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。     

基于稀疏阵赝热光系统的强度关联成像研究

强度关联成像在近几年取得很大的突破,其应用价值越来越明显。以随机涨落的热光作为光源是强度关联成像的前提。目前常使用激光穿过旋转的毛玻璃产生赝热光。鉴于使用毛玻璃产生赝热光的局限性,提出了使用稀疏阵独立子光源产生赝热光,并在这种光源结构下讨论了基于线性关联算法的强度关联成像和基于稀疏约束非线性算法的强度关联成像的异同。     

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。     

X光傅里叶变换关联成像赝热光源研究

高质量赝热光源是实现X光关联成像技术在显微领域应用的关键。X光傅里叶变换关联成像的赝热光源通过随机孔屏调制X光获得,在此基于统计光学分析了调制后X光散斑场的统计特性,并通过数值模拟分析了随机孔屏参数对散斑场特性及成像质量的影响。结果表明,随机孔屏引入的相位差变化为π时,关联成像对比度达到最优值。对于振幅型随机孔屏,成像对比度随着占空比的减小而增大;对于相位型随机孔屏,成像对比度随着占空比的减小而减小。实际X光傅里叶变换关联成像系统中使用的复振幅型随机分布金属孔屏,通过选择合适的透过率和占空比可以实现高对比度关联成像。     

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。     

强度关联三维衍射层析的实验研究

提出了一种基于强度关联成像的新型三维衍射层析技术.利用强度关联成像技术(鬼成像)可实现无透镜傅里叶变换的特点,并结合衍射层析技术和二步相位恢复算法,使用波长为650 nm的赝热光实现了强度关联三维衍射层析.详细描述了强度关联三维衍射层析的基本原理以及具体实验结果,为在第三代同步辐射光源实现非相干X光衍射成像积累了经验.     

基于遗传算法的空间光调制器鬼成像研究

提出了基于空间光调制器(SLM)进行相位调制产生赝热光源的方案,并讨论了不同空间光调制器的像素阵列的排布方式对关联成像的影响,着重对空间光调制器的像素阵列排布方式进行了基于遗传算法的优化设计方法的研究,以提高赝热光场性能。结果表明,空间光调制器方案克服了毛玻璃方案的局限性,其产生的赝热光二阶关联性好,满足关联成像的需要,系统成像质量较高,该方案对新型关联成像赝热光源设计具有重要参考意义。     

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.     

多模差分鬼成像

提出了多模差分鬼成像技术(MWDGI)可以提高鬼成像的信噪比(SNR).对使用旋转的毛玻璃板和空间光调制系统的两种情况的MWDGI分别做出了理论分析.研究结果表明MWDGI结合了差分鬼成像(DGI)和多模鬼成像(MWGI)的优点,能够显著提高各种类型物体的鬼成像的SNR.     

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。     

三种不同结构的无透镜鬼成像实验研究(英文)

为实现远距情况下的实际应用,对赝热源鬼成像进行了从透射到反射的实验研究.首先利用CCD的两个独立区域分别探测参考光和信号光,得到双缝的透射型鬼成像,继而利用一个CCD和一个独立的桶探测器分别探测参考臂和物臂的光强信息,通过对没有空间分布的物臂光强和没有经过物体而有空间分布的参考臂光强信号进行关联计算实现透射和反射鬼成像.为设计和研制能进行现场应用的样机系统,以透射结构为例,对成像结果与系统各参数之间的关系进行了详细的对比实验研究,结果表明通过增加采样率、增大光强、适当调节快门时间和光阑大小可以提高成像的分辨率和可见度.     

基于平场光栅的稀疏约束鬼成像高光谱相机

基于稀疏约束的鬼成像光谱相机,能够通过单次曝光获得目标场景的三维空间光谱数据立方体。但是由于不同波长的散斑场在探测器的同一位置处,使得仪器的光谱分辨率和信噪比受到限制。为了解决上述问题,提出了利用平场光栅分光将不同波长的光场在探测面上错开一定距离的系统,实现了基于平场光栅的稀疏约束鬼成像高光谱相机。通过对系统成像过程的理论推导,得到了系统的关联函数,并通过实验和数值模拟验证了理论推导结果。在保证原先光谱相机优点的同时,基于稀疏约束的鬼成像高光谱相机可以分别调控光谱分辨率和空间分辨率,实现可控的信噪比。此外,还能够根据不同波长的光场特性来优化测量矩阵,从而提高图像恢复质量。     

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。     

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。     

基于统计光学的无透镜鬼成像数值模拟与实验验证

作为量子信息领域分支的鬼成像,由于物体的像将出现在不包含物体的光路上的特点,使得这一领域的研究引人入胜。一度认为,只有基于纠缠态双光子的纠缠光源,才能实现鬼成像;但近年来的研究表明,经典热光场也能实现这一过程。从经典统计光学入手,建立了热光场的数值模型,模拟符合热光特性的光场变化、光场传播、以及物体透射函数对热光场的调制,进而从光强度起伏的关联函数中,分别重现振幅型物体和纯相位型物体的傅里叶变换图像;通过与真实实验结果的对比,表明基于统计光学原理的该数值模型所预测的实验结果,与真实的实验结果完全一致。     

随机间距稀疏三元Toeplitz矩阵相位掩模压缩成像

压缩成像是一种基于压缩传感(CS)理论的新成像方法,其优点是可以用比传统的Nyquist采样定理所需测量数目少得多的测量值重建原稀疏或可压缩图像。在研究Bernoulli和Toeplitz测量矩阵的基础上,提出一种新的随机间距稀疏三元Toeplitz相位掩模矩阵。实验结果表明,在可压缩双透镜成像系统中,与Bernoulli和Bernoulli-Toeplitz相位掩模矩阵相比,新相位掩模矩阵的成像信噪比与之相当。但是随机独立变元个数和非零元个数显著减少,在数据存储与传输时更具优势,物理上更易实现,甚至重建时间是只有它们的21%～66%。     

NaCl溶液补偿非平衡热光关联成像系统

热光无透镜鬼成像系统要求物光和参考光两个光路的光程相等,当不满足此条件时,成像质量就会下降。实际应用中热光关联成像系统两臂长度相等的条件极为苛刻,很难满足。笔者设计了一种补偿式热光关联成像系统的实验方案,利用NaCl溶液补偿物光和参考光两个光路的光程差。实验结果表明,将一定浓度的NaCl溶液放在光程较长的光路中,可以有效补偿非平衡系统的光程差,从而获得待测物体清晰的关联像。     

不同采样模式的固体DQ-SQ实验的压缩感知重建比较

为了提高固体二维双量子-单量子(DQ-SQ)谱的采集速度,根据DQ-SQ谱的自稀疏性,该文使用了一种基于压缩感知技术的重建算法.其优化的能量函数是有限差分约束的l1范数,并使用不同的权重对水平和竖直方向的有限差分项进行约束.该文分别对伪随机采样、全随机采样和e指数采样等采样模式进行了比较,发现伪随机采样表现出最佳的重建结果.进一步研究发现伪随机的极限形式,即t1截尾(t1-cutoff)采样模式效果最佳.     

基于光时分复用技术的高速成像系统北大核心CSCD

提出了一种基于光时分复用技术的高速成像系统。飞秒激光器中心波长1557nm,脉冲宽度90fs,对USAF-1951分辨率板线性扫描成像,扫描频率为38.88 MHz。在连续时间序列编码放大显微成像技术的基础上,运用光时分复用技术,复制光脉冲信号并携带检测物体相同的空间信息。原光脉冲和复制光脉冲以相同的采样率分别采样,通过相应的数据处理将两次采样数据整合在一起还原图像。实验结果表明,与传统的超快成像方法相比,成像系统利用10GHz的数字采样设备可以达到20GHz的采样率,采样点数是传统超快成像方法的两倍。该方法有效克服了成像系统采样率不足的问题,提高了成像系统的空间分辨率。与此同时,该系统算法复杂程度不高,有利于进一步促进超高速成像技术的发展。     

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%.