基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验

为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。     

基于三代微光ICCD成像装置的目标对比度影响因素测试分析

微光夜视整机可以在夜间光照条件较差的情况下,对目标实施有效观察,而夜间观察目标对比度是整机作用距离影响因素中的重要指标。为满足微光夜视整机夜间观察理论分析及试验对目标对比度数据的迫切需求,基于三代微光像增强器具有与星光条件下自然光辐射光谱良好匹配的使用特性,搭建了基于三代微光ICCD的成像装置。并从微光成像系统的能量传递链及光电子成像系统的视觉特征方程分别推导环境光照度和目标-背景反射率比与对比度关系。在暗室和夜天光条件下开展了对比度试验,试验结果证明,当照度处于三代微光像增强器照度-亮度的线性相关照度区间[E_s, E_m]时,对比度与照度无关;对同一目标及背景采集图像,目标-背景反射率越接近1,对比度越小。     

一种应用距离选通成像技术的微光望远镜

利用红外波长的激光对微光系统进行辅助照明,改善目标区域的环境照度和对比度,使目标从视场中凸显出来,提高微光系统的探测距离,改善观察效果。采用距离选通技术,合理匹配激光脉冲与选通像增强器的工作时序,屏蔽目标前后非目标反射光以及来自大气中悬浮微粒产生的杂散光干扰,解决同轴照明后向散射问题,达到只观察选定距离内目标的目的。通过微光选通望远镜的工程实践,将激光距离选通技术成功地运用于微光探测领域中,在无月星光,照度为110-3lx,大气能见度为10 km条件下,对中型坦克或卡车侧面目标的识别距离可达到1 400 m。     

军用微光夜视系统的现状与研究

叙述三代像增强器及其相关的夜视仪和微光电视的发展现状，评定像增强器探测和识别目标的能力，探讨提高微光夜视系统作用距离的途径。     

三代微光像增强器信噪比测量技术研究

微光像增强器是微光成像技术中的核心部件,微光像增强器的信噪比是像增强器的重要参数之一,它可以定量表征像增强器在探测弱辐射图像时的性能,可综合反映空间因素和时间因素对探测图像特性的影响。介绍了微光像增强器信噪比的测量原理和装置,测量装置采用精确的微孔光阑、可变光阑及共轭对称透镜系统,实现直径为0.2 mm的特定光斑投射在像增强器光阴极面上。采用光子计数技术,通过研究小探测面（探测直径小于4 mm）微弱光照度标定方法,解决了针孔微弱光照度的准确标定与直径为0.2 mm信噪比光源照度准确测量。     

人体目标光谱特性对微光像增强器视距的影响

为研究不同人体目标的反射光谱特性对微光像增强器视距的影响,以夜天空辐射光谱特性和常见衣服的光谱反射系数为基础,建立了人体目标的反射光谱分布方程,分析了人体目标穿着不同材质和颜色衣服时的反射光谱特性,并从微光像增强器视距实际探测方程出发,讨论了微光像增强器对不同人体目标的探测能力。发现不同人体目标的反射光谱特性对微光像增强器视距的影响主要体现在平均反射率和目标背景初始对比度C₀方面,棉质衣服的反射系数和光谱反射强度比涤纶衣服高,微光像增强器对穿着棉质衣服的人体目标的探测能力更强。微光像增强器对穿着同样颜色棉质衣服的人体目标的视距比穿着涤纶衣服远,对穿着浅色衣服的人体目标的视距比穿着深色衣服远,在满月情况下像增强器对衣服的材质更敏感。     

短波红外成像系统对激光光斑探测能力分析

通过短波红外探测器灵敏度、目标和环境探测输出信噪比、对比度等分析,计算给出不同大气能见度、环境照度条件下,短波红外热像对外界景物和激光光斑的探测距离,并对理论分析进行试验验证。结果表明,在大气能见度1 km~3 km、环境照度1 lx~1 000 lx、阈值信噪比2.25~10、阈值对比度0.01~0.02的条件下,短波红外热像对激光光斑探测距离为0 km~3.5 km。     

红外系统作用距离实时计算系统

鉴于复杂大气条件下的红外系统作用距离难以精确、实时地计算,提出一种建立红外系统作用距离实时计算系统的方法。通过将MODTRAN软件与基于光谱等分法建立的红外系统作用距离模型有机地结合起来,实现对于MODTRAN软件自动写入配置及调用计算,简化了大气模型的配置方法,并能够自动读取MODTRAN生成的结果输出文件。对某探测目标在不同海拔高度（1 km~6 km）及不同降雨强度(0 mm/h~4 mm/h)下红外系统作用距离进行计算,结果表明:探测高度的变化对于红外系统作用距离有比较明显的影响,其中在1 km~3 km探测高度范围内,探测距离变化尤为明显。降雨对于红外系统作用距离影响巨大。降雨强度为1 mm/h时,红外系统作用距离衰减为无降雨时的50%。当降雨强度大于3 mm/h时,作用距离趋于稳定。     

像增强器MTF测量理想像面选择方法研究

为了能够获得准确的调制传递函数测量结果,对测量系统中投射图像的理想成像面进行选择性调节。通过对微光像增强器调制传递函数测量系统光学成像性质的深入分析,讨论了光学系统的像差特性,利用平均中点取值法实现了微光像增强器调制传递函数测量中对理想成像面的选择。通过与微光像增强器已有测量结果的对比,证明所述方法能够保证微光像增强器调制传递函数测量的准确性。     

光子计数法测量微光像增强器背景噪声分布特性

针对微光像增强器噪声特性,理论上分析了微光像增强器背景光子噪声特点。设计了采用光子计数法及使用类针孔微弱光照度计对微光像增强器的背景噪声进行测量的方案。在三代微光像增强器信噪比测量装置中,采用类针孔微弱光照度计对微光像增强器无光照时荧光屏上Ф0.2 mm光斑的照度进行了测量实验。对于空间特性,以荧光屏中心点为圆心的同心圆上照度值不均匀性小于1%;对于时间特性,在微光像增强器工作大约270 min后,荧光屏中心点照度值会达到稳定状态。以各个空间点和时间点照度值为基础分析了无光照时像增强器背景噪声在时间和空间的分布特性,为评价微光像增强器的噪声特性提供了数据支持。     

主动光学成象系统衬比传递特性及有效作用距离的分析

从传输介质对照明和成象光束衰减作用(吸收和散射)的分析入手,通过细致的定量分析,得出了主动系统(包括同轴和非同轴两架)成象材比传模型.这些模型都是将系统参数和衬比联系起来的明确的等式,而且还给出了精度较好的简化模型.这些模型可以为定量分析介质对成象的影响和有关系统设计提供有效而方便的理论工具.     

Dark-field scanning in situ spectroscopy platform for broadband imaging of resected tissue

A dark-field geometry spectral imaging system is presented to raster scan thick tissue samples in situ in 1.5 cm square sections, recovering full spectra from each 100 μm diameter pixel. This spot size provides adequate resolution for wide field scanning, while also facilitating scatter imaging without requiring sophisticated light-tissue transport modeling. The system is demonstrated showing accurate estimation of localized scatter parameters and the potential to recover absorption-based contrast from broadband reflectance data measured from 480 nm up to 750 nm in tissue phantoms. Results obtained from xenograft pancreas tumors show the ability to quantitatively image changes in localized scatter response in this fast-imaging geometry. The polychromatic raster scan design allows the rapid scanning necessary for use in surgical/clinical applications where timely decisions are required about tissue pathology.     

Optical scatter imaging: subcellular morphometry in situ with Fourier filtering

We demonstrate a quantitative optical scatter imaging (OSI) technique, based on Fourier filtering, for detecting alterations in the size of particles with wavelength-scale dimensions. We generate our scatter image by taking the ratio of images collected at high and low numerical aperture in central dark-field microscopy. Such an image spatially encodes the ratio of wide to narrow angle scatter and hence provides a measure of local particle size. We validated OSI on sphere suspensions and live cells. In live cells, OSI revealed biochemically induced morphological changes that were not apparent in unprocessed differential interference contrast images. Unlike high-resolution imaging methods, OSI can provide size information for particles smaller than the camera's spatial resolution.     

湍流廓线激光雷达的研制

 对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究。利用焦点附近的大气瑞利后向散射作为测量信标测量湍流信息,当聚焦高度不同时,可以测得不同高度的整层信息,从而可以得到一系列高度的整层湍流信息,最后通过算法得到分层的大气湍流廓线。介绍了湍流廓线激光雷达系统的组成原理和系统结构,采用像增强器的控制系统使得系统的有效测试距离达到15 km;通过与传统测量方法的对比,得出了可以作为湍流强度廓线测量工具的结论。最后展望了该系统的应用前景。     

天光背景下混浊大气中成像质量的分析方法

调制传递函数(MTF)定量描述混浊介质对图像质量的影响,它是混浊介质的固有光学特性,利用等效原理可以获得MTF从低频到高频的完整特征.在实际应用中,混浊介质中的图像质量不仅取决于介质的MTF,还与图像的背景辐射密切相关.本文从混浊大气中图像退化机理出发,理论分析了空间频域中天光背景下图像质量的退化过程.参考等效原理,提出了一种考虑天光背景的表观MTF,得到了表观MTF与介质MTF和天光背景的定量关系,从而得到了一种分析背景辐射下混浊介质中图像质量的有效便捷方法.针对图像质量优化方法,从空间频域的角度提出了一种评价原则.     

紫外激光雷达后向散射光强的模拟计算

根据瑞利散射和米散射理论建立了大气散射的模型,确定了米散射和瑞利散射的体角散射系数的计算公式,讨论了大气对激光任意方向的散射强度及散射光的偏振特性。对于波长为266nm的紫外光,通过仿真计算得到相应条件下的大气分子和气溶胶的后向散射系数及后向散射比,并对计算结果进行了分析。结果表明紫外波段具有散射强度大,抗干扰性强等优点,可以用于近距离的大气分子探测。通过对近距离探测大气的脉冲激光雷达的大气后向散射光强的仿真计算,合理的设置小孔光阑的参数,解决近端较强散射光的问题。这些仿真研究对紫外激光雷达系统的设计提供了指导。     

中子散射成像探测角分辨研究

中子散射成像技术是近年来国外正在发展的一项新型辐射成像技术, 在深空宇宙探测、核材料监控等方面具有广阔的应用前景. 角分辨是衡量该技术成像能力的一项重要参数. 研究了位置不确定度和能量分辨对角分辨的影响. 理论分析表明: 以不同角度散射, 成像的角分辨不同; 位置不确定不仅直接影响角分辨, 还通过影响能量不确定度对角分辨间接贡献; 位置分辨主要来源于探测器的结构尺寸, 当探测器尺寸小于5 cm, 影响角分辨的主要来源是能量不确定度. 利用所获得的理论结果指导设计了原理探测系统, 并对设计的原理系统开展了初步实验研究. 结果表明, 分析结果与实验得到的角分辨参数基本一致.     

连续照明时成像对比度与气象条件的关系

 通过同轴激光连续照明成像模型分析了大气后向散射对成像对比度的影响，得出了考虑散射因素时成像对比度的计算公式。基于不同气象条件下大气粒子散射特点，讨论了霾和雾两种不同天气时成像对比度随照明距离的变化规律，并与实验结果进行了对比，计算结果与实验吻合较好。     

光电系统对空间目标探测能力综合评估方法

对空间目标实际探测过程中,光电系统的探测能力不仅与其可探测信噪比有关,还与其所成图像的质量有关,即空间分辨能力有关。针对现有光电系统探测能力分析不足,提出了一种基于调制传递函数下的信噪比探测模型(MSNR),给出了基于MSNR下的系统极限探测能力综合评估方法,实现可定量分析大气、像差、目标运动等对系统探测能力的影响;利用实测数据完成对MSNR模型的完善,对不同条件下光电系统的极限探测能力进行了仿真,仿真结果表明:大气条件、系统像差、目标运动等条件对系统的探测能力影响明显,目标运动导致探测能力降低近1.0等星;该方法实现定量对光电系统的探测能力进行综合评估,可为系统优化设计与实际工作开展提供一定的科学依据。     

Tomographic molecular imaging of x-ray-excitable nanoparticles

X-ray luminescence computed tomography (XLCT) is proposed as a new dual molecular/anatomical imaging modality. XLCT is based on the selective excitation and optical detection of x-ray-excitable nanoparticles. As a proof of concept, we built a prototype XLCT system and imaged near-IR-emitting Gd(2)O(2)S:Eu phosphors in various phantoms. Imaging in an optically diffusive medium shows that imaging performance is not affected by optical scatter; furthermore, the linear response of the reconstructed images suggests that XLCT is capable of quantitative imaging.