EMCCD集成偏振-微光一体化成像技术研究

单一探测器实现多维度信息获取是光电探测未来的发展方向。针对目标探测中能量和偏振信息不能兼顾的问题,提出了一种同时具有偏振-微光功能的像元阵列结构。通过引入白光通道和精简偏振通道,可在EMCCD器件上实现偏振和微光探测的一体化集成。实验结果表明,在微光条件下,探测器高灵敏性能被保持,低照度下的成像质量几乎不衰减;偏振模式下,白光通道和两个偏振角度使探测器能够获得足够的偏振信息,实现对目标的偏振探测。该方法实现了高灵敏度成像探测和偏振信息探测的同步获取,是一种通过算法处理就能够实现探测模式可重构的新方法。     

四通道微光偏振实时成像光学系统设计

为了提高微光成像质量,实现针对动态目标或变化场景的实时性成像的需求,基于偏振成像原理,并结合孔径分割技术设计了微光偏振实时成像光学系统。光学系统采用共口径四通道阵列结构,将4个待测偏振态分成4个独立的成像通道,通过子孔径成像镜组对探测器靶面进行四象限分割成像,每个偏振通道通过放置起偏状态不同的偏振片获取目标不同偏振态的强度图像,从而实现实时偏振成像。光学系统的设计焦距为100 mm、系统整体F数为1.2、工作波长范围为0.4 μm~0.85 μm、最低工作照度为1×10-3 lx、可输出1 080 pixel全高清图像。系统光学总长为167.5 mm,单通道镜头的MTF值在40 lp/mm处全视场均高于0.57。     

偏振-微光一体化EMCCD相机的设计与开发

多维度的信息获取是微光夜视探测技术未来的发展方向,偏振成像是光电探测领域中的一种维度,偏振相机的研制是研究偏振成像技术的前提。基于集成偏振阵列结构的电子倍增CCD(electron multiplying CCD, EMCCD)器件,集合EMCCD微光探测的优势和偏振维度的探测功能,论述了偏振-微光一体化相机的硬件电路设计和开发方案,完成偏振维度信息与光强度信息一机同步采集作业,并通过FPGA对原始数据进行偏振运算与图像传输处理。搭建测试系统,对设计与开发的偏振样机进行性能测试。实验结果表明,在温度273 K、读出频率2 MHz条件下,器件的读出噪声为8.81e-,动态范围约为74 dB,样机的消光比可达50.95,透过率可达60.16%,并可实时地选择性输出偏振度图像、偏振角图像、光强度与偏振融合图像,极大地提高了夜间环境下对目标的识别探测能力。     

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。     

微光偏振成像系统设计及实验

为了实现对运动目标或变化场景的同时成像,根据偏振成像原理,基于孔径分割技术设计了一套微光偏振成像系统.开展了微光偏振成像实验,在实验室条件下定性分析了偏振成像的优势,研究了不同照度下偏振成像的准确度.通过改变偏振出射光束的照度,运用获得的偏振图像计算了该照度下光束的偏振度和偏振角.与真实偏振度、偏振角信息对比分析表明,当环境照度大于10     

星载微光立体成像技术及实现

为了监测夜间和晨昏时段的低云大雾,实现云的三维立体成像,对微光立体成像的关键技术进行了研究。首先,介绍了微光立体成像原理,分析了成像需要解决的宽视场覆盖和多镜头布局。然后,介绍了实现微光探测需要解决的低照度成像技术及其实现方法。最后,针对观测目标照度变化较大的问题,提出了动态范围拓展技术,介绍了后期数据处理中的云雾监测技术。仿真计算结果表明：采用电子倍增CCD（EMCCD）探测器和推扫扫描成像模式、集成探测器组件以及多台相机拼接方案可有效实现微光立体成像,相机扫描幅宽超过2800km;高程分辨率〈817．7m。提出的成像技术可在低照度条件下监测低云大雾,获取高分辨率的三维立体云图,满足气象海洋探测的需求。     

集成微光机电系统中的矢量光学问题

集成微光机电(MOEM) 系统是近年来迅速地发展起来的一门新兴的综合学科,它融合了微光学元件、微电子器件和微机械结构的优点.不但在技术上有重要的应用,还蕴涵着与小尺寸器件有关的力学、热学、电学、光学,以及材料科学等丰富的基础科学研究课题.文章探讨了MOEM 系统中典型的微光学元件,如衍射微透镜、折射微透镜和微光栅中的矢量光学问题,简要地介绍了相应的求解方法.     

微光下SCMOS彩色成像处理系统设计

为了在微光条件下获取像白天一样兼具色彩和细节的图像,提出一种微光下的彩色成像处理方法:对彩色探测器图像进行降噪、增强和模糊处理,提取其中的色彩信息,对同时能接收可见光和近红外波段的高灵敏度黑白探测器图像进行降噪处理,获得微光场景的细节信息,在YCbCr色彩空间将色彩信息与微光场景的细节信息进行融合,生成微光场景下的彩色图像。根据这种方法,选择两款像元分辨率及像元尺寸相同的彩色和黑白SCMOS探测器,设计并搭建成像处理系统。实验结果表明,在0.01Lx的条件下,处理得到的彩色图像符合真实场景,适宜人眼观察。     

新型快照式光谱偏振成像技术

空间信息、光谱信息和偏振信息的同步获取将获得更多易于区分目标的特征信息.针对传统光谱偏振成像技术需要动态调制、光通量低、光谱分辨率有限和解算复杂等问题,提出了一种基于光纤传像束和像元级偏振探测器的成像新模式,将光纤成像光谱技术和像元级偏振信息快速提取技术结合,以快照式方式同步获取目标的二维空间信息、一维光谱信息和四个角...     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

三自由度偏振差分水下成像技术

影响水下成像质量的核心因素是后向散射光的干扰。偏振差分水下成像技术能够显著抑制后向散射光,是在水下散射环境中获取清晰图像的有效方法。传统的偏振差分方法是基于两个正交偏振方向上的偏振图像进行差分的,该方法虽然对后向散射光有明显的抑制效果,但其调制自由度低,限制了成像质量的进一步提升。针对这一问题,提出一种改进型偏振差分水下成像方法,该方法基于两个最优偏振方向的偏振图像进行差分,并通过引入差分项的权重系数,最终实现具有三个自由度的偏振差分水下成像。实验结果显示,该方法相对于传统的偏振差分成像方法,可更好地抑制后向散射光、凸显物体信号光,最终实现了更高质量的水下清晰成像。     

液晶实时掩膜技术制作连续微光学元件

提出制作连续微光学元件的一种新技术———液晶实时掩膜技术 ,阐述了其基本原理和制作方法。基于部分相干光成像理论 ,采用计算机模拟了用实时掩膜制作微透镜和微轴锥镜阵列的过程。同时建立了实验装置进行实验 ,用全色银盐干板 (Kodak 131)通过酶刻蚀得到口径为 118.7μm ,深为 1.32 2 μm的 5 6× 48的轴锥镜的列阵。     

成像光谱偏振仪研究进展

成像光谱偏振仪是一类同时具有成像、光谱测量和偏振测量功能的新型光电传感器.介绍了成像光谱偏振仪的原理,对近些年来国内外成像光谱偏振仪的研究进展进行了总结,对基于声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片等新器件的成像光谱偏振仪和通过在狭缝色散型、空间调制傅里叶变换型和层析型成像光谱仪的光路中添加偏振器件构成的成像光谱偏振仪的原...     

基于偏振阵列的偏振迈克耳孙风场探测干涉仪系统的理论研究

基于偏振阵列的偏振迈克耳孙风场探测干涉仪是一种新型的探测大气温度和风场速度的干涉仪.基于偏振干涉的原理,四个偏振方向分别相差45°的偏振片组成的偏振阵列紧贴于探测器前,由四面角锥棱镜出射的四束线偏振光分别经四个不同偏振方向的偏振片后,四个不同强度干涉图同时成像于探测器上,经过数据提取获得四个干涉强度值,进一步反演出大气温度和风场速度值.对以上干涉成像过程进行了模拟仿真,得到干涉图,经风速反演得到了与实际值一致的结果.具有结构简单稳定,测试精度高,利于快速变化的目标测试的优点.     

微光凝视成像曝光自适应研究

为实现高分视频卫星微光条件下对目标进行长周期凝视曝光成像,设计了适应凝视跟踪稳像姿态变化的自适应曝光周期算法.建立卫星对地实时凝视跟踪数学模型,搭建矢量映射的速度匹配曝光成像关系,利用蒙特卡洛方法对卫星三轴姿态角和姿态角速度控制准确度在微光成像曝光时间内引起的像移量进行统计计算,分析了一定姿态控制准确度下满足高分卫星微光成像的曝光周期.最后,利用灵巧验证卫星进行微光成像曝光周期自适应稳像姿态的在轨试验.结果表明,卫星姿态控制准确度分别为0.08°与0.0088°/s和0.04°与0.003°/s时,对应的成像曝光时间分别为18ms和55.2ms,通过对微光成像的目标点进行分析,曝光过程中成像目标点的实际偏差像元量小于1个像元,此偏差对成像质量影响较小,成像影像的信噪比高.     

水下偏振成像技术实验教学化的探索

为提高光的偏振现象实验的应用性和拓展性,设计了基于水下偏振成像技术的教学实验．以观察光的起偏和检偏现象为目标,搭建水下偏振成像实验平台,基于斯托克斯理论,采集浑浊水体中目标的偏振子图像,计算偏振度,然后通过图像处理软件获取最终清晰成像结果．该实验综合了光的偏振特性相关知识和实际应用方法,实验效果明显,可操作性强,通过实验能够有效加深学生对该知识点的理解．     

基于渥拉斯顿棱镜的单路实时偏振成像系统设计

针对非实时成像中动态场景偏振探测产生的虚假偏振信息问题,充分利用渥拉斯顿棱镜的分光特性,设计了一种新型实时偏振成像系统.采用像方远心望远透镜系统、准直透镜系统并设计匹配的成像镜系统,在单探测器阵列上同时获取偏振态相互垂直的两幅偏振图像.通过全系统联动设计与优化,系统的调制传递函数在截止频率处不小于0.55,全系统弥散斑均方根半径小于5.3μm,即小于探测器像元尺寸,满足成像设计要求.仿真结果证明该成像系统可有效解决传统分振幅偏振成像系统的实时性差的不足,分孔径偏振成像系统的能量利用率和分辨率低的问题以及偏振焦平面方法中光路串扰的缺陷,应用前景广阔.     

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振探测的新方法

以往对干涉成像光谱仪的研究通常仅限于对光的干涉特性的利用,即由目标干涉图得到其光谱图,而忽略了其丰富的偏振信息.为了在利用光的干涉特性的同时还充分利用光的偏振特性,在原有偏振干涉成像光谱仪的基础上,结合现有的干涉成像光谱技术与偏振探测原理,提出了一种利用现有偏振干涉成像光谱仪获取探测目标的偏振参数(偏振度、偏振方位角等)的新方法,并对其精度误差进行了理论分析,证明了其不但具有较高的稳定性而且具有极高的测量精度.因此,若把以往的偏振干涉成像光谱仪看作是照相机与光谱仪功能的结合,则现在可以将之理解为成像仪、光 关键词： 偏振探测 偏振干涉成像光谱仪 Stokes参量 Savart偏光镜     

偏振成像技术提高成像清晰度、成像距离的定量研究

阐述了水下成像清晰度和成像距离的增大与偏振成像技术的关系;推导了偏振成 像系统图像清晰度与成像距离的关系式　并通过实验获得实测数据　根据推导的关系式分析 并计算得到的结果与实测数据相符合　定量地说明了偏振技术提高了图像清晰度和成 像距离. 关键词：     

干涉型光纤传感器及阵列的分集检测消偏振衰落技术的研究

对干涉型光纤传感器的分集检测消偏振衰落技术进行了新的理论分析，提出了将各种信号平方后相加的信号处理方式，使之能实现单元及阵列的实时消偏振衰落信号检测。计算了这一信号处理方式可能引起的幅度最大波动，并得出三路检测偏是分集检测的一个合适取值的结论。根据理论分析，在马赫－陈德尔干涉仪上进行实验研究取得了较好结果，并设计了用于阵列的分集检测实现方式。