时空域联合编码扩频单光子计数成像方法

本文结合空间编码单像素成像技术和扩频时间编码扫描成像技术,提出一种时空域联合编码扩频单光子计数成像方法.该方法具备可避免距离模糊、大时宽带宽积的优势,并且在噪声干扰下,能够准确恢复距离像.本文推导了基于单光子探测的时空域联合相关非线性探测模型、成像正向模型和信噪比模型,并通过凸优化反演算法恢复深度图像,理论模型和仿真实验均证明,与传统的基于空间编码的单像素成像方法相比,本方法提高了重建的质量.其中,采用m序列作为时间编码,成像的噪声鲁棒性更高.和传统的空间编码单像素成像技术相比,本文提出方法的成像均方误差降低了4/5,引入二次相关方法后,成像均方误差降低了9/10.本文所提出的成像架构为非扫描激光雷达成像方法提供了新思路.     

基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法

针对光子计数系统实现三维成像速度缓慢的问题,提出一种基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法。利用哈达玛矩阵调制投影图案提高采样效率,被调制的短脉冲结构光照射场景,单像素光子计数探测器采集回波。通过分析低分辨率图像的小波树选择采样区域,使用哈达玛矩阵调制所选采样区域得到的投影图案,可采集图像细节,多阶段采样后利用哈达玛反变换恢复出高分辨率图像。实验结果表明,采集并恢复出一幅512×512像素的三维图像的时间最快可达到41 s。     

单光子探测三维点云与可见光图像融合处理算法研究

为了提升光电系统对于目标的探测识别能力,实现单光子探测三维点云数据和二维可见光图像的融合处理,提出了单光子探测成像系统的融合处理算法,采用直接线性变换方法并利用同名特征点的选取和间接平差算法解决了融合处理过程中的参数标定问题。通过实验数据进行融合处理算法验证,实现了分辨率1024×768像素单光子探测三维点云和二维可见光图像的像素级融合处理。实验结果表明,提出的融合处理算法能够有效实现三维、二维图像的融合。     

基于锁相光子计数测量的单像素空间频率域成像系统

基于锁相光子计数技术,提出一种多波长并行检测的单像素空间频率域成像(SFDI)系统。以一个数字微镜器(DMD)为待测多波长漫反射光的调制光源,以另一个DMD为漫反射光采集、编码与会聚设备,使得会聚后的漫反射光通过锁相光子计数技术实现不同波长的解调分离,同时降低了系统成本。引入压缩感知图像恢复理论,有效缩短了多次空间编码引起的单像素成像时间。实验结果表明,所提SFDI系统只需要进行像素总数20%左右的编码,即可准确重构多波长下仿体表面漫反射光图像。     

基于光子计数激光雷达的自适应门控抑噪及三维重建算法

光子计数激光雷达技术具有极高的探测灵敏度与时间分辨率,是极端条件下高精度目标信息获取的重要手段.由于该技术通过探测单光子级的回波能量实现对目标信息的三维重建,因此极易受噪声干扰,导致成像质量严重降低.基于高速电子门控的距离选通技术虽然可以有效抑制噪声,但存在参数设计依靠经验、目标检测区间窄等问题.本文提出一种在宽目标检测区间条件下的目标信息提取及三维重建方法,首先通过对三维回波信息的获取机理及其概率模型进行分析,获取目标信息分布范围并通过算法门控提取有效信息;再采用高效的图像重建算法进一步提升三维重建的质量,从而具有比基于纯硬件的去噪方法更强的抑噪能力.实验结果显示,在平均像素光子数仅为3.020,且信号噪声比仅为0.106的极端条件下,本文提出的目标信息提取方法可将信号噪声比提升19.330倍;再配合高效的图像重建算法,距离图像的重建信噪比相比于传统的互相关算法提升了33.520 d B,大幅提升了强噪声环境下高精度目标信息获取的能力.     

显微光子计数成像系统及其应用

光子计数成像系统可以探测生物超微弱发光,但是只能探测生物的宏观图像,若要深入到细胞、分子水平,必须有显微光子计数成像系统。二者的区别类于显微光子计数成像系统是噪声受限系统。本文报道的显微光子计数成像系统,采用＾１４Ｃ同位素光源来监测系统的状态,保证实现极限探测。该系统可以用来研究痕量生物分子的分布和功能,显示钙离子在细胞内外的分布,活性氧、基因表达的监测等。由单光子到单分子、组织学图像到功能图像的     

面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法

超声显微成像技术广泛应用于工业无损检测领域。相较于闭环、半闭环扫描系统硬件复杂、成本高,开环扫描系统结构简单、成本低,但由于无反馈机制会导致步进电机的非线性运动引起图像像素错位畸变。因此,消除非线性运动带来的错位畸变是采用开环扫描系统实现高质量超声成像的关键。该文提出集最大值投影法、最大类间方差法和中心坐标校正法于一体的MIP-Otsu-C³M方法,对开环扫描系统获得的硬币回波数据采用最大值投影法获取初始灰度图像,采用最大类间方差法获取感兴趣区域的B扫描图像边缘像素位置,并采用中心坐标校正法成功消除像素错位,解决了超声C扫描图像畸变问题。对消除错位畸变的回波数据进行飞行时间法和傅里叶变换法图像重建,直接获得了非畸变的三维图像和透视图像。该新颖算法也验证了最大值投影法可拓展至图像畸变校正应用。     

基于分块平滑投影二次重构算法的单像素成像系统

单像素成像系统是通过无空间分辨能力的单像元探测器来获取目标二维分布信息的计算光学成像技术,与传统直接成像技术相比具有高能量收集效率、高灵敏度等一系列优点,在高能物理诊断技术领域有着广阔的应用前景。针对实际单像素压缩感知成像系统在复杂诊断环境中存在的重建噪声较大的问题,提出并实现了基于分块平滑投影Landweber二次重构算法的单像素成像系统。根据算法观测矩阵分布特性以及数字微镜硬件输入要求实现了实际投影观测矩阵的变换,利用二次重构算法实现了单像素诊断的仿真分析与实验测试。仿真结果表明,在采样率为20%～30%的条件下,重建图像峰值信噪比大于20 dB,结构相似性高于0.8。进一步搭建单像素成像平台完成实验研究及验证,实验结果表明,利用二次重构算法模型对目标场景进行恢复的效果优于其余两种传统算法。二次重构单像素成像系统在采样率仅为20%的条件下能够重建出清晰的原始图像,具有较好的噪声抑制特性。     

基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微

在传统共聚焦显微技术的基础上,图像扫描显微技术使用面阵探测器来代替单点探测器,结合虚拟数字针孔并利用像素重定位和解卷积图像重构算法将传统宽场显微镜的分辨率提高一倍,实现了高信噪比的超分辨共焦成像.但是,由于采用逐点扫描的方式,三维成像速度相对较慢,限制了其在活体样品成像中的应用.为了进一步提高图像扫描显微术的成像速度,本文提出了一种基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微成像方法和系统.在照明光路中,利用高速数字微镜器件产生周期分布的聚焦点阵对样品进行并行激发和快速二维扫描;在探测光路中,利用双螺旋相位片将激发点荧光信号的强度分布转换为双螺旋的形式;最终,利用后期数字重聚焦处理,从单次样品扫描数据中重构出多个样品层的超分辨宽场图像.在此基础上,利用搭建的系统分别对纤维状肌动蛋白和海拉细胞线粒体进行成像实验,证明了该方法的超分辨能力和快速三维成像能力.     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率     

单像素探测成像实验研究

提出了不需要使用任何几何光学成像系统的单像素探测成像方法并进行实验研究.通过投影一系列不同频率组合、且每种频率组合具有4种不同初相位的二维正弦灰度条纹到成像物体表面,利用单像素探测器探测来自成像物体的后向散射光,然后对成像物体的频谱进行重建.本文给出详细的理论基础、实验装置和实验结果.     

光子计数模式下的目标探测与成像

 当光微弱到以单个光子发射时,成像系统只有利用光子计数模式才能探测到单光子信息。采用基于碰撞电离效应的全固态雪崩光电二极管作为探测元件,构成微光环境下的光子计数成像实验系统。该系统的硬件主要由雪崩光电二极管构成的单光子计数器、计算机、微光照度计、2维电控导轨、控制器、暗箱等组成。控制器的软件在Altera公司Quartus环境下设计,主要完成导轨运动的控制;上位机软件采用VC++编程实现系统的数据采集处理、系统功能控制和光子计数图像显示等。该系统为全固态结构,工作电压小于35 V,暗计数率小于4 Hz。所建光子计数成像系统在10－5 lx微光环境下实现了目标的探测成像。     

基于光子散射的功能成像技术

阐述了基于光子散射模型下的功能成像技术.运用蒙特卡罗方法对光子在介质中的散射路径进行了模拟和分析,从而引入光子散射的概念.通过对光子散射方程的解释引入了散射光子密度波的概念.通过无限大模型下光子密度波的波方程,引出光子密度波的异质模型.建立了基于消元的奇异值弱化重建算法,完成了对病态方程的求解,实现了对内嵌于均匀介质中异质的吸收系数分布图像的重建.在基于光散射成像技术所开发的成像系统平台下实现了异质小球的成像实验,对多个不同浓度的物体完成了成像,探测到介质中由于微小浓度改变而引起的吸收系数变化.     

实时观察光的波粒二象性

利用现代单光子探测技术，自行研制成功一种光子计数成像系统，利用它在１０＾－１５Ｗ的极弱的探测功率下，完成了光的双缝干涉，单缝衍射和圆孔衍射实验，可实时观察图像形成过程，用光子本身验证了光的波粒二象性。     

单像素压缩成像高质量图像重建特征函数

通过测量矩阵获取Gram矩阵,梳理了Gram矩阵与系统点扩散函数的关系,进而基于点扩散函数提出最强旁瓣峰值大小、叠加旁瓣峰值大小、空间距离和频谱余弦相似度4个特征参量。在此基础上,构建了一种单像素压缩成像高质量图像重建的特征函数,建立了可重建的目标稀疏度与特征函数的关系,并通过数值模拟和实验验证了所提特征函数的有效性,该工作对于单像素成像系统测量矩阵的优化设计具有重要借鉴意义。     

一维游标位敏阳极光子计数探测器

报道了一维游标位敏阳极光子计数探测器,详细介绍了一维游标位敏阳极的解码原理和设计结果.搭建了基于一维游标位敏阳极探测器的紫外光子计数探测系统.该系统工作于光子计数模式,可同时测量单光子事件的一维坐标.获得了对应入射光空间强度一维分布的脉冲计数分布图.通过测试,系统的分辨率优于100μm.该探测器可以实现极微弱的高能光子、电子和离子等粒子流强度分布的一维探测,因此可以用于深空探测、光谱测量、高能物理以及生物发光探测.     

基于Hadamard矩阵优化排序的快速单像素成像

为提升单像素成像速度,提出了基于Hadamard矩阵优化排序的压缩采样解决方案.利用数值仿真和室外实验对提出的5种排序方法进行了对比分析.研究结果表明:按Haar小波变换系数绝对值排序时单像素成像效果最优,排序对应到Walsh序后可利用快速变换重建图像,速度达300帧/秒@64×64像素;最优排序下,采样率25%仍可重建图像,采样速度可提升4倍.针对排序方法与成像信噪比关系,从关联成像角度给出了其物理解释:测量基矩阵元邻域数值相等的区域面积等效于光场二阶相干面积,当光场二阶相干面积随测量基由大到小排序时成像效果最优.本文研究成果可用于提升单像素成像速度,具有实用价值.     

显微热成像系统像素相关度插值微扫描图像重建技术

显微热成像技术根据温度变化对细微目标进行热成像,是国内外光电成像领域重要的研究方向。由于加工技术精度有限,前期研制的光学微扫描显微热成像系统存在扫描位置误差,该误差使基于微扫描图像直接融合形成的图像质量下降。提出一种结合图像预处理思想、微扫描原理和通过计算像素相关度进行微扫描图像插值重建的算法。仿真及实验表明:方法能改善图像重构质量,提高系统的空间分辨力,还可应用于其他带有微扫描的光电成像系统以提高其系统性能。     

基于数字微镜器件的光子计数对应鬼成像

提出了一种基于数字微镜器件的光子计数对应鬼成像方案。该方案采用数字微镜器件对光源进行调制,通过时间相关单光子计数技术获取光子计数值,并利用对应鬼成像算法计算目标物体的像。结合鬼成像理论和对应鬼成像理论阐明了光子计数对应鬼成像原理,并通过实验对该方案进行了验证。研究结果表明,该方案能够实现弱光成像。利用该方案可以获得与传统鬼成像效果相当的成像质量,但降低了图像重建过程中的计算量和算法复杂度。此外,该方案略去了阵列探测器对光强分布的测量,利用一个不具有空间分辨率的单光子探测器结合对应鬼成像算法,即可得目标物体的像,同时也能获得目标的距离信息。     

基于单片有源像素传感器的探测模块测试研究

硅像素探测器因具有优异的空间分辨率、极高的耐计数能力和较低的功耗等优点,近年来已被广泛应用于高能对撞机实验的顶点探测器和内径迹探测器.基于MIMOSA28芯片的硅像素探测器研究是北京谱仪Ⅲ漂移室内室的升级预研方案之一,该方案计划建造一个漂移室内室1/10规模的模型.探测模块是该模型的基本探测单元.为了对探测模块的性能进行研究,搭建了实验室测试系统.该系统主要由五层探测模块、读出电子学系统以及数据获取系统组成.本文围绕带有触发标记的连续数据读出方法的实现、探测模块的噪声水平和放射源响应测试以及击中位置重建算法研究展开.测试结果验证了探测模块工作性能良好,触发读出逻辑正确,而且重建算法准确有效,为后续探测模块性能的进一步研究奠定了基础.