上, 基于波前编码的原理, 提出将二者优化结合, 获得全新的衍射光学元件, 该器件同时具有多重平面成像和双螺旋点扩散函数成像的功能, 旨在解决活细胞内单分子探测和追踪技术中的大景深探测难题. 设计和制备了该器件, 并基于该器件搭建了显微成像系统, 实验模拟证明该衍射光学元件同时可实现轴向12 μ的探测范围, 与理论设计结果相符合, 从而有效扩大了显微镜系统的景深, 证明了设计的可行性. 关键词： 多分子追踪 衍射光学元件 变形光栅 双螺旋点扩散函数     

基于各向异性高斯曲面拟合的星点质心提取算法

恒星识别以及卫星目标检测识别是空间监视系统的重要应用之一。由于星图图像点目标成像的特点以及大量背景恒星的干扰,星图中用于目标识别的特征难以提取,因此目标的位置是实现目标识别的关键特征。高斯曲面拟合方法是使用较为广泛的目标质心提取算法之一,通过理论分析和实验表明传统高斯曲面拟合方法对运动卫星的定位存在较大误差。为此,提出了各向异性的高斯曲面拟合模型,该模型通过使用两个不同的高斯模糊参数和旋转因子,可以捕捉目标不同方向的各异特征,适合卫星由于运动造成的随机方向模糊。仿真实验和真实数据实验表明,本文方法的总体定位精度可分别达到0.008和0.04,并能够准确提取星图目标的质心,相比传统方法有较大改善。     

天文导航中星体高精度细分定位方法研究

介绍了一种从星体图像中高精度提取恒星位置的方法.这种方法把星光成像看成是高斯点扩散函数模型,利用线性内插和最小二乘法拟合得到高斯曲面参数,从高斯曲面模型中得到亚像素级的恒星位置.由于直接进行高斯曲面拟合计算非常复杂,将二维曲面拟合转化为两个方向上的一维曲线拟合,分别得到不同的曲面系数.仿真结果表明当信噪比小于0.05时,定位精度能达到1/20像素,与质心法比较,高斯曲面拟合法精度高,抗噪声能力强.     

基于参数化盲反卷积的三维非扫描激光雷达距离估计

三维(3D)非扫描激光雷达具有多表面目标距离分辨能力,可以用于对隐藏和伪装目标的识别。为了快速、准确地估计3D非扫描激光雷达多表面目标距离信息,提出了基于期望值最大化(EM)的单像素多表面目标的距离估计算法,通过对系统点扩展函数的参数化,该算法可以同时估计出成像系统点扩展函数和目标的距离信息。仿真实验结果表明,相比于传统的混合高斯匹配算法和维纳空间滤波算法,该算法在系统点扩展函数未知的条件下,可以将目标的距离估计精度分别提升大约70%和40%。     

基于压缩感知的三维单分子定位显微成像方法研究

本文建立了一种三维压缩感知模型以实现对高密度荧光分子图像的快速三维定位。首先,根据荧光显微的三维点扩展函数成像理论,设计测量矩阵,并建立压缩感知模型。接着,对荧光显微成像过程进行了模拟,并采用凸优化方法(CVX)、正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)算法和同伦算法对建立的压缩感知模型中模拟生成的图像进行了定位分析,分别从恢复率、定位精度、重构时间几方面进行了对比。最后,采用同伦算法对模拟的生物样品和实验室采集的细胞进行了三维定位,并获得了三维超分辨图像。对比结果表明:在重构密度和定位精度接近的情况下,同伦算法比CVX方法的重构速度快2个数量级。同伦算法较OMP算法的定位精度要高一倍。采用同伦算法来实现三维的超分辨荧光显微成像在节约计算时间、实现实时成像方面具有一定的意义。     

自适应加权质心算法在高精度星点定位中的应用

为实现空间飞行器在高目标星等、像移和光学系统像差等因素影响下的高精度星点定位,提出了一种自适应加权质心细分定位算法。基于最大似然估计推导、建立数学模型并进行仿真实验。结果表明,与质心法、加权质心法及高斯拟合法等传统星点定位算法相比,提出的算法定位精度提高了50%以上,且具有良好的收敛速度,经过5次迭代后,质心定位误差相对较稳定,可以满足实际应用中对实时性的要求。     

基于蚁群算法的室内可见光高精度三维定位系统

为了提高室内定位精度,实现三维定位,提出一种基于蚁群算法的的可见光通信室内高精度三维定位系统。本系统采用了码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)调制技术,解决了室内可见光通信多信号源之间的符号间干扰.系统中与发光二极管(Light Emitting Diode,LED)光信号源地理位置相关的ID信息码经过直接扩频调制后加载至发光二极管驱动电路,以光信号的形式在室内传播.光信号经过放大、滤波、采样处理后,根据码分多址调制技术中扩频码的正交性恢复出ID信息及光强衰减信息.经过计算获得来自不同发光二极管的信号光强衰减因子,利用蚁群算法的全局搜索性确定最优定位点.引入误差修复因子,利用蚁群算法的并行搜索性对光强衰减因子偏差进行修正.仿真结果表明,信噪比为30dB,20dB,10dB的条件下,算法的定位精度分别为2cm,4cm,8cm.当计算的精度高于45cm时,蚁群算法定位解的搜索效率明显高于遍历法.在10dB的信噪比条件下,对光强衰减因子进行修正后100%的测试点都实现了5cm定位精度.实验结果表明,20dB信噪比条件下,92.59%的测试点的定位误差小于8cm,96.29%的测试点定位误差小于10cm,最大定位误差为11.30cm.经过误差修复后,96.2%的测试点实现了3cm的定位精度,61.6%的测试点实现了2cm的定位精度.本算法在实现了高精度定位,减少了获得最优定位解的计算量.     

全视角高精度三维测量仪光学系统误差分析研究

大视角、高分辨率、低畸变光学成像系统是全视角高精度三维测量仪中最为关键的核心器件。现有三维测量仪实际使用过程中不可避免会产生各种误差,因此科学合理地评估和降低全视角高精度三维测量仪的测量误差具有十分重要的科学及工程应用意义。通过多角度、全方面分析定量研究了相机内方位元素标定误差对几何定位误差的影响,以及相机光学系统MTF分析、点扩散函数分析、波像差分析和公差分析对匹配误差产生的影响。研究结果表明,在各种影响三维测量仪光学成像系统测量误差的因素当中,相机的传递函数是影响系统三维定位误差最主要的因素,当系统MTF_N值大于0.4 lp/mm、系统几何畸变小于1个像素,PSF能量集中在以3 μm为半径的圆环内(小于1个像素),且PSF峰值达到了0.9时,三维测量仪的定位误差可达到秒级精度。     

单幅模糊图像点扩散函数估计的梯度倒谱分析方法研究

针对单幅图像复原算法引入先验信息导致复杂度高、运算效率低的问题, 提出了单幅模糊图像点扩散函数估计的梯度倒谱分析方法. 首先给出了单幅模糊图像梯度倒谱估计其点扩散函数的基本原理, 利用相位恢复策略复原了二维点扩散函数相位信息, 实现了点扩散函数的快速估计; 其次, 为鉴别点扩散函数估计精度, 建立了图像梯度保真约束的全变分正则化图像复原模型, 并采用快速稳定收敛的交替方向策略优化能量函数; 通过对仿真和实拍单幅模糊图像进行的测试实验结果表明, 该方法快速准确地估计出点扩散函数, 克服了传统复原算法收敛速度慢的缺点, 有效抑制了振铃效应、保护了边缘信息, 为大尺寸单幅图像复原的工程化实现提供了理论和技术基础. 关键词： 图像复原 点扩散函数 梯度倒谱分析 全变分     

Kalman滤波辅助的室内伪卫星相对定位算法

在室内伪卫星独立定位系统中, 伪卫星以及接收机的钟差会给定位精度带来非常大的误差. 针对这一问题, 提出了一种适用于室内环境的相对定位算法. 使用Kalman定位算法粗略计算接收机位置, 获得粗略基线, 建立室内相对定位模型, 得到载波相位双差和伪距双差. 载波相位双差通过互补Kalman滤波器来平滑伪距双差, 进一步得到精确基线, 获得接收机精确位置, 并将其代替Kalman定位算法的校正结果, 对接收机进行下一状态预测. 实验结果表明, 该算法具有较高的定位精度, 定位误差在20 cm以内. 关键词： 伪卫星 相对定位 双基线 Kalman滤波     

模拟退火遗传算法在多声源定位中的应用

利用声源定位技术测量弹丸落点坐标时,针对多发炮弹短间隔连续射击试验中,传感器接收信号的时序关系复杂,严重影响声源定位结果准确性的问题,提出了采用模拟退火遗传算法实现短间隔连续多声源目标的精确定位。试验测试了发射间隔为0.15 s的7发炮弹在600 m×600 m区域内的定位情况,结果表明:文章的算法能快速有效的对短间隔连续多声源目标进行定位解算,定位精度小于5 m。     

Theoretical investigation on Raman induced kerr effect spectroscopy in nonlinear confocal microscopy

The imaging theory of Raman induced Kerr effect spectroscopy (RIKES) in nonlinear confocal microscopy is presented in this paper. Three-dimensional point spread function (3D-PSF) of RIKES nonlinear confocal microscopy in isotropic media is derived with Fourier imaging theory and RIKES theory. The impact of nonlinear property of RIKES on the spatial resolution and imaging properties of confocal microscopy have been analyzed in detail. It is proved that RIKES nonlinear confocal microscopy can simultaneously provide more information than two-photon confocal microscopy concerning molecular vibration mode, vibration orientation and optically induced molecular reorientation, etc. It is shown that RIKES nonlinear confocal microscopy significantly enhances the spatial resolution and imaging quality of confocal microscopy and achieves much higher resolution than that of two-photon confocal microscopy.     

Imaging resolution analysis in limited-view Laser Radar reflective tomography

In many applications of Laser radar reflective tomography, anisotropic resolution of images reconstructed from an incomplete set of reflective projections will degrade imaging quality. In this paper, we present the theoretical point spread function (PSF) of imaging system over full views for reflective tomography. The corresponding imaging resolution of the PSF was determined by Rayleigh's criterion, here the most common algorithm of filtered backprojection was used for image reconstruction. The theoretical imaging resolution was derived approximately from the range resolution resolved by the laser pulse. The simulated horizontal imaging resolutions of an ideal diffused single point target in different limited-views were compared with the theoretical value. Experimental reconstructed images from limit-view projections of letter “E” illustrated the effects of anisotropic resolution.     

近场反卷积聚焦波束形成声图测量

为了提高声图测量中对多个声源的分辨能力和定位精度,给出了一种近场二维反卷积聚焦波束形成声图测量方法。推导了水下声图测量的广义卷积模型,根据声图测量中点传播函数移变但可预测的特点,通过预存点传播函数字典的方式,将波束形成过程中的卷积问题转化成叠加积分问题,并应用二维Richardson-Lucy迭代算法实现了二维移变模型情况下的近场二维反卷积求解,从而实现高分辨声图测量。通过仿真和海试对比了反卷积、常规声图测量和MVDR声图测量的性能,结果表明反卷积算法在500次迭代情况下聚焦峰尺度小于另外两种算法的1/2,旁瓣级下降超过6 dB.      

Structural fitting of PISEMA spectra of aligned proteins

An algorithm for fitting protein structures to PISEMA spectra is described, and its application to helical proteins in aligned samples is demonstrated using both simulated and experimental results. The formulation of the algorithm in terms of rotation operators yields compact recursion relations that provide a fast and effective way of obtaining peptide plane orientations from chemical and torsion angle constraints. The algorithm in combination with experimental solid-state NMR data results in a method for determining the backbone structures of proteins, since it yields the orientation of a helix as a whole, including its tilt and twist angles, and describes kinks and curves with atomic resolution. Although the algorithm can be applied in an "assignment-free" manner to spectra of uniformly labeled proteins, the precision of the structural fitting is improved by the addition of assignment information, for example the identification of resonances by residue type from spectra of selectively labeled proteins.