显微热成像系统自适应位置标定方法

利用光学微扫描技术,可在不改变探测器结构的情况下,提高显微热成像系统空间分辨率。但为了获得高质量过采样重构图像,微扫描位置需要标定。基于零点定标,提出一种各点自适应定标的微扫描位置标定方法。模拟实际系统在定标前后的欠采样图像,采用不同重构方法进行仿真对比验证;完成了实际采集的欠采样显微热图像序列的重构对比实验。实验结果表明该方法明显改善了显微热成像系统的过采样重构图像质量,提高了系统空间分辨率。此方法还可以应用在其他光电成像系统中。     

红外凝视传感器定量仿真及模型验证

针对新一代红外凝视成像传感器,依据红外辐射能量传递和转换的物理过程,完成了对传感器各组成单元的物理效应建模.不同于以往成像模型的定性仿真,该模型实现了对系统各模块成像特性的定量描述,综合考虑了传感器的信号传递特性、空间传递特性、空间采样特性和时空噪音特性,构建了较为完善的高仿真度红外成像仿真模型.为验证仿真模型的有效性,搭建了有效性实验验证平台,获取了真实热像仪的性能曲线和输出图像.通过计算和比较仿真模型和真实热像仪性能曲线和输出图像相似程度,定量化评价了模型的仿真度,验证了仿真模型的有效性.     

基于多任务卷积神经网络的红外与可见光多分辨率图像融合

红外与可见光图像融合一直是图像领域研究的热点,融合技术能弥补单一传感器的不足,为图像理解与分析提供良好的成像基础。因生产工艺以及成本的限制,红外探测器的分辨率远低于可见光探测器,并在一定程度上因源图像分辨率的差异阻碍了实际应用。针对红外与可见光图像分辨率不一致的问题,提出了用于红外图像超分辨率重建与融合的多任务卷积网络框架,应用于多分辨率图像融合。在网络结构方面,首先设计了双通道网络分别提取红外与可见光特征,使算法不受源图像分辨率的限制;其次提出了特征上采样模块,先用双线性插值方法增加像素个数,再通过多层感知器精细化拟合像素平滑空间与高频空间的映射关系,无需重新训练模型即可实现任意尺度的红外图像上采样;接着将线性注意力引入网络,学习特征空间位置间的非线性关系,抑制无关信息并增强网络对全局信息的表达。在损失函数方面,提出了梯度损失,保留红外与可见光图像中绝对值较大的滤波器响应值,并计算该值与重建的融合图像响应值的Frobenius范数,无需理想的融合图像作为真值监督网络学习就能生成融合图像;此外,在梯度损失、像素损失的共同作用下对多任务模型进行优化,可以同时重建融合图像和高分辨率红外图像...     

红外凝视传感器定量仿真及模型验证

针对新一代红外凝视成像传感器,依据红外辐射能量传递和转换的物理过程,完成了对传感器各组成单元的物理效应建模.不同于以往成像模型的定性仿真,该模型实现了对系统各模块成像特性的定量描述,综合考虑了传感器的信号传递特性、空间传递特性、空间采样特性和时空噪音特性,构建了较为完善的高仿真度红外成像仿真模型.为验证仿真模型的有效性...     

频域稀疏采样和激光成像方法

激光的单色性和自然图像频谱稀疏且集中在低频区间的特点,使图像频谱稀疏采样成像成为可能.基于小规模激光探测器,引入参考激光,本文提出了频域稀疏采样激光成像方法.介绍了频域稀疏采样激光成像的原理和成像系统结构,推导了激光回波重构复频谱的表达式,给出了重构频谱和复图像的仿真结果并分析了信号参数对重构效果的影响,同时采用相干系数、均方误差和结构相似度来评价其重构效果.规模为256×256的激光回波复图像仿真表明, 5个拼接1/4×1/4规模频域探测器组成的近似十字型稀疏采样结构,在约31.25%(5/16)的频域稀疏采样条件下,仍可获得较好的重构频谱和重构复图像.     

30.4nm极紫外成像探测器的实验研究

报导了最新研制的30.4 nm极紫外成像探测器的实验研究结果.该探测器采用了楔条形阳极(WSA)、高增益v型级联微通道板组件、低噪声电子读出系统等先进技术,利用单光子计数成像技术在实验审成功获得了模拟图像.搭建了相应的实验系统,对探测器成像的线性度、空间分辨率、暗计数等性能进行了实验研究.结果表明,该探测器具有φ45 nm的有效面积,空间分辨率优于100μm,暗计数率低[0.4 count/(cm2·s]、成像线性度好、结构简单等优点.     

基于矩的不同地面分辨率红外图像的不变量分析

为了进一步提高匹配制导精度[5],从红外成像的基本原理出发,讨论了由于红外探测器在与目标不同距离上摄取的实时红外图像的地面分辨率的不同对统计不变矩特征不变性的影响,从理论上推导出了不同地面分辨率图像的6维不变矩特征向量,以及不变矩特征匹配制导中实时图像采集过程中弹目距离需要满足的关系,仿真实验部分验证了方法的正确性和可行性。     

基于多尺度分析和加权最小二乘法的非制冷红外条纹噪声校正算法

为了提高红外成像质量的同时更大程度地保持纹理信息,提出一种多尺度分析和加权最小二乘法的条纹噪声非均匀性校正算法.该算法利用加权最小二乘法对图像进行平滑,应用小波变换提取平滑图像的垂直分量,并将其垂直分量替换为原始图像的垂直分量,利用小波重构输出校正后的图像.算法能够精准地去除红外噪声,而不会带来更加麻烦的"鬼影"问题.用该算法对多组不同红外图像数据进行仿真实验,并与其他先进的红外条纹非均匀校正算法进行对比分析,结果表明所提算法校正结果有较好的视觉效果和图像质量评估参数.     

电厂烟囱烟羽截面断层重建研究

针对多轴差分吸收光谱仪重建图像的时间分辨率较低的问题,将成像差分吸收光谱仪技术与非负最小二乘法相结合,提出了一种新的重建二氧化硫(SO2)气体的空间二维分布的方法。采用Savitzky-Golay滤波器对采样得到的柱浓度数据进行预处理,使用顺序坐标法进行重建,并利用克里金插值平滑重建图像。数值仿真结果表明,重建图像的接近度最低可达0.11。实验结果表明,所提方法从采集数据到完成图像重建的时间为52.37s,适用于捕捉烟羽截面的瞬态浓度,可实时重建SO_2分布。     

近高超声速高温蓝宝石窗口下中波红外成像退化分析仿真与性能测试实验

本文基于高温红外窗口热辐射红外成像探测器干扰机理,开展高温红外窗口成像分析、仿真与实验验证研究工作. 根据流体仿真计算获得的高温窗口温度及实验测得的窗口发射率、吸收率等参数,开展窗口热辐射计算;建立了光学窗口介质内部辐射传输路径和强度计算模型,并给出了窗口辐射出射模型以及相应红外成像模型;基于光学追迹方法,把窗口热辐射成像的计算问题转换成了光学计算问题;设计了一种基于高温蓝宝石红外窗口的加热实验,对红外成像仿真结果进行了检验. 通过仿真结果与窗口加热实验结果对照,将基于模型分析获取图像与实验结果图像作差,得到的平均每个像素误差值为0.45;实验发现在窗口约773 K条件下,设计的中波红外成像系统的信噪比、对比度分别降低到原来三分之一左右,而整个红外成像系统NETD值由原来的约52 mK上升到了954 mK. 本文提出的窗口热辐射分析方法可以有效估计窗口热辐射对中波红外成像的影响,设计的实验对成像系统的指标验证有较好的用途,同时对红外成像系统波段细化优选和成像参数调整,降低图像退化程度,都有着重要的指导意义. 关键词： 近高超声速 高温蓝宝石窗口 气动效应 仿真与实验     

Assessment of the Performance of Staring Infrared Imaging Array Based on Microscanning Modes

Staring infrared detector arrays, which sample a scene with pixels of finite size, generate images that are affected by aliasing and blurring caused by the sampling process. One potential method to reduce the effects of sampling is microscanning. In this paper, the sampling-averaging modulation transfer function at half the detector spatial cutoff frequency is introduced to be as a figure of merit to quantitatively assess microscanning image quality for selected cases of fill factor. Analytical results show that microscanning process can significantly reduce aliasing in the reconstructed image, and that the improvement of different modes of microscanning process to the reconstructed image quality is different, which is closely associated with fill factor. The microscan sampling and restoration imagery are also simulated with pixel interpolation method to qualitatively verify the reduction in aliasing with respect to typical microscanning mode (2×2, 3×3, 4×4 microscan) for the detector array of 100% and 50% fill factor respectively. And, the determining method of the optimum step number of microscanning needed is discussed for the staring imaging array with certain fill factor.     

基于分块平滑投影二次重构算法的单像素成像系统

单像素成像系统是通过无空间分辨能力的单像元探测器来获取目标二维分布信息的计算光学成像技术,与传统直接成像技术相比具有高能量收集效率、高灵敏度等一系列优点,在高能物理诊断技术领域有着广阔的应用前景。针对实际单像素压缩感知成像系统在复杂诊断环境中存在的重建噪声较大的问题,提出并实现了基于分块平滑投影Landweber二次重构算法的单像素成像系统。根据算法观测矩阵分布特性以及数字微镜硬件输入要求实现了实际投影观测矩阵的变换,利用二次重构算法实现了单像素诊断的仿真分析与实验测试。仿真结果表明,在采样率为20%～30%的条件下,重建图像峰值信噪比大于20 dB,结构相似性高于0.8。进一步搭建单像素成像平台完成实验研究及验证,实验结果表明,利用二次重构算法模型对目标场景进行恢复的效果优于其余两种传统算法。二次重构单像素成像系统在采样率仅为20%的条件下能够重建出清晰的原始图像,具有较好的噪声抑制特性。     

卫星振动频率和振幅对高光谱成像质量影响的仿真分析和实验研究

在星载推扫式高光谱成像仪成像过程中,卫星平台以振动为典型形式的姿态运动会导致探测器上不同的地物信息相互混叠,引起高光谱图像质量的退化。为了更有效地抑制、校正与补偿卫星振动引入的成像误差,针对典型色散型推扫成像光谱仪受平台振动而产生的空间维、光谱维质量退化的机理进行仿真分析和实验研究。通过分析其曝光时间内的光谱混合过程,得到了地物光谱和卫星姿态之间的关系,建立了推扫光谱成像退化模型。该模型综合考虑了不同姿态振动模式的影响,只要给出每个时刻的卫星平台姿态参数,即可通过普适的系数矩阵计算得出每个混合像元的平均混合比,进而获得仿真的退化高光谱数据立方体。详细推导了平均混合比的一般表达形式,对振幅、频率等振动参数对光谱混合的影响分别进行了定量分析。以实际运动状态下拍摄获得的高光谱数据立方体为例,进行了退化仿真和地面模拟运动退化实验,并对退化前后的高光谱数据进行了评价。结果表明,退化仿真和实际退化效果吻合,平均混合比能够直接反映高光谱图像退化的程度;卫星振动造成高光谱图像空间维质量恶化,使不同地物目标的光谱发生了混叠;高光谱数据的退化程度主要由振幅决定,振动频率对退化的影响较小。     

Imaging a periodic moving/state-changed object with Hadamard-based computational ghost imaging

We propose a method for imaging a periodic moving/state-changed object based on computational ghost imaging with Hadamard speckle patterns and a slow bucket detector, named as PO-HCGI. In the scheme, speckle patterns are produced from a part of each row of a Hadamard matrix. Then, in each cycle, multiple speckle patterns are projected onto the periodic moving/state-changed object, and a bucket detector with a slow sampling rate records the total intensities reflected from the object as one measurement. With a series of measurements, the frames of the moving/state-changed object can be obtained directly by the second-order correlation function based on the Hadamard matrix and the corresponding bucket detector measurement results. The experimental and simulation results demonstrate the validity of the PO-HCGI. To the best of our knowledge, PO-HCGI is the first scheme that can image a fast periodic moving/state-changed object by computational ghost imaging with a slow bucket detector.     

光电成象系统中的积分抽样效应

光电成象系统涉及空间和时间上的积分和抽样.本文从理论上研究了光电成象系统中的抽样的空间积分效应和前置光学滤波的影响.结果发现前置光学滤波可以等效为抽样象元的空间积分抽样效应.这一原理对设计光电成象系统具有指导意义.利用这一原理也可以改善光电成象系统获取图象的质量.     

超连续谱激光干扰多色CCD探测器建模仿真研究

结合超连续谱激光器光谱辐射特性及多色CCD信号传递转换机理,建立了激光干扰多色CCD成像仿真模型。依据多色CCD工作原理,理论分析了饱和串扰信号转移规律;根据多色CCD结构,借助光学专业设计软件实现CCD像面激光能量空间分布特性研究;综合考虑饱和串扰信号转移规律及CCD像面激光能量空间分布,建立了超连续谱激光干扰单色CCD饱和串扰效应仿真模型,在此基础上结合多色CCD成像多色可视化原理,实现超连续激光干扰多色CCD输出图像仿真。最后,引入图像质量评价因子,研究了不同激光能量对多色CCD输出图像质量的影响。实验结果表明:激光功率密度是激光干扰效果的重要影响因子,随着激光能量增大,多色CCD输出图像质量下降。     

空间采样傅里叶变换光谱仪光谱反演研究

根据相似性准则,对采集到的干涉图像进行干涉图元的拆分,通过寻址定位,得到与离散光程差序列相匹配的采样干涉图序列。采用过零采样方式,对大单边干涉图序列与小双边干涉图序列利用不同的窗函数进行切趾。为了校正相位误差,结合所研究采样干涉图的特点,对频域光谱乘积校正和空域干涉图卷积校正进行了研究和改进,获得了比较理想的光谱线形,其中空域干涉图卷积校正后的光谱偏差仅为0.012088,具有最好的校正效果。     

塑料闪烁光纤阵列成像探测器在高能X射线辐照下的串扰分析

采用蒙特卡罗方法对闪烁光纤阵列探测器在高能X射线入射下的串扰进行了模拟研究,并且分析比较了加铅层对串扰的影响.研究中采用对表征成像系统空间分辨率参量——调制传递函数进行模拟分析和比较,得到在光纤阵列之间加入不同铅层厚度后对系统调制传递函数参量曲线的影响.研究结果表明:在高能射线下,采用闪烁光纤阵列作为成像探测器存在严重的次级粒子相互串扰的现象,而在阵列之间加入铅介质能够减少这种效应;但另一方面,若所加铅层太厚又会导致成像探测器像素过大而使得空间分辨率下降.通过模拟计算得出:只要在阵列之间加入适当厚度的铅介质,既可以有效抑止阵列之间次级粒子的串扰,同时又能提高闪烁光纤阵列探测器系统的空间分辨率.