凸透镜成像实验装置的不足及改进

"探究凸透镜成像规律"是初中学生必做的光学实验,也是光学部分的重点.通过学习不仅要使学生了解凸透镜的成像规律,而且要使学生初步了解实验一分析一归纳的科学探究方法,强化学生学习的独立性、主动性.在探究过程中,教师要引导学生对凸透镜的成像规律进行猜想,初步设计实验方案,组织学生用实验探究的方法,得出凸透镜成像的规律.     

基于生物阻抗谱成像的生物组织检测方法

基于电阻抗成像技术和生物阻抗谱技术,提出一种面向生物组织检测的生物阻抗谱成像方法.该方法将目标区域可视化并精准识别目标种类,可用于肺癌早期检测,协助临床医生对早期肺癌进行精准检测,提高早期肺癌的治愈率.本文通过数值仿真的方法验证生物阻抗谱成像方法在肺癌早期检测中的可行性和有效性,仿真结果表明:1)生物阻抗谱成像方法可以实现早期肺癌区域的可视化,并精确判别出早期肺癌种类; 2)生物阻抗谱成像方法中阻抗谱的最佳采集模式是4次循环采集,最佳分类器是Linear-SVM, 5折交叉验证的平均分类准确率可以达到99.9%.为了验证仿真结果,本文选取3种具有不同电学特性的生物组织模拟癌变区域进行了检测.实验结果表明该方法可以对生物组织区域可视化,并判别出生物组织的种类.该方法可以兼顾电阻抗成像和生物阻抗谱方法的优点,有望用于肺癌早期检测.     

一种成像测量图像径向几何畸变的校正方法

通过对具有径向畸变的摄像机模型的分析,设计了一套求解图像径向几何畸变中心和畸变多项式系数的方案。首先,依据校正样板曲线的弯曲程度应用一元线性回归法和逐次逼近法求取光学图像的几何畸变中心,然后应用递推最小二乘法求解径向几何畸变的多项式系数,最后根据所得到的畸变中心和畸变多项式系数对图像进行校正得到满足要求的图像。仿真试验证明:该方法可以通过一次采集单幅图像对成像系统进行高精度标定,能够对成像测量系统的径向几何畸变进行一定精度的校正。实践证明:该方法通过图像处理的方法提高成像测量系统的精度,降低了系统的设计成本,可以作为成像测量系统中单独标定摄像机畸变参数的一种简单有效的方法。     

用CCD成像方法辅助课堂演示实验

介绍了一种CCD成像方法,该方法可以实时地对较小的演示现象成像,并在大屏幕上即时展示出来.该方法可以把较大的演示教具做得较小,更便于制作、携带和存放,同时可以将原来不适合做课堂演示的实验内容扩展到课堂演示内容中,可以增加演示内容.本文以陀螺演示实验、激光光源测量普朗克常量实验及放大演示结构性演示教具实验为例,详细介绍了CCD成像法的应用.     

水中气泡环境偏振光学矢量辐射传输特性研究

利用光学成像仪器进行水下资源勘测时,成像质量常因水中气泡干扰而降低。研究水中气泡环境辐射传输特性并分析其对光学仪器成像的干扰,对提升水下成像抗干扰能力具有重要指导意义。首先构建水中单气泡成像环境,模拟光在单气泡传输过程中辐射强度和偏振状态的变化趋势,得出单气泡界面处的传输相位函数;在此基础上,通过增加气泡数量,模拟水中多气泡成像环境下光的辐射强度和偏振状态随气泡分布的变化情况;最后基于几何光学近似理论进行蒙特卡洛模拟,仿真并得出不同气泡半径大小、不同光线传输路径尺度对光线在气泡群中前向和后向传输的影响。气泡理论分析、仿真计算和实测实验表明：光在气泡界面处产生的偏振态变化与观测几何具有强关联,当入射角较小时,光的穿透性较强,辐射强度衰减缓慢;随着传输距离路径增加,前向传输和后向传输的偏振度呈现相反的变化趋势;理论、仿真和实验结果三者基本保持一致。该研究可以为水下复杂环境目标偏振成像领域提供一定的参考。     

Matlab在几何光学仿真实验中的应用

在工程光学教学中,为了使学生更好地理解球面光学成像系统与理想光学成像系统的区别,提出了用Matlab程序模拟球面光学系统成像过程的仿真实验,并编制了模拟程序.把系统结构参量r,d,n和物距L等代入到模拟程序中,就可以仿真成像系统的成像过程.仿真实验结果显示:理想光学成像系统的成像性质在球面光学成像系统中不存在,但可以通过设计优化使球面系统近似达到或者无限接近理想成像系统,理想成像系统的意义在于它的标准性.     

一种金属腔体中微波断层成像的最优分层非均一背景

针对基于金属腔体的微波断层成像系统,提出了一种最优分层非均一背景的设计方法.该方法使用一种新的微波断层成像积分算子评价方法和模拟退火法等最优化方法.首先,介绍了一种基于有限元法的微波断层成像积分算子计算方法.然后,提出一种新的微波断层成像积分算子度量,该度量可以综合评价整个积分算子奇异值谱,并通过一组仿真研究证明该度量与反演结果的误差具有相关性;该度量用一个数值综合评价一个积分算子,可以方便地应用于最优化算法中;利用模拟退火法选择圆形金属腔体中分层非均一背景的每一层介质的相对介电常数,从而获得一个最优分层非均一背景.最后,对尺寸小于半波长的圆柱目标和"凹"字形复杂目标进行仿真研究,仿真结果证明该最优分层非均一背景可以提高微波断层成像算法的收敛速度,提高反演结果的准确性.     

MRISim:磁共振成像仿真实验软件包

本文基于数值计算模拟技术,开发了模拟磁共振成像（MRI）数据采集与图像重建的仿真软件包——MRISim.虚拟数据采集部分通过对设备硬件、样品（标样或人体部位）进行物理数学建模后,构建原始模拟信号,并填充k空间,然后再基于k空间数据实现磁共振图像重建.该软件可以通过参数的任意调节对影响磁共振图像质量的因素进行可视化分析,包括11种常见伪影的特征和成因分析.我们的研究表明应用该仿真软件可以弥补台式MRI扫描仪价格昂贵、实验时间长等不足之处,实现对相关科技人员的批量化、规模化的实践操作培训.     

MRISim:磁共振成像仿真实验软件包（英文）

本文基于数值计算模拟技术,开发了模拟磁共振成像(MRI)数据采集与图像重建的仿真软件包——MRISim.虚拟数据采集部分通过对设备硬件、样品(标样或人体部位)进行物理数学建模后,构建原始模拟信号,并填充k空间,然后再基于k空间数据实现磁共振图像重建.该软件可以通过参数的任意调节对影响磁共振图像质量的因素进行可视化分析,包括11种常见伪影的特征和成因分析.我们的研究表明应用该仿真软件可以弥补台式MRI扫描仪价格昂贵、实验时间长等不足之处,实现对相关科技人员的批量化、规模化的实践操作培训.     

非共轴四通道偏振成像方法研究

针对当前偏振成像方法的实时性不好、能量利用率低以及分辨率不高等问题，提出了一种非共轴四通道偏振成像方法。该方法通过4个通道采集不同偏振方向的图像来融合计算偏振度图像。数值仿真分析了影响系统偏振成像结果的通道间距、通道平行度和偏振片检偏角度误差，得出了满足偏振成像精度达到1%的系统参数容限。在实验研究方面，研制出了非共轴四通道的偏振成像系统，并对室外距离约为50 m的车辆进行了实验。实验证明了该系统可以有效地对目标进行偏振成像。     

宽场光学相干断层成像系统的实验研究和模拟

改进和完善宽场光学相干断层成像技术(WFOCT)的主要方法是从光源、系统光路等方面进行改进.研究WFOCT系统的成像状态和环境状态对系统的横向分辨率的影响,借助ZEMAX光学设计软件模拟该系统的干涉效果,在实验中采用八步移相法来解析样品的二维图像信息,将解析出来的样品图像赋值到图像变量中进行存储显示.实验与模拟结果表明:模拟仿真获得的干涉信号含有对比度和平行度很高的干涉条纹,证明了利用ZEMAX软件模拟仿真干涉系统的可行性.     

基于波面分割及多平面相位恢复的定量相位成像技术

提出了一种基于微透镜阵列分割波前及多平面相位恢复的定量相位成像技术。针对大动态范围的相位物体实现定量相位成像,该技术同时施加了横向波面分割、轴向多衍射平面和多波长照明三种约束。该技术记录了两种不同波长照明下,微透镜阵列焦面附近不同衍射距离的强度分布图,采用多平面相位恢复算法提取透过相位物体的数字复振幅光场,通过双波长数字复振幅光场相位提取算法,实现了大动态范围下的相位物体成像。数字仿真实验中,在640 nm和685 nm的照明下,对相位变化范围大、结构复杂的相位物体进行了模拟仿真,结果表明,该技术可以高效、便捷地实现高精度相位成像。     

激光偏振主动探测及成像系统的误差研究以及系统的改进

利用Mueller矩阵,以三种典型目标为模型,全面分析了主动偏振成像系统的误差来源。在实验系统典型参数下,对偏振度误差进行了模拟。提出了利用标准偏振度目标校准系统参数的方法,提高了实验系统的精度。以仿真结果为基础,对实验系统进行了进一步的改进。通过对实验元件参数和位置的合理配置,该实验系统能够提供高精度的目标偏振度探测。误差分析结果为偏振成像实验系统元件参数的选择提供了重要的参考依据,同时也为实验系统的改进提供了理论支持。     

OCT系统对人体牙齿组织的非失真成像深度的研究

利用基于蒙特卡罗方法的牙组织光学相干层析(OCT)成像模型,研究了不同牙组织的OCT非失真成像深度。通过模拟入射高斯光束以及光在牙组织中的传输,分别获得了单层牙釉质、单层牙本质以及两层牙组织结构的二维仿真OCT图像,与实验结果具有定性的一致性。通过分析二维仿真OCT图像所对应的一维OCT信号,分别得到了三种牙组织结构的平均非失真成像光学深度。研究结果表明,OCT系统对牙齿组织的非失真成像光学深度在150~2400μm之间,其中牙釉质的非失真成像深度要远大于牙本质的成像深度。所得的结果对于在实验中利用OCT图像对组织结构有效信息进行判断具有一定的参考价值。     

基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法

像面干涉高光谱成像技术主要应用于遥感成像领域,为了实现不同距离目标的光谱成像探测,提出了一种基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法。通过在无限远成像系统中加入前端成像物镜、中继准直物镜和横向剪切分束器,构建一个二次成像的干涉系统。通过采用分离式的前端成像物镜方案,选用变焦镜头或不同焦距的定焦镜头,有效地兼顾远、近距离目标的成像光谱探测。对该方法的成像系统、光谱分辨率和推扫方式等方面进行了分析,进一步搭建了实验装置,对室内近场目标和室外远场目标进行了成像实验,并对生物组织进行了显微光谱干涉成像实验。实验结果表明,该成像方法能够有效用于不同距离目标的高光谱成像探测。     

刮擦“全息”的理论解释和实验验证

通过实验研究,提出了一种能得到很好"立体效果"的刮擦成像的划痕规则;对刮擦全息的成像原理进行了分析,并基于光的反射定律给出其成像的理论解释;通过数值仿真将理论结果图形化,得出了与实验结果相符合的曲线,同时对于刮擦成像的"像的畸变"问题以及像的位置进行了讨论,证明了刮擦全息成像的立体感并非源自双目成像原理.     

太赫兹逆合成孔径雷达相位误差分析和补偿方法

通过对太赫兹逆合成孔径雷达(THz-ISAR)成像原理进行分析,构造目标回波距离维相位误差的多项式表示形式,提出了基于启发式最小熵搜索的二次相位误差校正方法和基于距离维自聚焦的三次及三次以上相位误差校正方法,校正了THz-ISAR回波信号距离维的相位误差,进而消除THz-ISAR一维距离像和二维成像结果中的散焦和展宽现象。理论分析和仿真实验结果都表明该方法能够有效补偿目标回波距离维相位误差,提高一维距离像和二维成像的聚焦效果。     

航天时间延迟积分CCD相机摆扫成像快速几何校正设计与分析

为实现在轨卫星机动成像条带的快速准确拼接和应用,针对高分辨力卫星在轨推摆扫相结合的机动成像模式,提出了一种光线追迹像移匹配数学建模方法。通过对卫星机动过程中的摆角变化、地球表面面型的影响分析,利用摆扫过程中姿态对地指向不断改变导致的交轨方向速度失配量和成像变形量,补偿相机像面各点处的像移量从而进行快速几何校正。利用小卫星姿态控制系统全物理仿真平台对成像进行了仿真分析。分析结果表明,成像过程中随着扫描角的增加,像面上的像移量增大,成像变形情况也变严重。利用均方误差分析仿真成像与实验成像质量,仿真成像与实验成像相差-0.000011左右,较好地满足地面卫星相机成像仿真需求。对不同扫描角下存在速度失配的图像进行快速几何校正,该校正后图像的均方误差变小。该校正方法具有效率高,便于拼接应用的优点。     

改进的双曲等效法用于双站合成孔径雷达前视成像

双站合成孔径雷达(SAR)前视成像有着很多的潜在应用,比如在能见度很低的天气实现飞机的导航和盲降,提高飞机飞行的安全度等.然而实现双站SAR前视成像的难点在于其距离历程的双根式性,直接采用驻定相位原理对其分解将得到复杂的解析式,从而后续算法的推导变得困难.现有的双曲等效法可以将双根式距离历程等效为单根式,但由于该方法为距离历程的二阶近似,当用于双站SAR前视成像时,由于其较大的前视角,未完全等效的距离历程高次项造成的误差已经超出可以接受的范围.针对以上问题,本文首先提出了一种改进的双曲等效法,该方法通过引入新的补偿变量来提高距离历程的等效精度;然后在此基础上推导回波信号的二维频谱解析式,并给出了一种适用于双站SAR前视成像的距离多普勒算法;最后通过仿真实验,将原双曲等效法与改进方法的等效误差以及成像结果做对比,验证了本文算法的有效性和优越性.     

傅里叶望远镜光学系统装调及外场成像实验

提出傅里叶望远镜外场成像实验的光学系统组成,详细介绍光学系统的装调和检测过程,并对模拟目标进行成像实验。采用3束不同频率的激光照射模拟目标并在目标表面形成干涉条纹,利用拼接主镜接收散射回波能量,再经次镜汇聚,最后进入压缩透镜组被光电倍增管探测。实验结果表明:主镜支撑结构稳定性优于0.075 mrad,子镜指向调整精度优于0.05 mrad,对安装的61块子镜进行共焦试验,光斑质心重合精度小于20 mm。最后,对3 mm的模拟目标进行外场成像实验,结果表明:室外环境下傅里叶望远镜的成像效果与实验室内成像效果及计算机仿真结果吻合较好,为后续反射模拟目标的成像提供了参考。