基于3PEMs和AOTF的光谱偏振成像系统及光谱修正

基于弹光调制器和声光可调谐滤波器(AOTF)的新型光谱偏振成像系统部件多,AOTF入射角小,同一幅图中光谱分布不均。为此提出了一种前置光学系统由凸透镜、凹透镜和凸透镜构成的光学系统,压缩被测目标视场角,使其满足AOTF视场角要求,并将目标平行入射光变为平行光入射进AOTF,以便光谱修正。不同位置的目标以不同入射角依次进入光学系统和AOTF,在CCD上的成像位置也不同。AOTF的衍射光中心波长与入射角有关,可通过拟合测得衍射波长与入射角的关系,进而得到CCD像元与中心波长的关系,并对光谱修正方法进行了详细分析。实验结果表明,修正后的光谱测量误差比普通的AOTF光谱成像平均降低一个数量级,且成像清晰,提高了光谱偏振成像系统的光谱测量精度。     

利用AOTF多光谱成像系统实现伪装目标的识别

针对传统分光器件存在移动部件以及不能快速实时选择波长的不足,搭建了用声光可调滤光器(AOTF)作为分光器件的多光谱成像系统。系统由光学镜头、AOTF、AOTF驱动器、CCD摄像机和图像采集系统组成。本系统能够在(500~1000)nm的光谱范围内成像。通过对AOTF的控制可以任意选择系统的光谱,从而有目的地选择具有典型目标特性的不同波段的光谱波长,形成同一目标在不同光谱波长下的不同图像。采用迷彩布、头盔以及自然花草进行多次目标特性识别试验,得到了能突出目标特性的具有典型光谱特性的图像。证实了基于AOTF的多光谱成像系统灵敏度高、体积小、无移动部件,并且能够快速实时地改变和选择光谱波段,在所成的多光谱图像中能提高目标与背景的对比度,对伪装目标有明显的探测和识别能力,能将伪装目标与背景区分开。     

基于AOTF成像光谱精密测量技术的研究

声光可调滤波器(AOTF)作为光谱成像的一种新型分光元件,在运用其进行成像光谱时,一般选择入射光垂直于AOTF入射面时所对应的衍射中心波长为CCD的光谱测量波长。但在实际测量中,空间目标不同位置的光线总是以不同的角度进入到AOTF,这样就导致了CCD实际测量的光谱和以光垂直入射时所对应的光谱为测量光谱相比出现误差,影响了光谱的测量精度。采用的成像光谱系统的特点是目标光线经前置光学系统、AOTF和成像透镜后,聚焦成像于透镜的焦平面上,实现了目标光在整个系统的一次成像。此一次成像与传统的二次成像相比,能够有效的提高光能利用率和成像质量。由于AOTF的视场角为±3°,所以通过对AOTF视场角范围内衍射中心波长随入射角度变化的实际规律进行了分析研究,并对衍射波长随入射角度变化的实际测量值进行了拟合修正,得到了修正方程。实验结果表明用修正后的方程进行光谱测量,其相对误差值可以减小一个数量级。此方法可为今后提高AOTF成像光谱测量精度奠定基础。     

基于声光可调谐滤光器的显微光谱成像技术

为了解决传统声光可调谐滤光器(AOTF)成像模糊的缺点,设计了一种新的AOTF。该器件通过在传统的AOTF的出射孔后面放置一个自行设计的等边色散棱镜来实现对衍射光的色散展宽进行补偿,明显地提高了成像的对比度和空间分辨率。将此器件附加在传统光学显微镜上,获得了一种新型的光谱显微成像仪器。其光谱分辨率在575nm波长处为4.2nm、成像空间分辨率为2μm、图像采集速度为毫秒量级。为基于AOTF的光谱成像技术在生物医学等领域的更广泛的应用奠定了基础。     

AOTF成像光谱仪声光晶体光谱传递函数的研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,仪器的光谱传递函数是衡量仪器性能的一项重要指标。介绍了单AOTF型和双AOTF型成像光谱仪的工作原理,利用光学域光谱透过函数,推导了以波数Δv表示的单、双型AOTF光谱传递函数,在工作波段为400 nm~900 nm内,计算对比了单、双AOTF型光谱传递函数,并对影响双AOTF型光谱传递函数的因素进行了仿真分析,最后对仪器参数的选取进行了分析和讨论。结果表明:在入射光极角30°, 声光互作用长度5 mm工作波段下,当双AOTF型成像光谱仪工作中心波长相等时,相比同一工作中心波长时的单AOTF型成像光谱仪,光谱传递函数提高了68%;当工作中心波长不相等时,双AOTF型光谱传递函数并不绝对优于单AOTF型,存在临界值。     

基于胶合棱镜的AOTF成像光谱仪横向色差校正

设计声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪时,ZEMAX等软件缺乏AOTF光学表面,导致光学设计困难,本文根据波矢量匹配原理,在ZEMAX中建立了基于声光衍射效应的AOTF自定义表面模型,实验表明该模型能够实现AOTF的衍射光精确追迹。在此基础上,针对传统方法校正AOTF横向色差时残差较大的问题,提出了基于胶合棱镜的高精度横向色差校正方法,结合AOTF自定义表面,完成了胶合棱镜的玻璃组合和顶角的自动优化。结果表明,文章提出的自定义表面和胶合棱镜色差校正相结合的方法大大方便了AOTF成像光谱仪的设计,能够将横向色差控制到0.000 3°,比以往方法提高了一个量级,有效抑制了光谱图像的漂移。     

AOTF高光谱成像0级干扰抑制方法研究

随着光谱成像技术的发展,以高空间分辨率和高光谱分辨率获得的图像极大地提高了地物目标的识别能力,为准确获取地物被测目标的二维空间影像信息和一维光谱信息,设计完成一种基于声光可调滤波器(AOTF)的高光谱成像系统,但由于系统中偏振片消光比有限,导致视场外的0级光与被测目标的+1级衍射光发生重叠,而AOTF无驱动时成像可近似为0级干扰的图像,为此提出一种AOTF加驱动图像减无驱动图像的0级干扰抑制方法。并采用该系统样机进行外场光谱成像实验,对结果进行0级干扰抑制方法修正,修正后的结果表明该方法不仅大幅度消除了0级光的干扰,而且还提高了整个成像光谱的测量精度。     

同色异谱破坏特性及其在相似异物检测中的应用

由于相似异物与所处背景的外观特征极其相近,现有的光谱成像检测技术遇到新的挑战。针对复杂背景中相似异物检测难题,提出了利用同色异谱破坏特性的透反射光谱图像检测方法。在分析同色异谱破坏过程中异物与背景光谱特性差异基础上,建立了波长优选函数筛选最优波长的透反射光源构建成像检测系统。以棉花中的白色丝状异物作为实验对象,利用最佳波长透反射成像系统获取异物特征,采用图像决策层融合增强异物图像特征,最后利用二值化处理提取异物目标。实验结果表明,在利用390 nm反射波长与580 nm透射波长的双波长图像检测中,成像系统获取的相似异物图像特征明显,异物提取后检测结果与实际相符。此方法可有效检测棉花中多种白色丝状异物,为相似异物检测提供了一种新思路。     

基于双AOTF的新型成像光谱偏振探测系统

声光可调谐滤波器(AOTF)具有体积小、波长稳定性好、扫描范围宽、调制速度快等优点,在光谱成像中被广泛应用,但单独采用AOTF的成像光谱偏振探测还较少。为此提出只采用两个AOTF的成像光谱偏振探测新方法。该方法首先通过分束镜将入射光分成两束,两束光分别通过两个AOTF,而两个AOTF的正一级衍射光的偏振方向互成45°,由于AOTF的正一级衍射光的偏振方向互相垂直,因此两个AOTF的正负一级分别可得到0°,45°,90°和135°的光强,在测量中需保持两个AOTF的滤光所对应的波长完全相等。最后通过对两个AOTF的正负一级衍射成像,最终得到Stokes偏振信息中S₀(0°和90°光强和)、S₁(0°和90°光强差)和S₂(45°和135°光强差),结合相应的理论公式对被测目标的线偏振度(DoLP)和线偏振角(AoLP)实现成像。再通过对AOTF的射频驱动进行扫频,实现对被测目标不同波长偏振成像,最终实现成像光谱偏振探测。并通过对500,550和600 nm偏振成像进行实验验证。该方法具有无运动部件、无需转动、一次测量同时获得成像光谱偏振信息的优点。     

基于AOTF的成像光谱仪及其在同色异谱目标鉴别中的应用

为了同时获得同色异谱目标的光谱信息和空间分布信息,设计了基于声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的成像光谱仪,主要包括前置成像透镜组、AOTF滤光成像模块、AOTF驱动器、CCD图像检测器、图像采集卡和计算机。在计算机的控制下,实现波长的快速扫描,获取每个设定波段下的灰度图像,构建一个光谱图像立方体,因此可以获得图像中任意一点的光谱信息。所设计的成像光谱仪,光谱范围为550 ～1 000 nm,光谱分辨率2.6 nm(@632 nm),光谱扫描速度快,任意两个波长之间的切换时间小于80 μs,整个仪器无机械运动部件,功耗低,抗振能力强。利用该仪器对真假玫瑰花进行了鉴别试验,对涂改物证进行了信息复原实验,并成功地辨别出真假玫瑰花和复原出涂改物证,证实了该成像光谱仪具有优异的同色异谱目标鉴别本领,在同色异谱物质的鉴别上具有广阔的应用前景。     

多波长同时照明的菲涅耳域非相干叠层衍射成像

传统的叠层衍射成像往往采用单波长照明,即使使用多波长来提升恢复质量也是采用依次照明的方式,同时对相干性要求很高.非相干光照明一直被认为不利于衍射成像.本文提出了一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方案及相应的多路复用叠层衍射成像算法,并通过仿真和实验验证了该方案的可行性.相比于传统的相干叠层衍射成像方案,该方案不仅能够很好地恢复物像,同时也能够恢复不同波长下分别对应的物体的光谱响应、复振幅探针和光谱比例,从而获得更多的物体信息,具有多通道和多光谱的优势.同时,通过彩色图像编码的方式,能够实现物体的真彩色复原和图像质量的增强.此外,还证明了该算法具有很强的鲁棒性,研究了最多可分辨波长的数量.该研究结果为叠层衍射成像技术的信息多路复用及多光谱成像在更多领域的应用展现了可能性.     

声光调制光谱相机的成像漂移

研究了基于声光可调滤波机理的光谱相机在成像时由声光晶体的色散而产生的图像漂移现象。利用色散补偿法和图像位移补偿法,理论计算并实验测量了声光可调滤波器（AOTF）在可见光（488～644 nm）波段内由晶体外衍射角所引起的图像漂移,并进行了优化实验。采用色散补偿法,调整入射光为准平行光,入射光波长为488～644 nm时,在晶体出射面添加0.6°的光楔,晶体外衍射角的变化量可由0.066 50°降低到0.004 2°,即图像漂移量由162.1μm降低到10.9μm;采用图像位移补偿法,不添加光楔,入射光波长为488～644 nm时,图像水平漂移量可从468μm降低到0.658μm,漂移量在一个像元内。实验表明：基于提出的两种方法可忽略成像漂移对图像的影响,有效提高了基于AOTF机理的光谱相机的成像分辨率。     

Guided filter and adaptive learning rate based non-uniformity correction algorithm for infrared focal plane array

Imaging non-uniformity of infrared focal plane array (IRFPA) behaves as fixed-pattern noise superimposed on the image, which affects the imaging quality of infrared system seriously. In scene-based non-uniformity correction methods, the drawbacks of ghosting artifacts and image blurring affect the sensitivity of the IRFPA imaging system seriously and decrease the image quality visibly. This paper proposes an improved neural network non-uniformity correction method with adaptive learning rate. On the one hand, using guided filter, the proposed algorithm decreases the effect of ghosting artifacts. On the other hand, due to the inappropriate learning rate is the main reason of image blurring, the proposed algorithm utilizes an adaptive learning rate with a temporal domain factor to eliminate the effect of image blurring. In short, the proposed algorithm combines the merits of the guided filter and the adaptive learning rate. Several real and simulated infrared image sequences are utilized to verify the performance of the proposed algorithm. The experiment results indicate that the proposed algorithm can not only reduce the non-uniformity with less ghosting artifacts but also overcome the problems of image blurring in static areas.     

LCVR和AOTF的光谱偏振测量新策略

现有利用液晶相位可变延迟器(LCVR)和声光可调谐滤光器(AOTF)的偏振测量方法较为繁琐,故提出了一种光谱偏振测量新策略,去除了机械运动,并且相位延迟量的选取从四组减少为两组。采用两个LCVR和一个AOTF,通过两个相同型号探测器分别测量±1级衍射光,实现光谱偏振测量。电脑控制LCVR和AOTF的驱动系统分别实现所需相位延迟量和波长选择,通过扫描射频驱动整个频段得到被测光的光谱信息。叙述了方法的具体原理,分析了AOTF的偏振模型,通过理论计算LCVR和AOTF的Muller矩阵,推导出了相应的斯托克斯(Stokes)矢量中的I,Q,U的测量公式。分析并仿真了相位延迟量微小偏差对整个系统测量误差的影响,结果显示相位延迟量在±π/100范围内相对误差<3%。实验验证了测量系统的可行性和准确性,测量误差总体<6%。为偏振测量提供了一种简单可行且精度较高的新方法,具有重要的应用价值。     

AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,由于声光晶体是其核心分光器件,它的性能将影响目标信息的获取能力。因此, 研究提高声光晶体衍射效率的方法是AOTF成像光谱仪研制的重点和关键。首先介绍了AOTF成像光谱仪的工作原理,基于耦合波理论推导了声光晶体衍射效率方程,然后对AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率的影响因素进行数值仿真分析,最后,用Tracepro软件对不同入射光进行了仿真计算。分析结果表明,当AOTF成像光谱仪工作波长范围在0.4 μm~0.9 μm时,为使衍射效率能达到最大值,各个影响因素的最优值是:换能器长度d为2.5 mm,光栅倾斜角φ选择在80°,入射光选择o光。     

Optimal illumination and wave form design for imaging in random media

The problem of optimal illumination for selective array imaging of small and not well separated scatterers in clutter is considered. The imaging algorithms introduced are based on the coherent interferometric (CINT) imaging functional, which can be viewed as a smoothed version of travel-time migration. The smoothing gives statistical stability to the image but it also causes blurring. The trade-off between statistical stability and blurring is optimized with an adaptive version of CINT. The algorithm for optimal illumination and for selective array imaging uses CINT. It is a constrained optimization problem that is based on the quality of the image obtained with adaptive CINT. The resulting optimal illuminations and selectivity improve the resolution of the images significantly, as can be seen in the numerical simulations presented in the paper.     

视觉测量中轴向热干扰成像问题研究

为研究热源干扰图像成像引发的图像畸变、模糊等失真问题,利用图像的特征点平均畸变位移、峰值信噪比、均方误差和互相关系数来评价热源轴向位移条件下成像图像的畸变程度、模糊程度以及总相似程度,得到热干扰成像变化与热源轴向位置之间的规律。实验表明,当热源在成像系统和成像目标之间作轴向运动时,其距离成像系统越近,成像的畸变程度、模糊程度以及失真程度越大,在D=300 mm处最大平均畸变位移达2.765 3 mm;当热源靠近成像目标时,成像图像的畸变程度、模糊程度以及失真程度降低,在D=0 mm处平均畸变位移减小至0.810 2 mm。