基于投影仪的“街角成像”和穿透散射介质成像

散射介质对传统成像的影响非常大,散射严重时甚至使传统成像方式完全失效。如何在存在散射介质的情况下得到高分辨率的图像是人们一直关注的技术。将投影仪应用于关联成像(GI),可以在实验室内实现"街角成像",即利用墙面的漫反射对墙角另一侧无法直接成像的物体进行成像,并在此基础上实现了对隐藏在散射介质后的物体进行成像。该成像方案省去了传统关联成像系统中的参考臂的测量,使用一个无空间分辨能力的桶探测器即可实现。对比实验结果与传统方式得到的结果并分析实验的分辨率以及影响因素,证明了使用投影仪等普通光源在存在散射介质的情况下成像的可行性。     

基于统计光学的正负热光非定域成像

本文, 基于经典统计光学, 建立符合热光特性的统计模型, 通过数值模拟证明了吴令安和Meyers提出的图像重构算法, 并进行了定性的理论分析. 在关联成像获得的数据样本中, 根据桶探测器的光强涨落进行分组, 分别以某个阈值作为下限和上限, 再将分组后的独立样本和相应的面探测器信号进行强度关联, 则可以得到物体的正像或负像. 然而, 不经过关联运算, 直接对分组后的面探测器信号进行算数平均也可以得到物体的正像或负像, 同时成像的对比度得到较大提高. 这种分组对应的非定域成像进一步说明强度涨落在热光成像中的重要性. 最后以字符掩膜版作为成像物体, 分别运用关联成像和分组对应正负成像算法重构物体的图像, 实验结果证明这种新的正负算法可以提高非定域成像的对比度. 关键词： 统计光学 热光 关联成像 正负非定域成像     

基于压缩感知的后调制远距离三维成像研究

基于压缩感知(CS)理论,提出使用高功率纳秒脉冲激光器照射远距离目标物体,通过望远系统将目标物体成像到数字微镜阵列(DMD)上,利用DMD加载的调制图像对目标物体的像进行调制(后调制),采用光电倍增管(PMT)作为单像素探测器收集调制后的光强,通过压缩感知计算,完成对远距离目标物体的三维图像重建。将此系统应用于远距离三维成像,通过搭建实验系统,分别对距离为230m和4.5km左右的目标物体完成了绝对距离的测量,实现了64pixel×64pixel的三维成像。同时也证实利用压缩感知进行远距离图像恢复,随着采样率的提高,图像恢复的质量和对比度都有一定程度的提高;目标物体图像越稀疏,重构图像所需的采样次数越少。     

基于探测信号叠加的推扫式压缩多光谱关联成像

针对推扫模式下多光谱关联成像重构图像模糊、信噪比低问题,提出了一种利用探测信号叠加提高重构图像信噪比的多光谱关联成像方案.该方案基于稀疏约束关联成像光谱相机实验系统,通过单次曝光获得一帧探测信号,对前后帧连续探测信号进行错位叠加,计算出系统总探测矩阵,结合标定测量矩阵,采用压缩感知算法得到待测目标物体重构图像.数值模拟和实验结果表明:适当延迟曝光时间可以提高系统重构图像质量;相同曝光时间条件下,利用探测信号错位叠加的推扫10帧重构图像信噪比明显高于单帧多光谱重构图像.     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法.仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息.某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上.平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息.根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°.利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原.针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法.为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间.对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作.复原光谱分辨率为194 cm-1,优于设计指标(250 cm-1).     

基于压缩感知的差分关联成像方案研究

关联成像可提供一种运用常规手段难以获得清晰图像的方法, 能够解决一些常规成像技术不易解决的问题, 是近些年来量子光学领域的前沿和热点之一.本文提出一种基于压缩感知的差分关联成像方案(简称, 差分压缩关联成像方案), 将高斯分布的热光源强度分布作为压缩感知的测量矩阵, 差分物体信息作为被成像物体信息, 利用差分关联成像方案的高成像信噪比和压缩感知技术的低采样次数, 通过正交匹配追踪算法, 高质量地恢复出物体信息. 并以二灰度“双缝”、“NUPT”, 多灰度Lena图和Boats图为例, 数值仿真差分压缩关联成像过程; 同时将本方案350次测量的结果与差分关联成像方案30000次测量的结果进行对比, 研究结果表明针对不同的被成像物体(二灰度“双缝”、“NUPT”, 以及多灰度Lena图和Boats图), 10次成像的均方误差平均值分别降低了97.7%, 93.9%, 92.5%和71.4%; 与压缩鬼成像方案相比, 同样测量次数条件下均方误差值对于二灰度双缝和多灰度Lena图、Boats图等目标物 体分别有50.4%, 72.9%和66.8%的降低. 差分压缩关联成像方案极大地提高了成像信噪比, 降低了成像时间. 关键词： 关联成像 差分 压缩感知 均方误差     

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.     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

基于追踪补偿的运动物体计算关联成像方法

计算关联成像是利用成像物体的反射或透射信号与结构化的参考光进行多次关联成像,具有了灵敏度高、抗干扰能力强等优点。当物体和计算关联成像系统存在相对运动时,在成像过程中物体的反射或透射信号与参考光的光场涨落失去关联性,进而会产生运动模糊。从二阶关联函数的角度推导了运动成像导致模糊的原因以及追踪补偿原理;恢复计算关联成像系统中参考光和桶探测器收集的光强值的关联性,实现了计算关联成像中的追踪补偿策略;计算机仿真解释了计算关联成像光路中对物体平移干扰进行补偿的策略,证实了该追踪补偿方法对运动物体成像的有效性,克服了物体与成像系统之间的相对运动引起的成像质量下降。方法为关联成像对运动物体的识别、跟踪、遥感和实时在线成像提供了技术手段。     

基于相位调制的复值物体压缩关联成像理论研究

在关联成像方案中,通过强度关联可在参考臂上获得目标物体振幅信息,却不能恢复出目体物体的相位信息,而相位常常包含了目标物体的一些特殊信息.本文提出了一种新的关联成像方案,能够恢复出复值透射物体的振幅和相位信息.该方案通过分束器及π/2变相板在接收端分离出复值物体的实部和虚部信息,再利用二阶关联成像过程分别获得目标物体的实部和虚部信息,从而恢复出复值物体;在此基础上,利用压缩感知重建算法,获得了基于相位调制的复值物体的压缩关联成像方案.研究结果表明该方案可适用于一般化的复值物体恢复,也可克服测量次数多、重构时间长等目标物体重建问题.对于一般具有高斯分布的复值物体可用约奈奎斯特采样率的36%的测量次数获得振幅和相位恢复均方误差值约为10-2的高质量重建复值物体.     

基于多光谱遥感成像链模型的系统信噪比分析

信噪比(SNR)是评价多光谱遥感成像性能的重要指标,在设计多光谱遥感成像仪的最初阶段应进行分析,从而确定各分系统相关参数。多光谱遥感系统的成像链模型综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于进行成像过程端对端的完整分析。以基于滤光片阵列的多光谱遥感系统为例,采用MODTRAN软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳天顶角下,不同目标地物计算像面的照度,根据电荷耦合器件探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下多光谱遥感系统的SNR。通过对SNR的分析,可给出该类型多光谱遥感系统获得最佳性能的工作条件,并能够结合使用要求进行光学系统参数的优化选择。     

高灵敏度APS CMOS图像传感器光谱探测技术研究

主动像元型(APS)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的成像性能已经接近电荷耦合器件(CCD)的成像性能,在光谱成像领域有很好的应用前景。讨论了CMOS器件用于光谱探测的若干问题,建立了光谱成像系统的噪声模型并进行了实际噪声测试,分析了基于CMOS探测器的成像光谱仪的灵敏度水平;结合CMOS器件的结构和特性给出了图像的校正方法。搭建了包括光学、电子学的完整光谱成像系统,进行了光谱成像试验,验证了灵敏度分析和光谱校正方法。结果表明,CMOS探测器可以满足高光谱成像的灵敏度要求,可用于高光谱探测。     

基于双光栅成像的RGB模型色彩还原效果的研究

基于双光栅衍射成像的实验方案,利用双光栅的色散和汇合光谱效应特性,用电脑摄像头拍摄作为物体的RGB模型,得到了RGB颜色模型的像。利用Photo shop软件将RGB颜色模型和得到的像进行颜色通道分离,再进行数据化分析处理,探究双光栅的RGB色彩模型色彩还原情况以及不同光栅组合对RGB颜色模型的色彩还原效果的影响。     

单像素探测频谱重构成像理论分析

迄今为止,基于频谱重建的单像素探测成像技术没有提供一个比较全面的理论基础,因此,本文对此成像技术进行了比较详细的理论分析.分析了若干因素对成像重建的影响,包括对来自成像物体散射光的直接探测,或间接探测即物体的散射光顺次经过多个漫射面漫射后由探测器探测;多通道探测即物体的散射光分别沿几个不同路径、各自经几个漫射面顺次漫反射后由探测器探测;探测器尺寸和位置.理论分析结果表明,无论是直接探测还是间接探测,无论是单通道探测还是多通道探测,只要能接收物体的散射光,就能够重构成像;探测器面积对成像重建的影响相当于位于不同位置的多个点探测器探测重建像的叠加.为了加快成像重建速度,导出了三步相移频谱重建公式.对表面光强反射率均匀的物体,采用三步相移技术,给出了成像重建结果.     

基于两步迭代收缩阈值的编码孔径光谱数据复原算法

编码孔径光谱成像仪根据压缩传感理论,对物体进行光谱成像。编码孔径光谱数据复原的特点在于能将探测器上所得到的二维编码像复原成三维的数据立方体。两步迭代收缩阈值算法是在迭代收缩阈值算法和迭代加权收缩算法基础上加以改进而得出的,采用两步迭代收缩阈值算法对编码孔径光谱数据进行复原,成功地由二维编码像复原出了三维数据立方体,具有迭代步数少,收敛速度快的特点。     

农产品外部品质无损检测中高光谱成像技术的应用研究进展

高光谱成像技术是一种传统图像及光谱的融合技术,可以同时获取研究对象的空间及光谱信息.由于图像数据能反映农产品的外部特征、表面缺陷及污斑情况,而光谱数据又可以对物体内部物理结构及化学成分进行分析.因此,近几年在农产品品质无损检测中引起越来越多的关注,成为一个研究热点.为了跟踪国内外的最新研究成果,对高光谱反射及荧光成像技术应用于农产品(水果、蔬菜、肉类、谷物等)的外部品质检测进行了分类综述,以期为高光谱技术在农业方面更广阔的应用提供参考.     

高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应用

水果和蔬菜的品质与安全是消费者最为关心的问题。传统的化学检测方法是一种费时费力的破坏性检测技术。随着成像和光谱技术的快速发展,高光谱成像技术已经广泛应用于农产品品质与安全的快速无损检测中。高光谱成像技术融合了传统的成像和光谱技术的优点,可以同时获取被检测物体的空间信息和光谱信息,因此该技术既可以像检测物体的外部品质,又可以像光谱技术一样检测物体的内部品质和品质安全。目前,已经有大量的基于高光谱成像技术检测水果和蔬菜品质与安全的研究性论文发表,为了深入了解高光谱成像技术的检测原理并跟踪国内外最新的研究进展,综述了高光谱成像技术在水果和蔬菜外部品质、内部品质和品质安全检测中的原理、发展和应用。另外,还简要介绍和讨论了高光谱成像系统的构成、常用的数据分析方法、发展趋势及面临的挑战。     

量子纠缠与经典关联在双光子关联成像中的作用

关联成像引起了人们广泛的兴趣,特别是,二阶关联成像是一种纯粹的量子效应还是也可能是一种经典效应还存在争议.本文分析了三种关联成像方案,其中前两种方案中用经典关联和量子纠缠的双光子光源都能成像,而第三种只能用量子纠缠的双光子光源才能成像.对比发现,纠缠双光子同时存在动量和坐标两个自由度上的关联,在三种成像方案中都可用作光源.而经典关联的双光子不具有动量和坐标的双重关联,而仅仅存在其中一种关联(经典关联),关联成像的方式也因此受到限制.     

三波段光学成像系统设计及鬼像分析

为了对目标的多波段辐射特性进行测量,设计了一套300~1 000nm三波段光学成像系统.该系统共用同一入射窗口,采用两个直角棱镜进行分光,每个波段使用独立的光学成像镜头,能同时得到目标的紫外、可见光和近红外图像.利用LightTools软件对此系统的鬼像进行模拟分析,发现棱镜表面和窗口玻璃之间的光束多次反射之后,经过光学成像镜头聚焦到探测器靶面上,形成了目标的多重鬼像,大大降低了图像的对比度.实验结果表明:采用本文所述方案,三波段成像系统能达到较好的像质;将窗口玻璃和第一个棱镜的角度控制在7″之内可以消除鬼像,对使用棱镜作为分光元件的多波段光学成像系统的设计和研制具有一定的参考意义.     

姿态倾斜对时-空联合调制型干涉成像光谱仪成像质量的影响

时空联合调制型干涉成像光谱仪获取的像面干涉图是带有干涉条纹的二维空间图像,具有对姿态变化敏感的特点.根据该类仪器的成像过程,在竖直摄影时,相邻两帧像面干涉图之间的像移量为一列像元;偏离竖直摄影时,由于像面干涉图的几何变形或旋转,会引入非正常像移.利用共线方程导出了这一非正常像移量的表达式.利用仿真计算说明:这一非正常像移会在像面干涉图序列中不断积累,导致提取出的物体干涉信息失真.在竖直摄影而平台指向精度较低、倾斜摄影、探测器阵列的安装方向精度较低或者航空成像且存在偏流角时,必须对像面干涉图进行有效校正,才能保证最终反演出的物体光谱的真实性.