叠层相干衍射成像算法发展综述

随着同步辐射技术的发展和光源相干性的提升,叠层相干衍射成像(ptychography)得到快速发展.叠层相干衍射成像算法解决了传统相干衍射成像算法收敛速度较慢、容易陷入局部最优解和算法停滞等问题,具有成像视场大、算法鲁棒性强、对误差容忍性高、应用范围广等优点,正成为相干衍射成像领域的热点研究方向.本文首先介绍了叠层相干衍射成像算法提出的背景;然后详细总结了叠层相干衍射成像算法的发展脉络、主要的算法流程以及应用场景,并且介绍了叠层相干衍射成像与人工智能结合的新算法及应用潜力;最后介绍了叠层相干衍射成像算法具体的并行化实现及常用软件包.本文有助于建立叠层相干衍射成像领域算法本身、人工智能以及计算方法全局研究视角,对于促进叠层相干衍射成像方法学的系统发展具有重要的参考意义.     

基于多次成像的分辨率提高算法研究

在数字成像快速发展的今天,对CCD的分辨约有着越来越高的要求,文中提出了一种新的提高CCD成像分辨率的算法,利用多幅有相对位移的低分辨率图像,通过一定的计算,合成后得到分辨率较高的图像.由于算法与硬件无关,即独立于设备,所以无论CCD硬件发展到如何先进的水平,该算法都有其应用价值的.     

基于逐行处理的高光谱遥感异常快速检测方法

针对基于逐像元处理的因果实时异常(Causal Real-time Relationship Reed-X Detector,CR-RRXD)检测算法计算量大,以及基于逐像元方式边检测边成像显示的时间过长而不能满足快速处理要求的缺陷,提出了一种基于逐行处理的CR-R-RXD检测算法.与基于逐像元处理的CR-R-RXD检测算法相比,该方法将高光谱图像整行像元向量作为输入,即处理一行高光谱数据只需计算一次,极大地减少了计算次数.实验结果表明,与R-RXD和基于逐像元处理的CR-R-RXD算法相比,本文算法可在获得与R-RXD算法几乎相同的检测准确度的情况下,实现快速实时处理,其检测准确度相较于基于逐像元处理的CR-R-RXD算法有所提高,且算法检测时间大大缩短,增强了算法的时效性.     

一维粗糙地表面下方埋藏目标SAR成像

提出一种快速实现一维粗糙地表面下方埋藏金属目标的成像算法.用层内波传播算法结合谱加速的前后向迭代算法(PILE+FB-SA)计算一维粗糙面下方埋藏金属目标的后向散射;用得到的后向散射数据结合后向投影算法实现二维SAR(synthetic aperture radar)成像,研究窗函数的选取,讨论目标位置及尺寸大小变化的影响.用具有高斯谱的粗糙面模拟实际地表面,并采用锥形波入射以减小人为截断粗糙面引起的边缘效应.由于散射数据由快速数值算法得到,该算法不受地面和目标参数限制,可以实现任意粗糙地表面和复杂目标成像,对地下目标探测具有重要的应用价值.     

菲涅耳波带板X射线成像的快速计算方法

菲涅耳波带板直接成像,应用到激光等离子体或惯性约束聚变靶的X射线成像诊断,可实现μm甚至亚μm的空间分辨能力。在对成像进行数值模拟时,考虑到光源的光谱带宽和几何尺度对成像的影响,要进行菲涅耳-基尔霍夫衍射积分与卷积等数值计算,需占用大量计算机内存并且耗费运行机时。改进了数值计算方法,采用了蒙特卡罗积分法和新的卷积算法。模拟了菲涅耳波带板对大尺度多色X射线源的二维成像,新算法与以往算法相比,可显著减少运算机时,在台式机上实现模拟成像的快速计算。结果表明随着光源尺度增大、光谱带宽增加,像的背景增强,导致反衬度与成像质量下降。     

基于快速轮廓转动力矩特征的激光主动成像目标识别

针对激光主动成像的图像特性,提出一种基于快速轮廓转动力矩的目标识别方法。将转动力矩的概念引入目标识别中,提出的快速轮廓转动力矩特征(FCTF)不仅包含了轮廓的尺寸、位置、规则度以及目标的亮暗等信息,同时对于旋转、尺度缩放等变换具有不变性。采用转动力矩的快速计算方法,提高了识别算法的计算效率。识别算法首先使用最大稳定极值区域(MSER)算法检测出目标特征区域,并将其变换为圆形区域,然后结合快速转动力矩特征算法提取出目标区域的局部不变特征,最后输入训练好的支持向量机分类器进行识别。实验结果表明相比于已有的激光主动成像目标识别方法,所提算法对于旋转、仿射变换均具有更高的识别率,同时单帧平均运算时间为9.68 ms,满足激光主动成像目标识别系统实时性的要求。     

一种SAR成像快速算法及优化实现

针对实时SAR成像处理中相关运算量大的特点,提出了新的频域分解快速算法和优化设计方法.根据参数优化准则,选择合适的填零个数和DFT点数分解方式,分析出利用频域分解和频域分段两种算法,可以大大减少相关运算中FFT变换的运算量.在不同情况下,详细分析了多种算法的速度性能和适用性.在并行多处理器上利用此算法,降低了SAR实时成像的运算量和成像延迟,显著提高了SAR实时成像的处理速度.     

激光散斑漂移现象的理论模型与成像实验

基于傅里叶光学原理,建立了数值计算客观及主观激光散斑图样的方法.利用几何光学成像原理,推导了主观散斑现象中散斑及光斑漂移速率的表达式.搭建了成像实验装置,观察主客观散斑及其漂移现象.结合相关函数、快速傅里叶变换算法以及卷积定理,建立了基于图像处理定量计算散斑及光斑漂移量的方法.实验结果、数值计算结果、几何光学理论均互相符合,表明了数值方法与几何光学理论的正确性,为激光散斑漂移现象提供了系统性的研究方法和直观的理解.     

机动目标逆合成孔径激光雷达方位成像快速算法

针对逆合成孔径激光雷达对机动目标成像时存在方位多普勒时变的问题,提出了一种基于方位时频域keystone变换的机动目标逆合成孔径激光雷达方位成像快速算法.利用多分量线性调频子回波信号的调频斜率与起始频率的比值为常量这一特点,在方位时频域采用keystone变换将多分量线性调频信号同时转换为多分量单频信号,利用快速傅里叶变换实现方位聚焦.采用基于分数阶傅里叶变换和最小熵的线性调频参量估计方法,实现了对调频斜率与起始频率比值的精确、快速估计.结果表明,与现有的基于Radon-Wigner变换的距离-瞬时多普勒成像算法相比,所提出的算法成像效率大大提高,且能够保留更多的目标细节信息,适合于逆合成孔径激光雷达的实时成像.     

简单光学成像技术及其研究进展

计算成像为光学成像系统提供了更强大的信息获取能力,通过在成像链路中引入编解码过程,在增大信息量的同时降低系统的复杂度,为实现更简单和更智能的成像系统奠定了基础.本文总结了以计算成像为基础的简单光学成像技术的发展.简单光学以小型化和集成化的成像元件与系统为目标,将光学系统设计与图像处理算法进行联合优化,在小尺寸、低质量和低功耗的系统中实现与复杂光学系统相媲美的成像效果.随着微纳加工技术的发展,简单光学元件从单透镜或少片透镜逐渐发展到衍射光学元件、二元光学元件和超构表面等平板光学元件.复原算法中总结了正向求解算法、基于模型的优化迭代算法和深度学习人工智能算法.本文介绍了深度成像、高分辨与超分辨成像、大视场和大景深成像等技术,以及简单光学在消费电子、自动驾驶、机器视觉、安防监控和元宇宙等领域发挥的作用,并对未来的发展进行展望.     

二维海面上舰船目标电磁散射及合成孔径雷达成像技术研究

研究了二维海面上三维金属目标的电磁散射计算以及合成 孔径雷达(SAR)成像技术. 基于物理光学法、几何光学法和射线弹跳法计算了海 面与目标镜面反射及相互耦合作用; 并用等效电流法计算了目标的棱边绕射作用, 该方法考虑了阴影效应,同时为了消除人为截断引起的边缘衍射, 采用锥形入射波入射. 应用蒙特卡罗法生成的Pierson-Moskowitz谱粗糙面模拟实际海洋面, 计算海面上立方体及舰船的双站雷达散射截面, 通过与数值算法的结果相比较, 验证了该算法的正确性. 运用该解析法快速获取不同频率、 不同角度入射波照射下海面与目标的复合后向散射场数组, 结合SAR成像技术, 得到海面上立方体以及不同姿态舰船目标的SAR成像结果. 该研究成果在实际海洋遥感、海面上军事目标的探测与识别 等领域中具有重要的应用价值.     

低信噪比下的二维联合线性布雷格曼迭代快速超分辨成像算法

针对实际逆合成孔径雷达(ISAR)成像时带宽有限、方位孔径稀疏的小角度回波数据条件下,常规算法的成像分辨率不高等问题,基于压缩感知理论,提出了一种低信噪比条件下的二维联合布雷格曼迭代快速ISAR超分辨成像算法.首先,将雷达回波构建为距离频域-方位多普勒域的二维稀疏表示模型,在此基础上,将二维超分辨成像问题转换为二维联合压缩感知的稀疏重构问题;其次,为了避免重构时向量化操作带来的复杂度,提出了二维联合布雷格曼迭代算法,为实现快速重构,将加权残量迭代、估计停滞步长与感知矩阵条件数优化三种加快收敛速度的思想相结合,既利用了布雷格曼迭代在低信噪比条件下的重构能力又能保证快速成像.最后仿真实验结果表明在欠采样和低信噪比条件下本文算法能够缩短成像时间,且具备更好的噪声鲁棒性.     

一种基于模糊图像处理的透镜快速测焦方法

焦距的精确测量直接关系到光学仪器的正常使用和技术性能的充分发挥。基于光学离焦成像模型,结合模糊图像处理快速算法,提出了一种新的实用性强的快速自动测焦方法。根据光学成像原理提出模糊图像条件下测焦原理的数学模型,运用最小二乘法拟合圆的图像处理算法计算模糊图像中两弥散光斑间的距离,利用这个距离值计算出透镜焦距。实验证明该方法能够以较高的精度估计出弥散光斑间的距离值,从而实现精准且快速的自动测焦。该方法只需一幅模糊图像,相对于传统的测焦方法,减少了计算量,提高了速度和可靠性,降低了系统的复杂度。     

基于CUDA的傅里叶变换成像光谱仪数据重建

为了达到傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)数据快速重建的目的,使用GPU并行计算技术设计了基于CUDA(compute unified device architecture)的成像光谱仪快速数据重建优化算法。采用CUDA下的CUFFT库和CUDA并行计算内核,以达到加快成像光谱仪快速数据重建。结果表明,基于CUDA的并行计算技术能有效调动GPU的硬件资源,可大幅度提高光谱重建处理任务的计算效率。如果将该技术应用到更多核的并行计算工作站上,那么单台计算机完成干涉成像光谱仪数据的实时处理任务将成为可能。     

一种水下对空成像图像增强算法

针对水下对空成像图像的低对比度增强问题,在对两种直方图均衡化技术详细分析的基础上,提出了一种改进的直方图均衡化的快速算法.该算法将图像划分为不同子区域,计算子区域的均衡化函数,然后设置移动子块的大小和移动步长,最后采用插值方法实现图像的平滑处理.该算法在较好地突出图像细节信息、消除块状效应的同时,避免了复杂的数学运算,取得了较好的效果.     

连续太赫兹波双物距叠层定量相衬成像

针对连续太赫兹波叠层成像重建算法收敛较为迟滞的问题,提出一种连续太赫兹波双物距叠层成像方法及相关重建算法,使用不同记录距离形成的差异化衍射图幅值作为重建算法记录平面的约束条件,增加了记录平面数据多样性和衍射信息冗余度.仿真结果表明,本方法可以加快算法收敛速率,有效减少迭代次数,提高连续太赫兹波定量相衬成像计算效率.随后构建了基于2.52 THz光泵连续太赫兹激光器的双物距叠层成像实验装置,应用双物距记录方法及改进算法重建获得了聚丙烯基字母图案样品的幅值和相位分布,结果表明改进方法可以减少算法迭代次数,提升计算效率,同时改善相位像重建结果保真度.     

快速多极边界元法用于扩散光学断层成像研究

在求解扩散光学断层成像中的正向问题时, 目前普遍采用有限元法, 但是随着实际模型规模的增大, 有限元法的计算量问题日益显著, 而边界元法则由于可以降低计算维度使计算量减少而备受关注. 本文以均匀的高散射介质为模型, 研究了将快速多极边界元法用于扩散光学断层成像的正向问题. 快速多极边界元法利用核函数的多极展开, 将常规边界元法中系数矩阵和迭代矢量的乘积项等价为相应四叉树结构的一次递归, 再结合广义最小残量法进行迭代求解. 将计算结果和蒙特卡罗法的模拟结果进行了比较, 表明利用快速多极边界元法的模拟结果和蒙特卡罗法的结果有很好的一致性. 研究结果验证了快速多极边界元法可以用于扩散光学断层成像, 为其大规模和实时成像带来可观的前景. 关键词： 扩散光学断层成像 边界元法 快速多极边界元法     

一种补偿平移与旋转运动的快速电子稳像算法

针对视频图像序列的非稳特性,研究了电子稳像算法中灰度投影算法和块匹配算法各自的不足之处,提出了一种快速补偿视频图像序列间平移及旋转运动的稳定成像算法.该算法先采用灰度投影算法估计并补偿视频图像序列间的平移运动,再利用拉普拉斯变换在靠近图像的边缘区域选取几个具有明显特征的小块,运用块匹配算法进行匹配,计算并补偿其旋转运动量,以得到稳定的视频图像序列.通过理论分析和实验验证,表明这种稳像算法具有速度快、准确度高的特点.     

半覆盖锥束CT中扁平物体的高效反投影滤波重建

全覆盖圆轨迹扫描的成像视野受探测器宽度限制, 对于大物体的成像效率较低.半覆盖扫描可以将成像视野扩展近1倍, 图像重建首推使用反投影滤波型算法. 反投影滤波型算法按PI线重建, 各PI线积分区间的不一致性导致通信和计算消耗大, 影响重建效率. 针对半覆盖成像中扁平形状物体的重建问题, 提出了一种改进的反投影滤波型算法, 且证明了当扁平物体的厚度小于2Rsin(2π/N_p) (R为扫描半径, N_p 为圆扫描一周均匀采集的投影数量)时, PI线积分区间的不一致性在数值计算过程中的误差是可以忽略的. 改进后的算法相比原半覆盖反投影滤波算法具有两个明显的优势: 一是数值计算过程中角度循环移至PI线循环之外, 算法的通信需求显著降低; 二是投影数据求导、反投影和沿PI线滤波三个步骤均能够并行计算, 算法的并行性得到增强.数值仿真与实际数据的实验结果表明, 本文算法与原半覆盖反投影滤波算法的重建精度相当, 但计算效率提高了4.6倍. 关键词： 锥束CT 半覆盖成像 反投影滤波 PI线     

螺旋型波带片成像特性研究

研究了螺旋型波带片的成像特性。螺旋型波带片是一种新型成像元件,能够实现光学希尔伯特变换,获取边缘增强图像。采用快速傅里叶变换算法对螺旋型波带片的成像进行了数值模拟,分析了其成像特性并实验进行验证。通常螺旋型波带片作为空间滤波器要求物距满足夫琅禾费(Fraunhofer)衍射条件,理论计算表明在某些菲涅耳(Fresnel)衍射区域内螺旋型波带片仍可获得良好的成像效果,因此螺旋型波带片的实际视场比根据夫琅禾费衍射条件限定的视场要大。实验结果与数值模拟的吻合很好。因此利用快速傅里叶变换算法对螺旋型波带片成像质量模拟可以有效评估成像质量,对螺旋波带片显微镜的设计有重要的指导意义。