光子计数成像系统的自适应累积时间扫描方法

得益于单光子探测器的超高灵敏度,光子计数成像系统近年来成为极弱光探测成像领域的研究热点.基于单点扫描的光子计数成像系统,以光子累积的方式获取大量返回光子事件后重建目标图像.然而,单像素探测时间固定导致的光子事件累积冗余或累积不足的问题,限制了系统的成像效率.本文提出了一种基于自动选取单像素最佳累积时间的时间自适应扫描方法,并分别进行了单点测距和扫描成像实验.结果表明,本文提出的方法在重建质量接近的深度图像(64×88)时的数据总获取时间相比单像素固定累积时间的扫描方法降低了一个数量级,极大地提高了扫描数据获取的效率,为光子计数成像系统快速成像提供了新思路.     

基于锁相光子计数测量的单像素空间频率域成像系统

基于锁相光子计数技术,提出一种多波长并行检测的单像素空间频率域成像(SFDI)系统。以一个数字微镜器(DMD)为待测多波长漫反射光的调制光源,以另一个DMD为漫反射光采集、编码与会聚设备,使得会聚后的漫反射光通过锁相光子计数技术实现不同波长的解调分离,同时降低了系统成本。引入压缩感知图像恢复理论,有效缩短了多次空间编码引起的单像素成像时间。实验结果表明,所提SFDI系统只需要进行像素总数20%左右的编码,即可准确重构多波长下仿体表面漫反射光图像。     

基于成像光通信的时间-空间扩频混合光码分多址编码方案

为了在成像光通信中充分利用时间和空间两种频带资源,以成像光通信为基础,提出一种利用二维光正交Pattern码结合时域扩频实现光码分多址(OCDMA)编码的新方案。分析在该方案中存在的多址干扰噪声,并给出了噪声的概率密度函数,然后讨论由多址噪声引起的误码率与判决门限、用户数、码长积和码重积之间的关系。在相同的码容量下与时域扩频光码分多址编码和空间扩频光码分多址编码方案相比,该方案能降低对相关器件性能(时域码片数量和空间像素规模)的要求,而且还可获得更小的误码率。最后给出编码解码的光学实现方案。     

彩色单像素相机实验研究

近年来频谱重建的单像素成像技术的独特性质得到人们的普遍关注,它不仅提出一种新的成像方式,而且揭示了物体空域信息与频域信息的逆傅里叶变换关系,为了在实验教学中研究这个问题,本文在理论和实验上研究了单像素彩色成像问题。首先,分析了单像素成像的物理基础:频谱重构;接着,考虑了环境电磁辐射、探测器位置和探测器有限面积等因素后,建立了单像素探测辐射度量公式;然后,依据三步相移法导出了频谱重建公式,提出单像素彩色成像的三种实现方案,并比较了它们的优点和缺点;最后在实验上建立了彩色单像素成像装置,并采用分色照明结合分时探测的方法,实现了单像素彩色成像。本研究在物理实验教学上展示了一种新的成像原理:频谱重构结合逆傅里叶变换成像;在技术上提供了实现单像素彩色成像的一种低成本实验方案,让学生在成像过程中实时理解物体空域信息与频域信息的对应关系,并定量研究不同频谱范围对成像质量、不同探测器位置对成像效果的影响。     

基于光子计数激光雷达的自适应门控抑噪及三维重建算法

光子计数激光雷达技术具有极高的探测灵敏度与时间分辨率,是极端条件下高精度目标信息获取的重要手段.由于该技术通过探测单光子级的回波能量实现对目标信息的三维重建,因此极易受噪声干扰,导致成像质量严重降低.基于高速电子门控的距离选通技术虽然可以有效抑制噪声,但存在参数设计依靠经验、目标检测区间窄等问题.本文提出一种在宽目标检测区间条件下的目标信息提取及三维重建方法,首先通过对三维回波信息的获取机理及其概率模型进行分析,获取目标信息分布范围并通过算法门控提取有效信息;再采用高效的图像重建算法进一步提升三维重建的质量,从而具有比基于纯硬件的去噪方法更强的抑噪能力.实验结果显示,在平均像素光子数仅为3.020,且信号噪声比仅为0.106的极端条件下,本文提出的目标信息提取方法可将信号噪声比提升19.330倍;再配合高效的图像重建算法,距离图像的重建信噪比相比于传统的互相关算法提升了33.520 d B,大幅提升了强噪声环境下高精度目标信息获取的能力.     

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。     

空变环形编码孔成像模拟与图像复原

环形编码孔成像技术具有高的探测效率和信噪比,是一种解决低强度脉冲辐射源成像较好的技术。基于该技术,利用Geant4建立环形编码孔中子成像的模拟过程,获取6个不同位置的点扩散函数(PSF)和编码图像。根据空间移变图像分块原理,将图像分成矩形和圆形分块,每一块图像用RL迭代法复原,去除边界明显畸变的像素,这些像素强度由相邻的图像块像素到边界距离的加权系数叠加而成。模拟结果表明,该方法提高了图像复原效果,能够更好地诊断射线区域的空间分布情况。     

水下运动目标激光扫描测距方法研究

相对于传统水下光电成像,水下激光扫描成像系统可以获得更远的作用距离和更好的图像质量.基于激光同步扫描技术,提出了水下运动目标的测距方法,并对测距误差进行了定量分析,为水下目标测距提供了一个新的途径.其中单探测头水下激光扫描测距方法能对合作目标进行测距,在近距离时具有较高的测距精度,双探测头水下激光扫描测距方法能对非合作...     

基于单光子雪崩二极管阵列的成像技术研究进展（特邀）

单光子雪崩二极管以其极高的光子灵敏度以及超快的响应时间在各领域被广泛应用。随着半导体技术的发展,集成多个像素以及时间测量电路的单光子雪崩二极管阵列逐渐普及。成像是一种以光子作为媒介获取目标物体信息的手段,基于单光子雪崩二极管的成像系统可以利用更丰富的光子计数以及光子时间信息实现极端环境下的目标探测。单光子雪崩二极管阵列具备并行采集光子信息的能力,进一步提高了光子信息的探测效率,能够替代传统单光子成像中单点探测器加扫描结构的探测体系,推动生物显微成像、散射成像以及非视域成像等技术的进步。本文梳理了单光子雪崩二极管阵列的发展历程以及技术趋势,按照是否需要光子时间信息分类介绍了单光子雪崩二极管阵列在成像方面的典型应用,结合应用分析了单光子雪崩二极管阵列相比于其他探测器的优势,对单光子雪崩二极管阵列的应用前景进行了展望。     

基于光参量变频与放大的高灵敏红外成像技术

针对可用于微弱红外图像探测的光学参量变频与增强技术,进行了仿真与实验探索.针对高增益光参量放大器(OPA)过程中的参量荧光背景噪声,提出了基于外接圆模型的空间滤波技术,通过仿真优化设计,利用空域、频域滤波与像传递系统相结合的方法,将参量荧光背景的抑制比例超过70%,其增强后的成像质量较之前有明显改善,峰值信噪比提升22%.基于10 Hz,355 nm的大能量皮秒紫外抽运激光,实现了红外波段到可见光波段的参量频率上转换,得到了超过1.3×108(82 d B)的光学图像增益.实验结果表明,采用高增益OPA作为光学预放大级之后,常规非制冷电荷耦合器件可实现微弱红外成像的有效探测,灵敏度可达每像素7.4个光子.该方案有望用于单光子级高灵敏红外成像场合.     

利用帧积分法去除微光图像噪声研究

在微光成像中，迭加在图像上的时空域噪声，不仅限制了系统可工作的最低照度，而且使显示图像具有随机蠕动颗粒闪烁的外观。图像处理技术能够提高图像质量，增强微光成像系统作用距离。实验证明，帧积分法对光子噪声以及系统内部信息载流子产生与复合所引起的散粒噪声的抑制有十分有效的作用。     

平动小目标光子探测回波特性及测距误差研究

针对远距离运动目标的光子测距问题,建立了运动目标的光子探测回波概率分布模型,给出了适用于任意目标的光子探测蒙特卡洛模型.通过实验对比,验证了蒙特卡洛仿真模型的正确性.进一步分析了一个探测周期内的平动小矩形目标激光回波和光子回波概率分布变化规律,讨论了光子测距误差与目标平动速度间的关系.结果表明:光斑直径为2.5 m、目标尺度为1 m时,距离漂移在速度为25 m/s取到极大值6.72 cm,是扩展目标距离漂移的1/2倍;随着平动速度的增加,以出光斑为界,距离漂移先增大后保持稳定不变.本文提出的方法可进一步扩展到其他形状、材质、姿态、运动目标的光子探测,研究结果为运动目标的光子测距的校正和性能的提升提供了理论依据.     

基于探测器模型的MPPC标定方法

探测器的光子数分辨能力是精确描述多光子态的突破口,近年来受到广泛的关注。光子数可分辨探测器有望被进一步应用于量子光学基础研究、量子成像、量子计算、量子通讯以及远距离激光测距等领域。基于空间复用原理的多像素光子计数器具有常温下稳定高效的光子数可分辨探测能力,加上尺寸和成本上的优势使得它成为光子数可分辨探测应用的首选。针对多像素光子计数器,我们通过建模给出了能描述探测器量子特性的标准矫正方法,系统地考虑了探测器量子效率、噪声、各像素点感光面的光子入射效率对量子特性的影响,给出了不同光子数态的正定算子估值测量和魏格纳函数。     

基于Walsh-Hadamard变换的单像素遥感成像

本文提出了基于Walsh-Hadamard变换的单像素成像方案, 并从理论分析、模拟仿真和实验验证三方面分别验证了该方案的可行性. 实验上实现了350-900 nm波段对 距离500 m和5000 m自然目标的128×128 像素成像, 成像速度0.5帧/秒. 研究并讨论了单像素相机方案与计算量子成像方案的差异与共性, 在此基础上分析了基于Walsh-Hadamard变换的单像素成像方案的优势与局限性. 研究表明本方案同时适用于单像素相机和计算量子成像. 由于单像素成像适用于应用在如红外热成像、微波成像等波段, 因此在阵列探测器灵敏度或工艺达不到要求时存在优势. 本文所提出的方案使得单像素成像技术向实际应用迈进了一步.     

空间目标共视观测定位的误差分析

合成孔径激光雷达具有成像分辨率与探测距离无关的特点。与微波相比,激光波长至少小3个数量级,因此能实现更高分辨率的成像,但是波长更短时成像更容易受系统自身引入的相位误差的影响,从而导致成像模糊。为了消除该误差对成像的影响,提出采用光学锁相环(OPLL)技术抑制编码合成孔径激光雷达的系统随机相位噪声。在发射端,激光信号经编码信号驱动的电光调制器调制后用于探测目标;在接收端,对接收到的回波信号与本振光进行正交解调。所提出的基于OPLL的编码合成孔径激光雷达工作在1550 nm波段,调制带宽为1.25 GHz,脉冲重复频率最高可达1.2 MHz/s。实验结果表明,在没有OPLL时,系统随机相位波动大于100 rad,采用OPLL后,系统内部相位稳定度优于0.1 rad,大幅度提高了系统自身的相位稳定度和方位向合成成像精度。     

偏振二向反射分布函数测量误差分析

针对遥感偏振探测过程中获取的偏振信息与目标真实偏振信息存在差异的问题,探讨了遥感偏振成像系统的3类系统误差源对偏振二向反射分布函数、偏振度和偏振相角测量精度的影响,建立了遥感偏振探测误差分析模型。分析了起偏器角度定位误差对斯托克斯参量测量的影响,通过数值模拟研究了起偏器角度定位对偏振探测精度的影响;依据遥感偏振探测的地物空间间隔和成像CCD分辨率分析了空间视场重合误差对偏振二向分布函数分量的影响;分析了成像系统的光子噪声等固有系统误差对偏振探测结果的影响;根据误差的传递原则对3类误差源导致的测量误差进行了合成,进一步推导出线偏振度和偏振相角总误差模型。实验分析表明,该遥感偏振探测误差模型能真实反映偏振探测系统误差源对偏振二向反射分布函数测量精度的影响。     

基于共聚焦亚像素扫描的高分辨三维成像

激光雷达技术因具有高精度、高分辨率和工作距离远等优点被广泛应用于三维成像。然而，受光学系统衍射极限的限制，激光雷达的空间分辨率随着目标距离的增大而显著降低。为解决上述问题，结合共聚焦照明技术和亚像素扫描技术，提出一种聚焦照明亚像素扫描光子计数激光雷达，并在实验室内进行了10 m成像实验。结果表明，相较于准直照明光束，采用共聚焦照明光束可将系统空间分辨率由5.0 mm提高到0.9 mm，不仅实现了超光学系统衍射极限成像，还有效降低了多重回波的影响，增强了回波强度。     

光子成像静止点目标的管道滤波探测方法

构建了具有单光子成像能力的光子成像系统,提出应用管道滤波方法实现对光子受限静止点目标的探测。分析了光子图像静止点目标与点状噪声特征,根据静止点目标在序列图像中位置的确定性以及噪声点的不相关性,研究了基于管道滤波的光子成像静止点目标探测方法。为降低目标探测的虚警概率,优化了管道滤波直径。以实验采集得到的多组光子图像序列为样本,获得了探测概率、虚警概率与信号光子数、噪声光子数、管道长度以及检测阈值的关系。检测结果显示,对信号与噪声的平均发生率为0.4和5.215的序列图像,当管道长度为9、检测阈值为2时,探测概率达0.9以上且虚警概率〈0.08。对比多组图像序列的检测结果表明,影响探测概率的主要参数是信号光子数,而影响虚警概率的主要参数是噪声光子数。     

空间X射线通信链路建模与功率分析

从空间X射线通信传输理论出发,首先对X射线通信的功率传输过程进行研究,以加性高斯白噪声信道模型与自由空间损耗为基础,分析了深空X射线通信的信道特征及功率传输过程、推导了功率传输方程,建立了通信链路模型;其次,分析了深空X射线通信系统的误差来源,建立了基于单光子探测器的噪声模型,并给出了主要噪声来源的数学表达式,从而确定了通信核心参数通信距离、通信速率、误码率与信号功率之间的关系;最后,对不同阳极高压与不同调制方式下探测器端信号光子数进行实验监测,对功率传输方程及误差模型进行验证.实验结果表明,所给出的功率传输方程与误差模型可以对空间X射线通信过程进行较好地解释.根据此模型,计算了在满足一定的误码率和传输距离要求时对X射线源出射功率的要求,为空间X射线通信研究建立了理论基础,为核心元器件的研究指明了下一步的方向,同时有望对空间X射线通信的工程化提供一定的参考.     

光源相位噪声对高斯玻色采样的影响

高斯玻色采样是实现量子计算优势的主要途径之一,同时也有望应用于加速稠密子图、量子化学等问题.然而,实验中必不可少的噪声却可能阻碍高斯玻色采样的量子优势.此前的研究主要关注于光子损失和光子非全同噪声.本文通过数值模拟研究了另一种噪声——光源相位噪声对高斯玻色采样的影响.采用蒙特卡罗方法近似计算相位噪声下高斯玻色采样的输出概率分布,发现随着探测光子数的增加,相位噪声带来的误差逐渐加大.同时,相位噪声会导致采样出大概率样本的能力,即HOG (heavy output generation)值显著降低.最后发现,在输入平均光子数相同时,有光子损失的高斯玻色采样相比无损失情形对于相位噪声有更大的容忍性.本文的研究有助于大规模高斯玻色采样中更好地抑制相位噪声.