上行链路大气波前畸变对剪切光束成像技术的影响

剪切光束成像（sheared-beam imaging,SBI）技术是一种利用三束剪切相干激光照明的非传统成像技术,该技术通过探测器阵列接收目标反射回波的散斑图进行计算成像,在对远距离暗弱目标高分辨率成像方面有着独特的优势.大气湍流引起的光束波前畸变是影响SBI成像质量的一个关键因素,因此本文从湍流引起的激光波前畸变对目标频谱信息提取的影响入手,建立了光束波前畸变对成像影响的理论模型.利用多层相位屏模型模拟了近地25 km大气对SBI光束传输的影响.通过计算机仿真,得到了不同激光发射孔径和不同成像距离时SBI的成像结果.仿真结果表明,选取合适的发射孔径尺寸可以有效缓解湍流对光束波前质量的影响,从而提升成像质量.在Hutchin的研究基础上,对孔径选择范围的已有研究成果进行了扩展与深化.给出了SBI系统发射孔径尺寸选取的建议,为SBI对不同高度目标成像的像质差异分析提供了参考.     

四光束剪切相干成像目标重构算法研究

针对传统剪切光束成像技术的准实时性问题,提出用口字形排布的四束光代替传统L形三束剪切光照射目标,研究了四光束剪切相干成像目标重构算法.只需单次测量就能同时重构出四幅目标图像,减少了用于降低散斑噪声、获取高质量图像所需的测量次数,同时大大减少了多组发射时的光束切换次数,提高了成像效率.在算法实现中,通过最小二乘法恢复出四组波前相位,利用散斑幅值的简单代数运算恢复波前幅值,从而重构出目标图像.仿真结果表明,与传统方法相比,在图像质量相同的前提下,本文方法所需的数据采集时间减少了至少1/2,不但提高了目标重构效率,还可为远程运动目标的成像识别提供更好的手段.     

远程多光束激光相干场成像拍频误差校正研究

多光束激光相干成像技术是地基观测空间目标的重要方式,各光束的稳定性和性能一致性直接决定着系统成像质量,目前针对系统频率稳定性对成像质量的影响以及激光源频漂的补偿已有一定研究,然而针对多光束发射系统,由驱动放大噪声及声光移频噪声引起的各光束间独立的频漂还需进一步抑制.基于此,本文提出了动态解调和置信区间解调两种抑制方法,理论仿真了动态解调对缓慢频漂抑制的可行性,同时实验证明了置信区间解调法对成像效果的提升,并在200 m和1.2 km的湍流环境中对该解调方法进行了验证.研究表明,置信区间解调法对于各拍频间独立漂移有较好的实时补偿效果,能够有效抑制发射阵列中由声光调制及驱动放大引入的频率噪声,对水平距离1.2 km外的25 mm目标成像角分辨率达到4μrad.本研究为未来远程大功率发射阵列成像中的频率噪声抑制提供了较好的技术方案.     

菲涅耳望远镜全孔径合成成像激光雷达:原理

提出了一种菲涅耳望远镜全孔径合成成像激光雷达的概念,原理基于对目标进行同轴同心相位二次项偏振正交双光束扫描的光电数据收集以及光学和数字计算空间复相位解调的图像重构.具有两种工作模式即目标移动而光束一维扫描和目标静止而光束二维扫描,能够实现目标超光学分辨率极限的二维成像并具有三维成像能力.由于实施了空间对时间的传输信号转...     

隐形结构光三维成像动态背景光干扰抑制技术

结构光照明成像在近距离高分辨率物体三维测量方面具有重要应用。在传统结构光照明成像的基础上,提出了隐形结构光三维成像动态背景光干扰抑制技术,对实际目标进行了三维轮廓获取,并对动态背景光的抗干扰能力进行了详细的分析和验证。基于激光干涉原理产生的结构光,投射两束正交偏振光束到物体表面并不产生干涉条纹,采用同步相移探测技术实现结构光条纹的探测和再现。采用同步相移探测技术,可同时获得4步相移条纹图像,有效降低了背景光的干扰,提升了动态三维成像的能力。理论研究了隐形结构光的成像原理及动态背景光抑制机理,搭建了实验验证装置,获得了动态背景光干扰下实际目标的三维重建图像,实验结果与理论分析吻合。     

集成成像大纵深物体的三维形貌获取技术

为了满足现代工业所需的大纵深物体的三维形貌获取需求,解决传统结构光三维形貌获取技术纵深较小的问题, 借助集成成像这种阵列式多视点获取技术,构建了基于集成成像的大纵深物体的三维形貌获取技术。从集成成像原理出发,分析了集成成像三维物点和同名像点之间的关系,得到集成成像光学获取系统参数和三维物体纵深极限之间的关系。在此基础上,利用相机和电动平移台构建了扫描式相机集成成像三维形貌获取系统,并对纵深从600 mm到3 600 mm相对独立的2个物体构建的大纵深三维物体进行了形貌获取。光学实验结果显示,该集成成像大纵深物体三维形貌获取技术能够单次获取纵深为3 600 mm的三维物体的三维形貌,为大纵深物体的三维形貌获取提供了技术支持。     

3种主动合成孔径成像技术极限探测能力的分析与比较

为了深入研究可行的中高轨成像技术,本文从探测能力角度(用最低发射激光功率表示)深入分析和比较3种主动干涉合成孔径成像技术——傅立叶望远镜(又称为相干场成像或条纹场扫描成像)、成像相关术(又称为强度相关成像)和剪切光束成像。本文利用光电倍增管的信噪比模型和激光作用距离方程,较为细致地分析每种技术在满足单次信噪比(SNR=5)条件下的极限探测能力。通过仿真分析得出:傅立叶望远镜、成像相关术和剪切光束成像所需的最低单光束单脉冲能量分别为11. 4 J、0. 73 MJ和3. 1 MJ。最终得出傅立叶望远镜是上述3种主动成像技术中在目前技术水平下最适合中高轨目标(约36 000 km)高分辨成像的可用技术的结论。     

相干X射线衍射成像技术及在材料学和生物学中的应用

无损获取高分辨率、高衬度微纳米材料结构图像,并能够原位、定量分析是X射线成像技术发展方向之一.最新发展起来的相干X射线衍射成像技术,也称为无透镜成像技术,为实现这一目标提供了可能.本文介绍了相干X射线衍射成像技术的成像原理和发展过程,以及在材料学和生物学中的一些典型应用和最新进展,例如掺杂铋元素在硅晶体中的分布成像,GaN量子点壳层结构的三维高分辨成像,染色大肠杆菌的二维成像,鱼骨的二维成像及矿化机理研究,单个未染色疱疹病毒的二维高衬度成像,未染色酵母菌细胞的三维高分辨成像及原位定量分析.最后对相干X射线衍射成像技术的发展方向做了展望.随着X射线自由电子激光的应用和冷冻技术与相干X射线衍射成像技术的结合,相干X射线衍射成像技术将得到快速的发展和广泛的应用.     

多光束激光相干成像孔径偏差对成像质量影响

多光束激光相干场成像技术突破传统概念，采用微小频移的光束组两两干涉提取目标的傅里叶分量，通过目标频谱傅里叶逆变换获得目标高分辨率图像。该技术仍处于实验室原理验证向实体阵列过渡的研究阶段。在这一过程中多种影响因素对成像质量产生着影响。其中发射阵列的孔径位置误差分布规律以及控制范围一直缺乏较为系统的理论支撑。从傅里叶望远镜发射阵列的光场传输特性入手，分析了在基线不同位置引入孔径误差时对成像质量的影响。并分析出孔径位置精度的要求与分布规律，同时针对这一分布规律提出了孔径位置的相对误差精度，计算机仿真分析得出相对误差精度应控制在5%以内不影响成像质量。该研究为傅里叶望远镜发射阵列的设计与装调提供了理论依据，为傅里叶望远技术的工程化实现奠定一定的理论基础。     

光学微操纵过程的轴平面显微成像技术

光学俘获技术利用光与物质相互作用产生的光势阱效应来实现对微粒的操控,已经成功应用于生物医学、材料科学等交叉领域.在对微粒进行三维俘获时,传统的宽场光学显微技术只能观测到某一平面内微粒的横向运动,对微粒沿轴向运动的观测受到很大限制.本文将轴平面显微成像技术引入光学微粒操控研究中,利用45?倾斜的反射镜把微粒的轴向运动信息转换到横向平面进行观测,与传统宽场显微成像技术相结合,实现了对二氧化硅小球俘获过程横向和轴向运动的同步观测.该成像方法无需扫描和数据重构,具有实时快速等优点,在新型光束光镊、厚样品三维观测和成像等领域具有潜在的应用价值.     

点云投影结合轻量化卷积神经网络实现三维成像声呐快速目标分类*

三维成像声呐的成像结果是三维点云,基于点云的三维成像声呐目标分类方法具有网络结构复杂,计算量大的特点,针对这一问题本文提出了一种将三维成像声呐成像结果从三维点云投影至二维图像的方法,并且使用轻量化卷积神经网络实现了三维成像声呐快速目标分类。该方法首先对三维成像声呐波束形成后的波束域数据进行最大值滤波和阈值滤波,降低点云数据维度;接着,依据三维成像声呐的波束方向,将点云投影为深度图和强度图,分别保存点云的位置信息和强度信息;然后,利用深度图和强度图分别作为第一个通道和第二个通道构建混合通道图,将混合通道图作为目标分类网络的输入,从而将三维点云的目标分类问题转换为二维图像的目标分类问题;最后使用MobileNetV2网络实现了三维成像声呐快速目标分类。实验结果表明,通过本文提出的投影方法可以用二维图像分类网络完成三维成像声呐点云的目标分类任务;而且混合通道图比单独的强度图和深度图收敛速度更快,结合目标识别网络可以25fps实时的进行目标分类,在真实数据集上分类精度达到了91.13%。     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

浅海被动水下偏振成像探测方法

针对传统被动水下偏振成像方法忽略水体对光的吸收效应,成像结果中存在严重的色彩失真,且并未深入发掘利用背景散射光中包含的场景信息的问题.提出浅海被动水下偏振成像探测方法,该方法从水体中背景散射光的传输特性出发,分析场景深度信息与散射光的物理关系,建立基于深度信息的水下Lambertian反射模型,实现无色彩畸变的水下目标场景清晰成像探测.实验结果表明,该方法能够提供接近水下目标真实色彩、符合人眼视觉特性的清晰探测结果,提高水下成像探测能力.     

激光光强扰动对相干场成像降质影响理论研究

激光相干场成像系统发射多束激光,经大气传输对远程目标成像,大气湍流引起的激光束光强扰动是影响成像质量的一个关键因素.本文从湍流引起的激光束光强扰动对回波解调信号的影响关系入手,建立了激光回波光强扰动因子对相位闭合系数和成像频谱分量的降质传函理论模型;基于三光束激光相干场成像系统仿真验证了理论模型的有效性.研究表明激光相干场成像频谱分量和成像像质主要受三光束相位闭合求解算法中第二光束光强扰动影响.该研究揭示了激光回波光强扰动对成像像质的影响机理,对于分析大气湍流等引起的光强扰动降质效应和合理分配多光束光强稳定性以提高成像质量具有理论指导意义.     

Depth-controlled reconstruction of 3D integral image using synthesized intermediate sub-images

In this paper, we propose a method that controls the depth of the three-dimensional (3D) object existing over the depth-of-focus in integral imaging. The depth control method is performed only in a computer by synthesizing the intermediate sub-images between original sub-images obtained by transforming the captured elemental images. In the reconstruction process, we can obtain reconstructed 3D images with the better image quality within depth-of-focus than that reconstructed over the depth-of-focus. To demonstrate the feasibility of our method, optical and computational experiments are carried out and its results are presented.     

Performance-enhanced recognition of a far and partially occluded 3-D object by use of direct pixel-mapping in computational curving-effective integral imaging

In this paper, we propose a novel approach to enhance the recognition performance of a far and partially occluded three-dimensional (3-D) target in computational curving-effective integral imaging by using the direct pixel-mapping (DPM) method. With this scheme, the elemental image array (EIA) originally picked up from a far and partially occluded 3-D target can be converted into a new EIA just like the one virtually picked up from a target located close to the lenslet array. Due to this characteristic of DPM, resolution and quality of the reconstructed target image can be highly enhanced, which results in a significant improvement of recognition performance of a far 3-D object. In addition, the computational time required for reconstruction of a far 3-D target could be also reduced because the distance between the lenslet array and image plane is virtually shortened in the new EIA transformed by DPM. Experimental results reveal that image quality of the reconstructed target image and object recognition performance of the proposed system have been improved by 1.75 dB and 4.56% on the average in PSNR (peak-to-peak signal-to-noise ratio) and NCC (normalized correlation coefficient), respectively, compared to the conventional system.     

Assessment of the Performance of Staring Infrared Imaging Array Based on Microscanning Modes

Staring infrared detector arrays, which sample a scene with pixels of finite size, generate images that are affected by aliasing and blurring caused by the sampling process. One potential method to reduce the effects of sampling is microscanning. In this paper, the sampling-averaging modulation transfer function at half the detector spatial cutoff frequency is introduced to be as a figure of merit to quantitatively assess microscanning image quality for selected cases of fill factor. Analytical results show that microscanning process can significantly reduce aliasing in the reconstructed image, and that the improvement of different modes of microscanning process to the reconstructed image quality is different, which is closely associated with fill factor. The microscan sampling and restoration imagery are also simulated with pixel interpolation method to qualitatively verify the reduction in aliasing with respect to typical microscanning mode (2×2, 3×3, 4×4 microscan) for the detector array of 100% and 50% fill factor respectively. And, the determining method of the optimum step number of microscanning needed is discussed for the staring imaging array with certain fill factor.