混浊大气介质调制传递函数的一般特征

基于混浊介质的调制传递函数(MTF)和在各向同性漫射光源照射下平行平面混浊介质出射光强度分布之间的等效原理,利用辐射传输算法DISORT数值计算了几种典型的均匀大气混浊介质的MTF,获得了整个空间频域内MTF的一般特征.结果显示,大气介质的MTF不但依赖于介质的光学厚度(散射和吸收),也依赖于介质的散射相函数.给出了大...     

大气气溶胶光学厚度对天基光学遥感系统成像品质的影响

由于大气环境的变化,大气气溶胶污染对光学遥感器成像品质的影响越来越受到载荷研制部门的重视。天基光学遥感系统成像过程中,受到大气气溶胶退化的影响使得光学遥感器成像品质的恶化。大气导致图像质量降低主要原因之一是气溶胶混浊介质引起的前向光散射。根据气溶胶辐射特性,利用混浊介质辐射传输方程,推导了包含气溶胶光学特性的大气点扩散函数模型。根据此模型,定量化分析与评价其对光学遥感器成像的大气模糊效应。研究发现气溶胶介质除了对遥感器成像过程中大气透过率能量衰减影响外,更重要的是由于散射对成像质量产生退化作用,大气气溶胶光学厚度的增加使得气溶胶散射强度的增强,气溶胶光学厚度的变化同样强烈的影响着点扩散函数的空间分布范围,正是因为气溶胶在空间域内对图像产生的退化作用,使得遥感图像质量降低,尤其是图像清晰度的下降。同时,该模型也为遥感图像仿真中,大气链路环节的优化与改进提供了参考依据与模型方法。     

线阵CCD相机MTF的系统模型估计法与图像复原

线阵推扫CCD图像在获取与传输过程中产生退化。针对其复原问题,从图像降质机理的角度,提出用系统模型法估计MTF,并使用维纳滤波、Lucy-Richardson迭代法等方法对大气状况较好时的实验图像进行复原,采用复原图像的MTF曲线和MTFA(MTF area)等指标评价复原图像质量,并与从图像上提取PSF的图像估计法进行比较。实验结果表明,系统模型法能够更简便、准确地估计出MTF,进而取得良好的复原效果。     

TDI CMOS图像传感器曝光时间优化方法研究

为了提高时间延迟积分互补金属氧化物半导体(TDI CMOS)图像传感器的成像质量,研究了TDI CMOS图像传感器中曝光时间的选取对成像质量的影响。基于行滚筒曝光读出原理,分别分析了曝光时间对信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)的影响机理,根据分析结果,提出在级数已选定的情况下,曝光时间的选取存在最优值,此时得到的图像质量较好。为验证结论,基于自主研发的TDI CMOS图像传感器芯片及现场可编程门阵列(FPGA)开发板,搭建了TDI CMOS图像传感器成像测试系统。实验中采用MTF×SNR作为评价图像质量的指标,实验结果表明,在选定的相机参数下,积分级数为8级,光强为20 lx时,TDI CMOS图像传感器曝光时间选取64 ms时所得到的图像质量最好,此时MTF×SNR最大。     

用电子学全息方法测量两平行光束微小夹角

提出一种根据电子学全息原理测量两平行光束微小夹角的方法，其基本思路是，用ＣＣＤ作为记录介质经图像采集卡将双光束干涉条纹图像采集于计算机中，并通过离散傅里叶变换实现干涉条纹图像从空域到频域的变换，根据所得到的频谱分布图，获取条纹数并算出条纹间距，进而推算出两平行光束的夹角。详细地阐述了该方法的原理，通过实验验证了其测量微小光束夹角的可行性，对其测量精度、范围和角度分辨率作了定量地分析。     

基于频域辐射传输模型的光学成像研究

本文以超短脉冲激光照射参与性介质的光学成像为研究背景,分别构建了短脉冲激光在参与性介质内的频域辐射传输正问题模型和根据边界探测所得频域信号重建介质内部光学参数的逆问题模型。在瞬态辐射传输方程的基础上,利用傅里叶变换得到频域辐射传输方程,采用有限体积法求解频域传输方程,模拟超短脉冲激光在二维参与性介质内传输的过程,得到介质边界的出射频域辐射信号。选取共轭梯度法作为反演算法,采用伴随差分模型求解目标函数梯度,重建了二维非均匀参与性介质内不同位置内含物的光学参数分布。结果表明,基于频域辐射传输方程的伴随差分模型能够较为准确地反演多维参与性介质内的光学参数。     

频域OCT的背向散射率补偿

针对频域OCT中背向散射光的强度随探测深度加深而急剧减弱,从而导致最后的组织成像模糊不清的现象,提出了一种对不同探测深度图像灰度补偿的方法。该方法通过补偿样品每层析面的入射光功率与背向功率散射率,来得到样品每层析面图像的真实灰度,提高了OCT图像质量。以理想的、由多层均匀介质组成的组织模型为基础,深入剖析了影响深度图像灰度的主要因素。通过建立以多层盖玻片为被测物体的频域OCT系统,得到多层盖玻片的深度图像。在对以盖玻片为被测物体的前提下,得出逐层深度图像灰度补偿的公式。并将理论补偿和实验系统的复杂情况相结合,对深度灰度图像进行入射和出射光强的补偿。实验结果证明这种补偿法是一种有效可行的补偿方法。     

光电测量设备图像高频频谱对主观评价的影响

分析了光电测量设备图像质量评价研究过程中,图像频谱高频分量对图像质量人眼主观评价影响的途径和解决措施。对清晰图像通过Butterworth低通滤波器在频域进行了低通滤波,然后利用滤波图像分析了图像高频频谱对人眼主观感受的影响。用斜狭缝法对离焦成像系统的调制传递函数(MTF)进行了测试,并对相应离焦状态的模糊图像进行了主观评价。对不同像元尺寸相机获取的图像进行了频谱分析和图像评价,实验结果表明,图像频谱高频分量比例增多,图像具有更丰富的细节和更高的清晰度,准确调焦及采用小像元尺寸相机是提高光电测量设备图像质量的重要因素。给出了影响光电测量设备图像质量的其他因素,并提出了改进措施。     

大孔径衍射受限光学合成孔径系统MTF中频补偿

光学合成孔径(OSA)技术能够极大地提高光学系统的空间分辨率,但是由于孔径的离散与稀疏,导致其调制传递函数(MTF)中频部分相比单一口径系统显著下降。论述OSA成像的方式和原理,分析OSA中频MTF下降的原因和原理。以填充因子为线索,分别给出大填充因子中频MTF下降和小填充因子中频MTF缺失的处理方法。对于中频MTF下降,采用图像复原的方式恢复图像中的中频信息;对于中频MTF缺失,采用两个系统分别成像再融合图像的方法补偿中频。分别分析了两种方法的可行性,给出了两种情况的Zemax仿真验证,结果表明两种方法均可行。     

光学拼接焦平面空间相机的相对辐射定标EI北大核心CSCD

为了提高光学拼接焦平面空间相机的成像性能和图像质量,开展了空间相机研制全过程的辐射定标技术研究,包括辐射响应性能分析、图像传感器的辐射定标及筛选、焦平面辐射定标、系统级辐射定标以及辐射定标数据应用等,并对具有反射镜光学拼接焦平面的空间相机进行了辐射定标实验。结果表明,利用相对辐射校正系数对图像校正,可以有效消除渐晕,图像的非均匀性由14.1%降至0.4%,图像质量明显提升;图像传感器的筛选以及焦平面组件的辐射定标,减少了图像传感器之间的辐射响应差异,相对定标不确定度小于1.0%。     

Equivalence of MTF of a turbid medium and radiative transfer field

The equivalence of the modulation transfer function (MTF) of a turbid medium and the transmitted radiance from the medium under isotropic diffuse illumination is demonstrated. MTF of a turbid medium can be fully evaluated by numerically solving a radiative transfer problem in a plane parallel medium. MTF for a homogenous single layer turbid medium is investigated as illustration. General features of the MTF in the low and high spatial frequency domains are provided through their dependence on optical thickness, single scattering albedo, asymmetrical factor, and phase function type.     

Three-dimensional visualization of objects in scattering medium using integral imaging and spectral analysis

This paper presents a three-dimensional visualization method of 3D objects in a scattering medium. The proposed method employs integral imaging and spectral analysis to improve the visual quality of 3D images. The images observed from 3D objects in the scattering medium such as turbid water suffer from image degradation due to scattering. The main reason is that the observed image signal is very weak compared with the scattering signal. Common image enhancement techniques including histogram equalization and contrast enhancement works improperly to overcome the problem. Thus, integral imaging that enables to integrate the weak signals from multiple images was discussed to improve image quality. In this paper, we apply spectral analysis to an integral imaging system such as the computational integral imaging reconstruction. Also, we introduce a signal model with a visibility parameter to analyze the scattering signal. The proposed method based on spectral analysis efficiently estimates the original signal and it is applied to elemental images. The visibility-enhanced elemental images are then used to reconstruct 3D images using a computational integral imaging reconstruction algorithm. To evaluate the proposed method, we perform the optical experiments for 3D objects in turbid water. The experimental results indicate that the proposed method outperforms the existing methods.     

Statistically stable ultrasonic imaging in random media

Analysis of array data from acoustic scattering in a random medium with a small number of isolated targets is performed in order to image and, thereby, localize the spatial position of each target. Because the host medium has random fluctuations in wave speed, the background medium is itself a source of scattered energy. It is assumed, however, that the targets are sufficiently larger and/or more reflective than the background fluctuations so that a clear distinction can be made between targets and background scatterers. In numerical simulations nonreflective boundary conditions are used so as to isolate the effects of the host randomness from those of the spatial boundaries, which can then be treated in a separate analysis. It is shown that the key to successful imaging is finding statistically stable functionals of the data whose extreme values provide estimates of scatterer locations. The best ones are related to the eigenfunctions and eigenvalues of the array response matrix, just as one might expect from prior work on array data processing in complex scattering media having homogeneous backgrounds. The specific imaging functionals studied include matched-field processing and linear subspace methods, such as MUSIC (MUtiple SIgnal Classification). But statistical stability is not characteristic of the frequency domain, which is often the province of these methods. By transforming back into the time domain after first diagonalizing the array data in the frequency domain, one can take advantage of both the time-domain stability and the frequency-domain orthogonality of the relevant eigenfunctions.     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

矩形波板法测量光锥与CCD耦合器件的光学传递函数

本文采用直接对矩形波板成像的办法,测得系统的对比传递函数,然后再利用系统对比传递函数与系统的调制传递函数的关系,得到系统的调制传递函数.该方法克服了传统刀口扫描法的缺陷,消除了由于离散型光学元件的离散性产生的空间非平移不变性的影响,减小了测量误差,提高了精确度.     

空间低频光共焦扫描法透过散射介质成象

本文使用4-F光学系统实现低通空间频率滤波,采用空间低频光共焦扫描法透过散射介质成象,实验表明,光路中加入简单的空间滤波系统后,明显改善共焦扫描法的成象质量和分辨率。     

二维圆周光综合孔径阵的优化排列及其成像特性研究

光综合孔径成像的原理是应用干涉原理在空间频率域中进行采样,并通过傅里叶反变换或其他数值变换方法得到空间分辨力远高于单个孔径成像系统的目标图像。由若干个相同的小孔径在二维圆周上优化排列组成的综合孔径成像系统可以在二维空间频率域中实现较为均匀分布的、具有无冗余度的采样点覆盖,为高质量实时成像提供了一个有效的途径。运用模拟退火算法对由7～16个子孔径组成的二维圆周综合孔径阵列进行优化排列。并依据光学衍射成像原理,从空域和频域两个方面详细分析了二维圆周上优化排列与均匀排列光综合孔径阵的成像特性。对7～16个子孔径组成的光综合孔径的仿真结果表明：无论是在空域还是频域上,子孔径直径增大、孔径数目增多以及综合孔径阵的优化排列都是有利于提高成像质量的。但综合后的子孔径的直径的增大,虽然能获得极高的角分辨力,却并不利于成像质量的提高。     

Polarization visualization of scattering media with CW laser radiation

The method of polarization visualization of a multiply scattering medium containing macroinhomogeneities based on analysis of polarization spatial distribution of a scattered linearly polarized light is discussed. The treatment is based on statistical properties of the effective optical path distribution of scattered field components. The influence of media scattering properties and the geometry of the experiment on the inhomogeneity image contrast obtained with use of polarization degree and of normalized scattered intensity of radiation as visualization parameters are discussed, as well as spatial resolution achieved in these both cases. Using the results of theoretical analysis and of the experimental model, the relationship between the shapes of spatial distributions of polarization degree and the intensity of the scattered light is considered as a function of the position of the visualized object (an absorbing half-plane immersed in a plane layer of the scattering medium). The opportunities for enhancing the quality of the images formed in this way are also discussed.