连续推扫计算光谱成像技术

计算光谱成像技术具有高通量、快照成像等优点,但快照成像采样数据量不足,导致利用压缩感知方法重构图谱精度很低。通过对计算光谱成像技术各个环节进行系统研究,提出一种新型的连续推扫计算光谱成像技术,利用正交循环编码孔径代替传统的随机编码孔径,通过逐行扫描方式及正交变换可完整重构图谱数据。仿真和实际成像结果表明,连续推扫计算光谱成像技术可消除图谱混叠影响,理论上可完全重构图谱信息,重构图谱精度明显优于传统的计算光谱成像技术。相比国际上提出的多次曝光计算光谱成像技术,连续推扫计算光谱成像技术不需要改变编码孔径与探测器间的相对位置,也不需要凝视成像,系统中没有活动元件,稳定性高,适用于常规航空航天遥感推扫成像。     

窄带高光谱干涉成像的压缩采样复原方法

利用干涉成像光谱仪对目标进行窄带高光谱成像探测具有高光通量、高光谱分辨率和高目标分辨率等优点。按照尼奎斯特定理对窄带光谱干涉信息进行采样存在较大的数据冗余,增加了后期傅里叶变换的数据处理量,影响光谱的复原效率。在分析窄带光谱傅里叶变换特性的基础上,提出了基于滤光片光谱透射率函数的窄带光谱压缩采样方法。引入滤光片参数和混叠参数,可以复原不同精度的窄带光谱信息。配以符合要求的多带通窄带滤光片,可对目标进行压缩采样获取多个谱段的窄带光谱信息,从而避免了逐个谱段探测,提高了探测效率。对该方法进行了仿真分析和实验验证,得到了与目标光谱相吻合的复原窄带光谱。     

光纤成像光谱仪中谱线畸变对调制传递函数的影响

将光纤传像束应用到色散型成像光谱仪中取代其狭缝,链接望远系统和光谱仪组成光纤成像光谱仪。它是二重采样系统,光谱仪的谱线畸变使光纤束采样像元的像与探测器像元之间产生对准偏差,从而对第二次采样过程产生影响,导致调制传递函数(MTF)下降。从线扩散函数角度出发推导出采样过程光学传递函数,分析了谱线畸变对系统MTF的影响,建立了一套评价光纤成像光谱仪MTF的模型。该模型比狭缝型成像光谱仪MTF计算模型多了一项光纤积分MTF因子和一项由谱线畸变引起的对准偏差MTF因子,最后用该模型评价了某机载可见近红外波段光纤成像光谱仪MTF。MTF计算模型的推导和建立方法对计算二重采样系统光学传递函数有参考意义,能指导光纤成像光谱仪的设计。     

均匀背景中的动态小目标光谱数据获取方法研究

光谱是一种可以表征物质特性的光学信息,利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像,成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体,相应系统的时间分辨率比较低,不适用于动态目标的光谱获取。快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势,其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术,在采样过程中完成数据压缩,具有高通量优势,可以利用单次曝光的混叠数据,重构出目标光谱数据立方体,实现快照式成像,使得对动态的目标进行监测成为可能。实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设,实际目标很难满足这样的条件,重构误差比较大,不利于对动态的小目标进行监测和识别。针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取,提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法,系统由两个通道组成,每个通道均包含一个光谱仪,其色散方向互相垂直,并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。由于两个通道的色散方向互相垂直,可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。假设目标出现在视场中前后,背景的辐射特性变化很小,利用目标出现前的数据计算出背景光谱;目标出现后,通过帧间差分运算,消除背景辐射的影响,提取出目标位置对应色散区域中数据,利用约束最小二乘算法,重构运动小目标的光谱数据立方体。进行光谱数据重构,进行背景光谱补偿后,获得完整的动态小目标光谱数据。文章对成像过程建立了数学模型,并对重构方法进行了仿真验证,结合编码孔径的统计特征,使目标随机出现在不同的位置,统计重构光谱的峰值信噪比概率分布,并调整目标尺寸,分析目标尺寸对重构精度的影响,最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。结果表明,这种方法在均匀背景中,采用随机编码矩阵进行编码,目标尺寸小于5×5个像元时,相对于编码孔径成像系统,提高了目标的信息重构精度和概率,并且极大的减小了运算量,可以实现对运动目标的实时监测。     

单色散压缩编码光谱成像系统研究

随着光谱成像技术向高空间分辨率、高光谱分辨率、高信噪比方向发展, 传统的光谱成像系统面临着数据采集量过大的问题,同时,系统分辨率受探测器帧频与像元尺寸影响较大、大口径长焦距系统难于精密装调、系统能量受限引起信噪比提高困难。为了解决上述问题,研究了一种单色散压缩编码光谱成像系统, 并针对国内压缩编码光谱成像系统工程实现与试验验证不足的问题,重点研究了该新系统的设计与实现,模板平移下的系统数学模型及多帧重构算法,并给出实际样机试验及数据处理结果。最后,根据试验情况,总结提出该新技术后续发展需重点关注的研究内容,包括编码模板误差分析,多维稀疏重构模型与算法,压缩编码光谱成像系统标定技术,重构算法/重构图谱评价技术。单色散压缩编码光谱成像系统通过编码、色散、甚至下采样,由探测器接收得到成像观测图像,然后,利用该成像数据,通过重构算法,得到目标光谱图像数据,其优点是低数据量采样、工程实现硬件要求减低、多通道高通量探测。相关研究结果表明,该系统获取的数据有效,样机设计合理,重构算法与标定方法较为准确,其得到的字母HSI目标光谱图像的空间信息清晰,光谱信息较为准确,符合钨灯光谱,其系统设计与实现具有工程可行性。     

基于空-谱编码的压缩感知高光谱计算成像

压缩感知高光谱计算成像技术是当前高光谱计算成像领域的研究热点之一,其能够在保持系统元器件物理特性不变的前提下,有效地提升成像质量。本文概述了高光谱计算成像的研究背景和基本概念,详细介绍了压缩感知高光谱计算成像系统的发展现状,重点阐述了本团队提出的基于空-谱编码的压缩感知高光谱计算成像技术,并对其系统组成、数理模型以及最新进展进行了说明。通过总结压缩感知高光谱计算成像的背景知识以及空-谱编码压缩感知高光谱计算成像的研究工作,力求为科研人员探索压缩感知高光谱计算成像新体制带来新的思路,促进高光谱计算成像技术的发展。     

基于光学记忆效应的多光谱散射成像方法

光在透过散射介质后发生散射现象,在成像系统焦平面形成无序的随机散斑图像,因此人们无法直接观测到隐藏在散射介质后的目标的图像信息与光谱信息。利用基于光学记忆效应的散斑相关成像技术,可以实现透过散射介质的目标重建,但当前研究主要针对单波段照明条件下的图像信息恢复,而目标的光谱信息在成像过程中易丢失。提出采用快照式微滤光片阵列多光谱探测器进行多光谱散射成像的方案,通过实验得到宽谱氙灯光源照明条件下的穿透散射介质成像结果。提出了基于光学记忆效应的穿透散射介质目标多光谱信息重构方法,实现了对隐藏在散射介质之后的目标多光谱信息的探测成像。针对多光谱探测器所造成的成像质量差的问题,提出了利用自相关预处理方法提升穿透散射介质多光谱成像质量的方法。     

红外光电成像系统MTF测试技术分析

调制传递函数是评价红外光电成像系统整机成像质量的重要指标之一。通常MTF的测试方法有狭缝法和刀口法等。详述了倾斜目标靶（斜狭缝和斜刀口）测试MTF的测试原理,并且对该两种方法进行了比对实验。提出一种改进刀口法,将多行数据刃边对齐并排列成一行数据作为刀口扩散函数,能增加采样点数和采样率并提高测试分辨率,进而得到刀口图像,对每行数据先微分得到各行LSF(线扩散函数),再对LSF多行数据构成的新图像按照斜缝法处理过程计算MTF。实验验证表明,该方法数据能够有效地降低在MTF测试过程中的噪声影响,与斜缝法MTF测试结果差值最大不超过7.5%。     

相干场成像全相位目标直接重构法

回波信号处理和目标重构算法是相干场成像中的核心数据处理技术, 直接影响系统的成像质量. 基于全相位谱分析理论, 提出一种新的系统融合处理算法, 对接收端回波信号直接提取全相位谱相位及幅值信息实现目标图像重构, 能够有效抑制各种因素带来的频率误差. 经室外实验系统验证, 成像能力大大优于传统重构算法, 重构目标分辨率接近理论极限值.     

基于衍射理论的哈达玛编码光谱成像数据重构

哈达玛变换光谱成像技术是一种在不牺牲分辨率的情况下,通过多通道复用的方法增加光学系统光通量,使得系统信噪比显著高于传统成像的新型计算光谱成像技术.本文针对系统成像过程中数字微镜器件衍射造成的图像降质问题,建立了基于标量衍射理论的哈达玛编码光谱成像图谱数据退化模型,提出以Lucy-Richardson (L-R)算法为核心的重构数据修正算法,提高重构数据立方体的图像质量和光谱精度.通过对成像过程的模拟和重构算法的仿真实验,数字化生成了系统成像衍射降质的物理过程,并验证了本文所采用修正方法的有效性.经过L-R修正之后的复原数据立方体的光谱角距离评价结果为0.1296,图像相似度评价因子优于0.85,相比修正前的重构数据质量有较大提升,表明算法对哈达玛编码光谱成像数据的重构及修正具有较好的效果.     

HL-2A Tokamak Gas Puff Imaging

Gas puff imaging （GPI） is one of the important diagnostics for the （ITPAC international tokamak physics activity ） and entering the ITPA IDD （ international diagnostics database ） . GPI is related to many investigations, for example, edge radiations, etc.     

大型彩色纹影系统像面均匀性分析

采用无大口径窗口玻璃光路系统设计了Φ1 200mm口径彩色纹影系统,并建模分析了该大型彩色纹影系统在重力、温度、气体冲击等复杂工作状况下的纹影像面照度均匀性.针对2.0mm切1/4、2.0mm切1/2、0.5mm切3/4这3种典型狭缝宽度和刀口切割量的组合,分别分析了该系统在理想状态下和考虑系统综合误差时系统像面照度的均匀性.结果表明:在考虑系统综合误差时,纹影像面均匀性较理想情况降低,在较低灵敏度下,整个像面照度不均匀性范围为-2.44%~2.45%;在中等灵敏度下,不均匀性范围为-3.43%~3.45%;在较高灵敏度下,不均匀性范围为-5.76%~5.81%,说明该系统能满足实际工程应用要求.     

光纤耦合数码系统传像特性

建立了光纤传像元件与光电阵列器件的匹配耦合模型,引入变动因子反映像素光纤排列的不确定性,进行了光纤耦合传像特性的仿真研究.针对9×9 μm2光敏元的阵列器件,分析了光纤传像元件结构参数变化对系统分辨率的影响,在光纤直径约为光敏元尺寸1/3时获得了相对经济合理的匹配结构,表明光纤耦合数码系统设计时必须考虑优化匹配问题.仿真结果还解释了系统的图像输出存在条纹和局部结构背景的原因,给出了相应的数值分析方法.     

自聚焦透镜成象矩阵公式的近似性

本文从光线方程出发,对自聚焦透镜成象矩阵公式做了详细推导,由推导过程即可看出该公式的近似性及其应用范围,纠正了一些文献上认为该公式可应用于非高斯光学成象的看法。     

Imaging with polarized neutrons

While polarized neutrons have long proved to be an outstanding tool for the investigation of magnetic structures by scattering, we report on their potential for real space investigations of magnetic fields on a macroscopic scale by neutron imaging. Due to the ability of neutrons to penetrate thick layers of matter and their high sensitivity to magnetic fields owed to their magnetic moment, neutron imaging enables the investigation of magnetic fields even in bulk samples of condensed matter. We demonstrate how neutrons provide images of magnetic fields trapped in or expelled by superconductors or even reveal the path of electric currents due to the corresponding magnetic fields.     

逆合成孔径成像激光雷达实包络成像算法

逆合成孔径激光成像雷达受激光调制技术以及回波相位信息易受大气湍流破坏的限制,采用常规的相位相干积累类方法得到目标二维高分辨图像很困难.针对这一情况,提出了一种基于逆Radon变换的实包络成像算法.利用回波距离脉冲压缩后的实包络信息,实现方位向的非相干积累,最终得到二维高分辨图像.通过该算法,成像系统可以使用非相干激光信号,在脉冲重复频率较低且存在大气湍流的情况下,也可以获得高质量的成像结果.仿真实验验证了此算法的有效性和优越性.     

空间热离子成像探测器

研制一种用于热离子、紫外、X射线等多种目标源的成像探测器.该探测器输出为一张目标源的灰度图像,该图像的灰度等级及其分布对应目标源的强度分布,图像的灰度分布均匀性对应目标源的束流均匀性.以紫外光源作为目标源对探测器的性能参量进行实验测试,实验结果表明该探测器的空间分辨率优于120μm,输出均匀性优于97%,输入输出正比性误差小于±4%.     

基于液体的电控光学成像系统(英文)

提出一种基于液体的电控光学成像器件,其结构是一个容纳有三层液体的圆柱容器,上下两层是导电液体,中间一层是油性液体.圆柱容器的内壁依次涂覆了透明导电层和绝缘介质层.在透明导电层与上下导电液体间施加两个不同的外部电压,分别用来控制容器中两个液体界面的形状.两个外加电压的适当匹配使该光学成像器件在焦距变化的同时保证像面位置不动.文章以器件对无穷远处成像为例,基于高斯光学理论对器件做了详细的计算,给出了两个外加电压的匹配关系以及系统的焦距表达式,并对系统做了相关的模拟分析,分析的结果表明本文所设计的光学成像器件的变倍比可达1∶1.5,体现该器件是一种可靠的变焦光学成像器件.     

李变换方法在超环面光栅成像理论中的应用

应用李变换方法研究了超环面光栅的成像及其像差,介绍了李变换基本原理.光栅成像过程可分成五个部分,分别对应五个李变换;其中最重要的变换就是超环面光栅的衍射李变换.利用这五个李变换推导出了超环面光栅的成像公式,并应用光线追迹,对研究结果进行了验证,说明了李变换的方法能准确地描述超环面光栅的成像.该方法可以处理平面光源,能计算远离子午焦平面处的像差.李变换方法导出的成像公式描述了像平面坐标与物平面坐标、方向余弦之间的函数关系,体现了物空间变量与像空间对应变量之间映射关系.