基于压缩感知的窄带高速自旋目标超分辨成像物理机理分析

常规窄带雷达系统对高速自旋的空天目标成像时,方位脉冲重复频率通常难以满足采样率要求.而基于压缩感知(compressive sensing,CS)理论则可实现欠采样条件下窄带高速自旋目标的成像.本文对这一成像的物理机理进行分析和讨论.首先,构建方位欠采样回波模型,分析了该模型与CS理论的关系;其次,从物理角度分析基于CS理论可以保证欠采样条件下散射点准确重构的机理,给出欠采样倍数的理论下限值.仿真结果表明,欠采样条件下窄带雷达系统可实现对高速自旋目标二维成像,同时验证了基于CS的欠采样成像性能与欠采样倍数、等效强散射点个数以及波长等有关,与信号带宽无关等结论.     

基于频域分解的融合鬼成像方法

针对传统鬼成像对比度差、信噪比低的问题,提出了一种基于频域分解的融合鬼成像方法.该方法将参考光路中获得的散斑图进行频域变换,选取合适的阈值将其分解为高频散斑和低频散斑,通过分别对高低频散斑与桶探测器得到的值进行关联运算得到高低频鬼像,最后利用逆非下采样剪切波变换重构出最终的鬼像.以对比度和峰值信噪比为评价指标,通过4组实验仿真验证了融合鬼成像方法的有效性.仿真实验结果表明,融合鬼成像的峰值信噪比/对比度较计算鬼成像、差分鬼成像方法分别平均提高了41%/173%、27%/135%.     

基于非均匀螺旋线数据和布雷格曼迭代的快速磁共振成像方法

数据采集时间长是制约磁共振成像技术发展的重要瓶颈.为了解决这一问题, 本文基于压缩感知成像理论, 提出了一种结合非均匀螺旋线磁共振数据采集序列和布雷格曼迭代重建的快速磁共振成像方法, 通过欠采样缩短数据采集时间.欠采样引起混迭伪影则通过非均匀螺旋线欠采样特性和布雷格曼迭代重建去除.水模磁共振成像实验和在体磁共振成像实验结果表明: 欠采样情况下, 所提出的方法能有效去除欠采样导致的混迭伪影, 获得的图像结构信息完整的成像结果, 在缩短采样时间的同时, 具有较高的准确度. 关键词： 磁共振成像 非均匀螺旋线 全变分 布雷格曼迭代     

新一代帕洛马天文台光谱仪的虚拟刀口欠采样像质测量方法

天文光谱仪的成像质量可用点扩散函数或线扩散函数来表征,但其相对于光谱仪探测器通常为欠采样,很难直接测量。在新一代帕洛马天文台光谱仪的像质测试中引入虚拟刀口法进行光源物面扫描,并应用虚拟刀口法开展欠采样光谱仪像质及光源尺度测量,通过模拟和实验研究,对比分析过采样经典直边刀口法和过采样直接测量方法,验证了虚拟刀口法具有良好的测量精度。在693 nm处,直边刀口法测得光谱仪过采样线扩散函数的半高全宽为7.05μm,虚拟刀口法测量欠采样线扩散函数的半高全宽为7.14μm,测量误差为1.3%。在0.3"视场的光源尺度下,虚拟刀口法测得689、693、701 nm欠采样线扩散函数的半高全宽分别为24.2、27.7、30.8μm,以过采样直接测量结果为参考,其测量准确度分别为98.3%,93.9%和88.8%。实验结果表明,探测器成像严重欠采样时,采用光源物面扫描的虚拟刀口法可准确测量光谱仪的成像质量,该方法结合色散系数还可实现光谱仪分辨率的测量,相关研究工作可为天文光谱仪像质的直接测量提供借鉴。     

基于运动轨迹可调式随机相位板的赝热光鬼成像实验研究

为了保证采样的独立性,目前基于随机相位板的赝热光鬼成像系统是以每次移动不小于一个激光光斑大小进行相位调制的形式来产生高亮度的赝热光源。通过旋转、平移两台电机控制随机相位板的运动轨迹,搭建了一种运动轨迹可调的随机相位板赝热光鬼成像实验平台。基于差分鬼成像和稀疏约束鬼成像重构算法,从实验角度对比分析了随机相位板的偏移量Δx对赝热光鬼成像质量的影响。数值模拟和实验结果均表明,在相同的采样压缩比下,当随机相位板的偏移量Δx不大于物面处的散斑大小Δxs时,成像质量随着Δx的增大而提高;而当Δx大于Δxs时,随着Δx的增大,成像质量几乎不变。此外,稀疏约束鬼成像质量优于相同采样数下的差分鬼成像质量。     

反射式鬼成像在海洋湍流中的成像分析

基于惠更斯-菲涅尔原理和鬼成像理论,研究了反射式无透镜鬼成像在Kolmogorov海洋湍流中目标成像问题,得到了成像脉冲响应函数和可见度理论表达式。结果表明随着目标随机反射角的增大,关联重构的图像质量将会失真退化.为进一步分析海洋湍流对目标图像质量的影响,数值模拟了不同探测距离、不同海洋湍流情况下鬼成像的可见度,得到了海洋湍流作用下的鬼成像目标探测规律.该研究对远距离自适应水下鬼成像大规模应用具有重要的理论指导意义.     

像增强器在高速成像应用中的高重频特性

为了解决像增强器在高重频下的成像应用问题,建立了像增强器高重频特性成像实验平台,并开展了ICCD相机双帧成像与曝光时间、双帧延迟时间之间关系的实验研究.实验结果表明ICCD相机第二帧成像问题是由第一帧曝光时像增强器饱和造成的,增大CCD的AD采样增益可避免灰度值反转现象和"浮雕"效应.本文研究可为像增强器在高重频条件下的成像应用提供理论和实验依据.     

基于局部Hadamard调制的迭代去噪鬼成像

庞大的采样次数和较低的信噪比(SNR)一直制约着鬼成像的实际应用进程,传统的鬼成像利用高斯型随机光场进行成像,而高斯矩阵的非正交性引入了散斑相关性噪声,降低了信噪比和成像效率。为此提出了利用局部的Hadamard矩阵对目标进行测量,并以低分辨率的清晰成像作为高分辨率成像的先验知识实现去噪,可以有效避免相关性噪声。通过仿真以及实验表明,与传统的重构方法相比,本文方法可以提高信噪比和成像效率。     

适于逆光条件的消鬼像镜头光学设计与实验验证

鬼像是逆光照明下影响光学镜头成像清晰度、对比度的主要原因,为减少其影响,研究典型匹兹万镜头的消鬼像问题。运用近轴矩阵光学理论,详细分析讨论匹兹万镜头的鬼像特性,给出抑制方法。根据使用要求,优化设计和研制了消鬼像光学镜头,像质评价结果表明鬼像能量低且分布均匀,具有接近衍射极限的成像性能。逆光照明下的成像结果表明,研制的镜头具有优异的鬼像抑制性能,验证了设计和分析的正确性。给出的鬼像抑制方法可用于其他光学系统。     

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。     

无透镜傅里叶变换全息图在欠采样条件下的数值再现分析

在理论分析无透镜傅里叶变换全息图记录的基础上,结合CCD的结构特点,用傅里叶频谱方法具体研究了无透镜傅里叶变换全息图在欠采样条件下的再现问题.指出在无透镜傅里叶变换全息术中,对有限尺寸物体而言,在记录过程不满足申农（Shannon）采样定理的条件下,仍能完整再现出物体的像.同时对再现像的变化特点进行了理论说明.所得的实验结果与理论分析一致.     

鬼成像丢包数据的分组扩充方法

为提高压缩感知鬼成像的实用性,解决场景中采样数据丢失且无法重复采样而引起关联成像失败的问题,提出了一种基于鬼成像丢包数据的分组扩充方法。首先,分析了不同形式丢包数据对成像性能的影响。然后,通过对待采样数据进行分组并对存在丢失现象的采样结果进行扩充的方式提高了成像质量。仿真和实验结果均表明,与传统方法相比,分组扩充法可以降低丢包数据对成像质量的影响,有利于进一步推动鬼成像的实用化。     

内掩式透射地基日冕仪中杂光鬼像的消除

为了消除杂散光对日冕仪成像质量的影响,分析了工作波段为530～555 nm的内掩式透射地基日冕仪（其视场为±1.1～3R⊙,分辨率为13.5μm,口径为120 mm,系统F数为8.2）物镜的多次反射形成的鬼像。基于鬼像形成原理,完成建模模拟,提出了结构性遮拦措施,并通过实验论证了遮拦结构对鬼像有良好的遮拦效果,同时验证了鬼像的光强和物镜边缘衍射光基本一致。实验还显示：鬼像的尺寸和模拟基本一致,直径均约为0.9 mm。消除鬼像后,内掩式透射日冕仪消杂光能力和成像质量进一步提高,实现了对日冕的有效观测。     

Reconstruction method of computational ghost imaging based on non-local generalized total variation北大核心CSCD

鬼成像是一种能够透过大雾等恶劣环境的成像技术。针对传统鬼成像重建图像存在噪声较多、图像对比度较低等问题,将非局部广义全变分方法用于鬼成像的图像重建之中,提出基于非局部广义全变分的计算鬼成像重建方法。所提方法构造了一种非局部相关性权重设计梯度算子,将其代入全变分重建算法中,使得重建的图像能有效去除噪声的同时实现细节较好的还原。首先在不同条件下进行仿真模拟,得到所提方法的峰值信噪比相对其他方法提升1 dB左右,且具有更好的主观视觉效果,进而设计并搭建实验平台对算法的有效性进行验证,实验结果证明了所提方法在去除噪声和细节重建等方面的优越性。     

针对多散斑图的差分压缩鬼成像方案研究

鬼成像方案实现所需设备、成像的质量以及成像所花的时间是决定鬼成像技术可实用化的重要因素. 本文提出一种针对多散斑图的差分压缩鬼成像方案. 该方案通过连续探测多个独立的散斑图, 降低了热光鬼成像方案对探测器高时间分辨力的要求; 通过采用差分方法, 抑制了背景噪声和其他噪声源的干扰; 通过使用压缩感知重建算法, 有效地降低了鬼成像所需时间并同时提升成像的质量. 数值仿真结果表明, 对于二灰度“N” 图, 本方案在8000次的采样情形下与多散斑图鬼成像方案35000次采样的结果相比, 均方误差降低了96.9%、峰值信噪比提升15.1 dB. 对于八灰度“Pepper”图, 本方案与多散斑图鬼成像方案相比, PSNR提升11.4 dB. 本方案可降低探测设备的要求、提高成像质量、降低重建时间, 具有广阔的应用前景.     

自适应斜Z字形采样Hadamard单像素成像

单像素成像技术在成像速度和质量上已经取得一定的进展,然而,如何在保证成像质量的前提下提升成像速度仍然是一个待解决的问题。对Hadamard系数矩阵中每条斜列上的系数绝对值求取平均值后,发现其具有迅速减小的特征,基于此发现提出了一种自适应斜Z字形采样方法,以实现预期的成像质量和速度提升。实验结果表明,该方法可以有效减少采样次数与数据采集量,兼顾成像质量的同时提升了成像速度。在相同的采样率下,其成像质量优于顺序采样的单像素成像。     

自适应斜Z字形采样Hadamard单像素成像（英文）

单像素成像技术在成像速度和质量上已经取得一定的进展,然而,如何在保证成像质量的前提下提升成像速度仍然是一个待解决的问题。对Hadamard系数矩阵中每条斜列上的系数绝对值求取平均值后,发现其具有迅速减小的特征,基于此发现提出了一种自适应斜Z字形采样方法,以实现预期的成像质量和速度提升。实验结果表明,该方法可以有效减少采样次数与数据采集量,兼顾成像质量的同时提升了成像速度。在相同的采样率下,其成像质量优于顺序采样的单像素成像。     

基于压缩感知超分辨鬼成像

分辨率是成像系统的一个重要参数, 获得高分辨率图像一直是鬼成像系统的一个目标. 本文提出了以成像系统点扩散函数作为先验知识, 基于稀疏测量的超分辨压缩感知鬼成像重建模型. 搭建了一套计算鬼成像实验装置, 用于验证该模型对于提高鬼成像系统分辨率的有效性, 并与传统的鬼成像计算模型进行了对比. 实验表明, 利用该模型可突破成像系统衍射极限分辨率的限制, 得到超分辨鬼成像. 关键词： 鬼成像 压缩感知 超分辨 稀疏测量     

基于邻域相似度的压缩感知鬼成像

为了提高压缩感知鬼成像的成像质量以及解决低采样率条件下成像失真度高的问题,提出一种基于邻域相似度的鬼成像(NSGI)方案。邻域相似度体现在图像像素间的关联性,携带关于物体结构的重要信息,在分析压缩鬼成像原理的基础上,利用邻域相似度来评价待探测目标。根据贪婪算法的原理,采用邻域相似度优化图像重构过程,并设置相关度阈值降低计算的复杂度。仿真和实验结果均表明,与传统方法相比,该方案可以在低采样率条件下获得高质量低失真度的图像,有利于推动鬼成像技术的实用化。     

探测器大小与散焦对无透镜鬼衍射的影响

近年来,基于热光场的鬼成像在理论和实验上得到了广泛的关注。研究了探测器尺寸大小以及探测光路距离不相等(即散焦)对无透镜鬼衍射成像的影响。在以前的理论工作基础上,对无透镜鬼衍射成像的强度关联函数做了进一步的分析,发现散焦的效果相当于使物体的透射函数在相位上有一个啁啾调制,而有限大小的探测器则使得无透镜鬼衍射系统等价于一个部分相干成像系统,两者都会引起成像质量的降低。通过计算不同条件下的成像相关度,定量分析了不同参数下的无透镜鬼衍射的成像质量,为具体的实验设计提供定量的帮助。