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。     

基于阈值分割的并行压缩鬼成像方法

为了提高鬼成像的速度,提出了基于阈值分割的并行压缩差分鬼成像方法。首先通过设置合理的阈值筛选出涨落较为明显的数据进行采样;然后再通过并行分块降低图像维度,提高整体运算速度;最后通过压缩感知重构算法重构图像。通过对图"BUAA"的半物理仿真以及透射物体"光"的实验结果表明,与普通的二阶赝热光关联成像相比,该方法能以更少的采样次数和运行时间重构图像,可提升成像信噪比。     

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.     

基于混合散斑图的压缩计算鬼成像方法研究

提出一种基于混合散斑图的压缩计算鬼成像方法。通过对不同分辨率尺度组成的复杂物体进行自动识别,检测出物体中较大和较小分辨率区域,根据识别区域生成由不同大小尺寸散斑组成的混合散斑图进行探测,结合压缩感知对恢复图像进行处理。通过理论分析和数值仿真发现,与传统计算鬼成像方法相比,该方法克服了散斑大小选取不适当对恢复图像质量的影响,显著提高了恢复图像的衬噪比和可见度,有效降低了均方误差。该方法在提高成像质量的同时减少采样时间,有利于进一步推动计算鬼成像技术的实用化。     

基于Hadamard基的欠采样计算鬼成像

计算鬼成像具有单像素和成像系统配置成本低廉等特点,是近年来光学成像领域的研究热点之一.与传统的计算鬼成像不同,本文研究了在欠采样条件下的计算鬼成像——基于Hadamard基的计算鬼成像.首先给出了成像方法的理论和实验装置,接着详细研究并分析了四种欠采样条件下的成像结果.实验结果表明在欠采样条件下存在重影及边缘失真等现象,但有趣的是出现正负像.这是源于Hadamard掩模的规律性调制分布.该结果一方面有助于增进对计算鬼成像和正负像物理机制的理解,另一方面对远距离成像中物体成像边缘信息及失真问题的分析具有指导意义.     

强度涨落在热光鬼成像中的作用

热光鬼成像的图像质量在实际应用中具有重要作用. 通过理论分析和数值模拟, 发现光场的强度涨落程度会影响热光鬼成像的对比度, 基于此, 提出可以通过调节热光场的平均强度和强度波动的方差来提高成像对比度, 并且研究了这一方法对成像信噪比的影响. 将这种方法与另一种提高成像对比度的方法——高阶鬼成像进行了对比, 所得结果将有助于提高对热光鬼成像的理解. 关键词： 鬼成像 强度涨落 对比度 信噪比     

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%.     

鬼成像中一些数学问题

鬼成像是一种与传统成像方式不同的通过光场涨落的高阶关联获得图像信息的新型成像方式。近年来,相比传统成像方式,鬼成像所拥有的一些优点如高灵敏度、超分辨能力、抗散射等,使其在遥感、多光谱成像、热X射线衍射成像等领域得到广泛研究。随着对鬼成像的广泛研究,数学理论和方法在其中发挥的作用愈显突出。例如,基于压缩感知理论,可以进行鬼成像系统采样方式优化、图像重构算法设计及图像重构质量分析等研究工作。本文旨在探索鬼成像中的一些有趣的数学问题,主要包括:系统预处理方法、光场优化及相位恢复问题。对这些问题的研究既可以丰富鬼成像理论,又能推动它在实际应用中的发展。     

单臂压缩感知鬼成像的光强扩散函数分析法

为了提高单臂压缩感知鬼成像的成像质量,减少成像系统本身和外部环境的干扰,提出了一种光强扩散函数分析方法.在单臂压缩感知鬼成像原理的基础上分析了成像过程,指出降低成像质量的主要因素是菲涅尔衍射和大气湍流.针对这两个因素,推导并分析了光强度扩散函数的公式,研究透镜的焦距与口径之比和照明光源的波长对鬼成像的影响.仿真结果表明:在单臂压缩感知鬼成像中,使用焦距与尺寸半径之比在2~5范围内的成像投影透镜可以消除衍射效应的影响;短波长光源适用于大气湍流较弱时的成像,长波长光源在大气湍流较强时对干扰有更好的耐受能力.该方法可以有效地提高成像质量并优化成像系统.     

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。     

基于自适应阈值方法实现迭代降噪鬼成像

为了有效降低传统鬼成像中相关噪声对成像质量的影响,本文提出一种基于最佳阈值的迭代降噪鬼成像.首先在迭代降噪鬼成像的基础上,采用自适应阈值迭代法,在不需要目标先验信息的前提下,找到一个逼近传统鬼成像中相关噪声的阈值,根据得到的阈值构造噪声干扰项.为了每次迭代初值更接近原始目标的透射系数,对其进行二值化,降低重构图像背景噪声对迭代性能的影响.仿真以及实验结果表明,本文提出的方法与传统方法相比,视觉效果以及峰值信噪比值有明显提高.     

高分辨光学压缩光谱成像方法与实验研究

光学压缩光谱成像是融合了压缩感知原理的新型光谱成像技术,具有降低数据采集量、能对景物实施凝视拍摄、提高信噪比等优点。考虑到采样质量对最终成像质量的影响,在现有成像系统中均采用采样间隔与调制间隔匹配的方法,但此方法降低了系统的采样率,损耗了原始光谱分辨率。针对上述成像方法缺陷,克服采样间隔和调制间隔匹配的成像系统设计要求,所设计实验装置使其光谱分辨率理论值提高至原先方法的3倍以上,并对最优化方法进行改进,在正则化函数中增加表征数据光谱维连续性的变差项,增强数据重建可控性及可靠性。实验结果表明,新方法下实验装置的光谱维通道数提升,各波段图像和特定位置光谱曲线能精确反映目标物的空间特性和光谱特性。     

星载的单像素运动成像影响分析与补偿

单像素成像具有高灵敏度,抗干扰等特点,但得到一张高质量图像需要多次采样,因而在卫星对地观测应用时,由于卫星姿态变化使得指向抖动从而造成参考光场与探测器信号之间关联性丢失,使得重构出的图像质量严重退化。针对这一问题,本文设计一种光场追踪补偿方案以补偿卫星姿态对成像带来的影响,结合卫星工具包生成卫星数据分别进行滚动角,俯仰角的运动补偿验证和偏航角的运动补偿验证。结果表明进行滚动角和俯仰角运动补偿后成像的峰值信噪比提升28.8 dB,进行偏航角运动补偿后成像的峰值信噪比提升7.25 dB,同时考虑滚动角,俯仰角和偏航角对典型场景进行运动补偿后的成像结果峰值信噪比提升至少4.7 dB,仿真结果证明了补偿方案有效提高了成像质量,为星载单像素成像提供了一条有效技术途径。     

高阶差值筛选鬼成像方案研究

鬼成像提供了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。提出了一种基于少量数据预处理的差值筛选鬼成像恢复重建方法。该方法利用闲置光路测得的强度值和桶探测器测得的强度值的差值作为筛选门限,并且只选取少量差值进行预处理而无需对所有差值求平均得到筛选门限。将该方法应用于高阶鬼成像方案,分析高阶差值筛选鬼成像方案的可见度、峰值信噪比和阶数N的关系。研究结果表明,该方案可获得与对应鬼成像性能相当的成像质量,但重建时间明显少于对应鬼成像方案。随着阶数N的增加,成像可见度得到提高;当N足够大时理论上可见度可以接近1。同时可见度的增加将以峰值信噪比为代价,当阶数N由2阶增加到9阶时,图像的峰值信噪比下降了26.3%。     

部分相干X光傅里叶变换鬼成像研究

鬼成像中通常是采用相干光辐照散射屏获取赝热光源,但是在X光波段,赝热光源的入射光为部分相干光,其空间部分相干性会对成像质量产生较大影响。采用高斯谢尔模型,理论分析了入射光的部分相干性对赝热X光二阶关联函数的影响,同时给出了基于统计光学的模拟结果,与理论结果吻合,均表明X光空间相干性会影响鬼成像的可见度和分辨率。在空间相干性有限的情况下,通过在散射屏前置尺寸与X光横向相干尺寸相当的针孔可以抑制部分相干性的影响,提高X光傅里叶变换鬼成像的可见度,将有利于实现X光傅里叶变换鬼成像技术的广泛应用。     

测量带宽对量子鬼成像的影响

利用自发参量下转换产生的信号光与闲置光光子对的动量关联特性可以实现量子鬼成像,有限的测量带宽限制了量子鬼成像的物像空间范围。本文利用飞秒脉冲泵浦I类非共线匹配的自发参量下转换过程产生关联光子对,从量子鬼成像出发,分析了实验过程中测量带宽对量子鬼成像所造成的影响,指出量子鬼成像的结果将受到测量所使用的滤波器线型的影响。最后,文章给出了利用滤波器线型归一化的修正方法,并给出了归一化修正后的量子鬼成像实验结果。     

实验研究探测器大小与散焦长度对无透镜鬼衍射的影响

无透镜鬼衍射是一种特殊的非局域关联成像技术,通过对包含物体信息的测试光路和不含物体信息的参考光路的光场强度涨落关联进行测量,在参考光路上可得到物体的衍射图样。利用赝热光源实验研究了探测器尺寸大小和光路散焦长度对无透镜鬼衍射质量的影响。实验以四缝物体为例,定量研究了探测器大小和散焦是如何改变无透镜鬼衍射的成像结果,并和理论模拟进行了比较,获得了比较一致的结果。利用图像相关度定量分析了实验结果与理想无透镜鬼衍射图像的差别,发现这两者都会使无透镜鬼衍射的质量变差。     

基于快速采样的剪切光束成像图像重构算法

剪切光束成像是一种非传统地基光学成像技术,在对位姿快速变化的目标成像时,为重构目标高分辨率清晰图像,其成像系统的回波数据采样速率仍不够快.本文提出一种五光束快速采样的图像重构方法,通过改变成像系统编码和解码方法,采用中心对称结构呈“十”字形排布的发射光束阵型,利用所提的快速图像重构算法,单次采样的回波数据所能重构的目标图像从1幅增加到8幅,快速抑制了重构图像的散斑效应.仿真结果表明,与传统三光束图像重构方法相比,获得相同质量图像所需的回波数据采样次数从20次减少至5次,大幅减少了回波数据采样次数,提高了回波数据采样速率.     

散焦对无透镜鬼衍射和传统成像的影响

散焦一直是影响成像系统成像质量的主要问题之一。分析了不同光路上存在散焦对无透镜鬼衍射成像的影响,比较了散焦对无透镜鬼衍射成像和传统成像两者之间的差异。在前期理论研究基础上,对无透镜鬼衍射和传统成像的强度函数做了进一步分析,结果表明散焦的效果相当于物体的透射函数在相位上增加一个啁啾调制,使得两种成像系统在一定程度上是等价的。     

三种降采样成像策略的性能优化以及与传统傅里叶望远镜的比较

为了获得成像质量较好且成像时间较少的新型傅里叶望远镜成像策略,本文比较了三种降采样成像策略(压缩感知方法 (CS)、低频全采样方法 (LF)和变密度随机采样方法 (VD))与传统傅里叶望远镜(FT)在图像质量和成像时间上的差异.分析方法如下:利用传统FT外场实验所获得的目标频谱数据作为基础,三种降采样方法 (LF, VD和CS)分别按照各自的采样模式和重构方法实现目标图像的重构;通过直观观察和Strehl比两种方法比较三种降采样方法与传统FT在图像质量上的差异;通过分析成像时间的组成要素,初步比较三种降采样方法与传统FT在成像时间上的差异.分析表明:1)压缩感知方法的图像质量优于其他两种降采样方法 (LF和VD),但略低于传统成像结果; 2)压缩感知方法在成像质量上略低于传统FT,但在成像时间上却明显小于传统FT; 3)分析中采用的外场数据均含噪声,这说明上述三种降采样重构过程对噪声有较好的鲁棒性.综合上述分析结果可以看出,基于压缩感知的傅里叶望远镜(CS-FT)是在实际含噪情况下可大幅减少成像时间的优良成像策略.