透过散射介质对直线运动目标的全光成像及追踪技术

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素,透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一.本文提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法.采用赝热光照明,基于光学记忆效应理论,通过对运动目标采集的两帧散斑做差值,然后做自相关运算,计算目标移动的距离,实现对目标的实时追踪,并且利用相位恢复算法进行简单处理就可以重建隐藏目标.对该方法进行了实验验证,成功地对隐藏的运动目标实现了成像与追踪.这种透过散射介质对运动目标的全光成像及实时追踪技术,在生物医学等领域具有重要应用潜力.     

基于集成法布里-珀罗微腔阵列的16通道快照式多光谱成像

通过将窄带法布里-珀罗微腔阵列与可见光探测器焦平面阵列粘贴集成,展示了一种微小紧凑型多光谱成像探测器.通过四次分形组合蚀刻工艺,先在石英基底上获得了以4×4为基本重复单元、共计2048像素×2048像素的微腔滤光阵列;再与探测器芯片贴合后形成了微小型多光谱成像探测器.微区光谱检测表明,微腔阵列样品的响应光谱峰值在520—680 nm之间变化,半峰处的全宽小于10 nm,透过率约70%.可调谐波长单色光合作光源检测表明,该多光谱成像探测器具有16个不同的窄带响应谱;利用光谱通道能清晰分辨目标特征光谱;通过光谱通道图像相减,能有效消除视野中背景,提高目标对比度.它有望应用于皮肤表面观测等辅助诊断,以及逆光条件下目标观测的高动态范围成像等.     

非侵入式散射介质内多光谱重建

近年来许多方法被提出以实现透过散射介质的聚焦和成像,然而,在非入侵且无波前整形技术的情况下,透过散射介质的目标光谱重建仍极具挑战.提出了一种非侵入式散射介质内多光谱重建的新方法.该方法通过非侵入式的探测手段,利用随机散斑照明隐藏目标,成像光谱仪记录目标的光谱信息和空间信息,并结合非负矩阵分解算法对目标混叠谱进行解析,从...     

基于散斑照明和全息的穿透散射介质成像EI北大核心CSCD

目前,穿透散射介质的成像技术因其在生物医学成像和安防领域的巨大应用价值而受到广泛关注。虽然存在不同穿透散射介质的成像技术,但实现实时成像依然存在问题。提出了一种结合散斑照明、傅里叶全息成像和浴帘效应的快速穿透散射介质成像方法。该方法对单幅原始散斑图像进行一次傅里叶变换运算就可以恢复隐藏物体的信息,简单的图像处理过程使得系统具备实时成像的能力。从理论和实验上,对该方法的非侵入、实时成像能力进行了验证,成功地对隐藏在散射体之间的物体进行了探测,并实现了实时成像。另外,也给出了物体尺寸的计算公式。该方法有利于推动对抗散射成像技术的实用化。     

紧凑型图像复分光谱成像系统光学设计及优化

从图像复分光谱成像系统的图谱输出理论模型出发,对已有16波段系统进行改进,研究了大相对孔径和结构紧凑型系统.模拟实现了16波段成像的整体设计与优化,对棱镜分光易造成图谱图像区域混叠问题进行了分析.采用光谱成像系统匹配结构形式,利用Zemax-EE的多重结构特性,设计了视场为±1.25°,相对孔径达到1∶3,系统结构尺寸约为220mm的图像复分光谱成像仪系统,且各个波长光学传递函数值均大于0.75.与已有等同空间分辨率的16波段图像复分光谱成像系统比较,所设计系统结构紧凑、衍射极限和通光能力明显改善、光谱质量大幅提高,可满足小型化需求.该研究为新型快照式光谱成像技术的理论研究和图像复分光谱成像仪的光学系统设计提供了依据.     

窄带快照式多光谱成像色彩还原方法

由于兼具光谱分辨和空间分辨能力, 快照式窄带多光谱成像在资源遥感、精准农业、医疗检测等领域将有广泛应用。由于该方法使用窄带成像来提高光谱分辨率及图像对比度,所获得的图像是灰度信息,失去了场景的色彩信息,不便专家对图像鉴别、评价与赏析。已有的色彩还原算法主要针对光谱波段带宽较宽或者多个波段叠加基本覆盖整个可见光谱范围等两种光谱成像仪,不适合窄带多光谱成像方法的色彩还原。该研究适合于快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法,提出建立窄带多光谱彩色相机的概念。首先,提出两种窄带多光谱色彩还原方法：(1)基于CIE色度系统三刺激值色的,(2)基于贝尔阵列插值算法的;其次,分别应用两种算法还原快照式窄带多光谱相机所获得的植物、手臂及宫颈组织等三种代表性场景窄带多光谱灰度图像;之后,计算并比较表征两种算法所得的代表性场景彩色图像的均值、方差、熵及梯度等表征图像质量的参数数值,确定出适合快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法;最后,对所确定的色彩还原算法进行色偏校正。实验结果表明,基于CIE三刺激值色彩还原方法比贝尔阵列插值法更适用于窄带多光谱成像颜色复原。配合使用CIE三刺激值色彩还原方法及灰度图象校正算法,从窄带光谱成像所获得的植物、手臂皮肤及宫颈组织的灰度图像所还原出的近彩色图像逼近物体真实色彩,满足人眼观察习惯。介绍了仅覆盖可见光光谱范围30%的窄带多光谱图像进行色彩还原的方法,该方法证明快照式窄带多光谱成像可以兼具光谱分辨能力,同时保持可供人主观辨识的色彩信息。所提出实现快照式窄带多光谱彩色成像的方法,有望设计不同于传统RGB相机的彩色相机实施方案。     

分孔径中波红外多光谱成像光学系统的设计

为了同时获得目标的红外图像信息和光谱信息,设计了一种分孔径中波红外分波段成像光学系统。该系统可将位于成像器前方不同波段的目标红外场景通过分孔径方式成像到红外制冷型探测器的4个区域上。该系统通过内部分孔径的办法,在不同通道内放置滤光片的方式,实现在一个探测器上对3.5 μm~4.1 μm、4.4 μm~5 μm、3.5 μm~5 μm、4.4 μm不同波段的目标同时成像。该系统F数为1.93,单通道的焦距为60 mm,MTF接近衍射极限,同时实现了在-40℃~+60℃的无热化需求,可以满足应用和指标需求。     

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。     

基于多光谱成像技术的水稻叶瘟检测分级方法研究

实时、可靠的植物病害检测是进行科学的植物喷药作业的基础,也是精确农作的关键技术之一。目前水稻稻瘟病害检测鉴定方法存在着专业知识要求高、花费大、效率低等缺点。文章提出了利用包含绿、红、近红外三波段通道的多光谱成像技术对水稻叶瘟病进行检测。研究目的是建立能够快速、准确分析稻叶瘟病情的检测模型,实时过滤掉背景噪声、自然枯叶等干扰因素,实现对水稻生长状况进行及时、有效、非破坏性检测。研究表明,利用多光谱成像技术提取水稻叶面及冠层图像信息,可以快速有效地检测稻叶瘟病情。通过实验建立的稻叶瘟病情检测分级模型,对于营养生长期的水稻苗瘟的识别准确率为98%,叶瘟的识别准确率为90%,为实施科学的稻叶瘟防治提供了决策支持。     

基于地面多光谱成像技术的茄子灰霉病无损检测研究

实时、便捷、可靠的作物病害诊断方法是进行科学的作物喷药管理的基础,也是精细农作的关键技术之一。根据感染灰霉病菌的茄子叶片的光谱反射特征和相应的特征波段的图像信息,利用基于地面的包含绿、红、近红外三波段灰度图的多光谱成像技术对染病茄子叶片进行病斑的无损检测。目的是建立能准确反映植物病害状况的检测模型,实时过滤掉土壤噪声、气候条件等环境干扰,实现对植物健康状况进行快速、准确、非破坏性检测。结果显示,利用绿、红和近红外三通道图像信息算法模型,能够在有干燥的土壤和枯叶等干扰下对灰霉病斑进行较好的识别,为植物生产中病害的在线无损检测提供了新的方法。     

An Optical Readout Method Based Uncooled Infrared Imaging System

This paper presents an optical readout method based uncooled infrared imaging system that contains an optical read-out section and a bi-material micro-cantilever arrays (BMCA) detector. The optical read-out section is based on incoherent light spatial filter technique. The read-out section converts the deflection angles of BMCA caused by absorption of infrared (IR) radiation to a visible image through optical filtering operation of the BMCA with a knife-edge filter. A spatial mathematical model is presented to describe the read-out method and its validity is proved. The IR image of a person’s hand obtained through the using of the 100 × 100 BMCA and the 12-bit A/D quantizer demonstrates the ability of the system to create image. The performance test shows that the average Noise-equivalent temperature difference (NETD) of the imaging system can arrive at about 183mK with some areas having a NETD as low as 78mK. Project supported by Natural Science Foundation of China (No.60576053), National Technology Research and Development Program of China (No.2007AA03Z333).     

基于多光谱视觉传感技术的油菜氮含量诊断方法研究

实时、便捷、可靠的作物营养诊断方法是进行科学的作物施肥管理的基础,也是精确农业的关键技术之一。文章提出利用光谱技术分析不同养分水平的油菜在生长过程中的光谱反射特征,用包含绿、红和近红外三波段通道的电荷耦合器件(CCD)成像技术对植物叶面氮素营养进行非破坏性检测方法,目的是建立能准确反映植物营养状况的检测模型,实时过滤掉土壤噪声和气候条件等环境干扰,实现对植物营养成分进行快速、准确、非破坏性检测。通过试验建立了叶绿素仪数值和全氮含量在油菜中的数学关系模型,结果显示,利用绿、红和近红外三通道图像灰度和反射率关系的经验线性标定模型分析得到的油菜植被指数与叶绿素仪数值间的线性相关系数r可以达到0.927。     

实用型模块化成像光谱仪多光谱图像的信噪比估算及压缩方法研究

采用局部标准差法和去相关法对实用型模块化成像光谱仪多光谱图像的信噪比进行估算。这两种方法已将地物变化的影响降低到很低的程度。这样在大气订正后，图像的信噪比性能充分反映出遥感仪器的信噪比性能。针对图像压缩，提出控制各波段恢复图像的峰值信噪比刚好大于原始图像的信噪比，使由压缩算法本身所带来的噪声限制在原始图像的噪声范围之内。结合这种压缩思想，用基于离散余弦变换和基于离散小波变换的压缩算法，对实用型模块化成像光谱仪多光谱图像进行压缩。实验表明，利用这种方法，对于高信噪比的波段，图像信息得到了保真；对低信噪比的波段，压缩倍数提高迅速且恢复图像视觉无失真，对整幅成像光谱图像，压缩性能提升显著——当压缩比等于37．95倍时，峰值信噪比等于45．86dB。     

多光谱遥感影像煤火监测新方法

煤火在世界各地均有不同程度的发生,严重威胁生态环境,煤火燃烧释放大量的有毒有害气体,造成大气污染,同时煤火燃烧形成地下空洞,导致地表塌陷,直接威胁着矿区人员的生命安全。遥感技术的迅猛发展使大尺度反演与监测煤火温度变为可能。单窗算法是一个简单可行且精度较高的煤火温度反演方法,该方法需要两个大气参数进行温度反演,即大气水分含量和地表比辐射率。由于该算法需要卫星影像获取瞬间时的大气水分含量,而卫星过境瞬间的大气水分含量受多种因素影响难以获得;单窗算法对不同类型的地物均采用统一的地表比辐射率,这会导致反演温度不精确,误差较大。针对上述存在的问题,采用基于地面湿度参量建立起的大气可降水量与地面水汽压间的经验关系,计算大气水分含量,同时,采用NDVI阈值法计算不同地物类型的地表比辐射率,对单窗算法中的两个参数进行精确估计,从而改进提高该算法的精度及可操作性。将改进的算法应用于内蒙古乌达矿区,反演从1988年到2015年间研究区的煤火温度,提取每年研究区的温度异常区域,对比分析煤火区域分布、面积变化情况。本文提出的改进算法能够快速、高效的反演煤火温度,对掌握煤火异常区域变化情况提供技术支持,具有可操作性及现实意义。     

基于遗传神经网络的多光谱辐射测温法

针对BP神经网络易陷入局部极小等缺陷,将遗传算法(GA)与神经网络相结合,提出了一种将GA-BP算法应用于多光谱辐射测温的数据处理方法,并对基于亮度温度模型的多光谱辐射测温数据进行了仿真实验。结果表明：已训练样本的真实温度识别精度,GA-BP算法为±5 K,BP神经网络为±10 K;未训练样本的真实温度识别精度,GA-BP算法为±10 K,BP神经网络为±20 K;无论是GA-BP算法还是BP神经网络,已训练样本的真实温度识别精度比未训练样本的真实温度识别精度都更精确些,靠近训练样本集边缘的样本真实温度的识别精度偏低。说明GA-BP算法比BP神经网络可以更好地解决了目标真实温度的测量问题。     

基于三光谱带的大气散射效应校正方法

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了全球大气CO₂卫星产品的应用研究。气溶胶作用以及气溶胶与地表综合作用是大气散射的重要来源。基于O₂-A,CO₂ 1.6和2.06 μm三个光谱带中的强、弱吸收峰和连续谱,从大气气溶胶光学厚度和地表反照率的角度,分析三光谱带具有的相关信息,提出改进的全物理反演方法,对相关性很强的气溶胶光学厚度和地表反照率这两个散射相关参数进行同步反演,实现大气CO₂反演中的散射效应校正。模拟计算气溶胶影响、气溶胶和地表反照率两者综合影响导致的CO₂反演误差,并进行校正,极端情况下导致的8% CO₂反演误差可校正到1% 内,气溶胶类型差异导致最高达10%的散射影响可校正到2%内,显示了方法的有效性,同时通过对校正效果的评估,表明该方法应用于卫星数据高精度反演的潜力,也指出了实际应用时需要关注的问题。     

基于成像法的气溶胶粒形和散射分析仪

将散射法与显微成像法有机结合,提出了基于成像法设计气溶胶粒形和散射分析仪的新方案,实现了仪器测量的自身完善.利用自编的无限长圆柱理论的仿真程序,分析了线偏振光入射下,已知形状的单个棉絮纤维粒子的散射强度和偏振.实验数据和程序运算结果的比较表明,用该方法设计的分析仪检测是可靠的.     

基于成像法的气溶胶粒形和散射分析仪

粒形是影响气溶胶粒子光散射特性的基本参量,其定量信息的研究受到越来越多的关注。气溶胶粒形的常规测量手段为散射法和显微成像法。将散射法与显微成像法有机结合,提出了基于成像法设计气溶胶粒形和散射分析仪的新方案,实现了仪器测量的自身完善。利用自编的无限长圆柱理论的仿真程序,分析了线偏振光入射下,已知形状的单个棉絮纤维粒子的散射强度和偏振。实验数据和程序运算结果的比较表明,用该方法设计的分析仪的检测是可靠的。