单像素探测频谱重构成像理论分析

迄今为止,基于频谱重建的单像素探测成像技术没有提供一个比较全面的理论基础,因此,本文对此成像技术进行了比较详细的理论分析.分析了若干因素对成像重建的影响,包括对来自成像物体散射光的直接探测,或间接探测即物体的散射光顺次经过多个漫射面漫射后由探测器探测;多通道探测即物体的散射光分别沿几个不同路径、各自经几个漫射面顺次漫反射后由探测器探测;探测器尺寸和位置.理论分析结果表明,无论是直接探测还是间接探测,无论是单通道探测还是多通道探测,只要能接收物体的散射光,就能够重构成像;探测器面积对成像重建的影响相当于位于不同位置的多个点探测器探测重建像的叠加.为了加快成像重建速度,导出了三步相移频谱重建公式.对表面光强反射率均匀的物体,采用三步相移技术,给出了成像重建结果.     

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.     

单像素压缩成像高质量图像重建特征函数

通过测量矩阵获取Gram矩阵,梳理了Gram矩阵与系统点扩散函数的关系,进而基于点扩散函数提出最强旁瓣峰值大小、叠加旁瓣峰值大小、空间距离和频谱余弦相似度4个特征参量。在此基础上,构建了一种单像素压缩成像高质量图像重建的特征函数,建立了可重建的目标稀疏度与特征函数的关系,并通过数值模拟和实验验证了所提特征函数的有效性,该工作对于单像素成像系统测量矩阵的优化设计具有重要借鉴意义。     

基于单片有源像素传感器的探测模块测试研究

硅像素探测器因具有优异的空间分辨率、极高的耐计数能力和较低的功耗等优点,近年来已被广泛应用于高能对撞机实验的顶点探测器和内径迹探测器.基于MIMOSA28芯片的硅像素探测器研究是北京谱仪Ⅲ漂移室内室的升级预研方案之一,该方案计划建造一个漂移室内室1/10规模的模型.探测模块是该模型的基本探测单元.为了对探测模块的性能进...     

激光单分子探测的实验研究

单分子探测技术是一项超高灵敏度的探测技术，在生物、医学和环境等领域有着广泛的应用。在这里，本文简要介绍了基于激光诱发荧光方法的单分子探测谱仪的原理和装置，以及用ＣＣ５染料分子在该探测谱仪上进行的若干实验研究结果，包括样品流速的影响、能量特性、浓度线性、检测限等方面，并讨论了光漂白现象对实验结果的影响。     

瓷砖划痕的单像素检测实验

为了检测瓷砖表面划痕,设计了使用单像素探测器的实验.实验采用特别的照度设计实现瓷砖表面面向探测器的辐射通量分布均匀化,实现均匀的检测灵敏度,并把划痕引起反射率分布异常转化为反射率累积异常(或者总辐射通量异常).研究了4种不同类型合格瓷砖各自的总辐射通量和划痕引起的总辐射通量异常,结果显示划痕导致总辐射通量的明显改变,证...     

自适应斜Z字形采样Hadamard单像素成像

单像素成像技术在成像速度和质量上已经取得一定的进展,然而,如何在保证成像质量的前提下提升成像速度仍然是一个待解决的问题.对Hadamard系数矩阵中每条斜列上的系数绝对值求取平均值后,发现其具有迅速减小的特征,基于此发现提出了一种自适应斜Z字形采样方法,以实现预期的成像质量和速度提升.实验结果表明,该方法可以有效减少采...     

基于CdZnTe像素阵列探测技术的伽玛源成像

根据高能射线针孔成像理论,采用CdZnTe像素阵列探测器建立了直接成像探测模式的伽玛源针孔探测系统。测试分析了CdZnTe像素阵列探测器的能量分辨力及峰值效率,讨论研究了针孔成像探测系统的调制传递函数和附加噪声特性,测试获得直径5mm137Cs源的探测图像,采用Lucy-Richardson迭代算法得到了137Cs源的复原图像。实验结果表明:CdZnTe探测器对662keV137Cs源的能量分辨力为6.25%～7.50%,峰值效率65.0%～72.5%;成像系统探测图像存在一定扩散现象,所采用的Lucy-Richardson迭代复原算法能较好地修正图像扩散,提高探测图像中心区域细节分辨力;估算所得137Cs源尺寸误差约0.5mm,所建立的CdZnTe针孔成像探测系统能有效得到小尺寸伽玛源的辐照强度分布及尺寸信息。     

基于CdZnTe像素阵列探测技术的伽玛源成像

根据高能射线针孔成像理论,采用CdZnTe像素阵列探测器建立了直接成像探测模式的伽玛源针孔探测系统。测试分析了CdZnTe像素阵列探测器的能量分辨力及峰值效率,讨论研究了针孔成像探测系统的调制传递函数和附加噪声特性,测试获得直径5 mm137Cs源的探测图像,采用Lucy-Richardson迭代算法得到了137Cs源的复原图像。实验结果表明:CdZnTe探测器对662 keV137Cs源的能量分辨力为6.25%～7.50%,峰值效率65.0%～72.5%;成像系统探测图像存在一定扩散现象,所采用的Lucy-Richardson迭代复原算法能较好地修正图像扩散,提高探测图像中心区域细节分辨力;估算所得137Cs源尺寸误差约0.5 mm,所建立的CdZnTe针孔成像探测系统能有效得到小尺寸伽玛源的辐照强度分布及尺寸信息。     

一种双层散射介质中间目标单像素成像系统研究

在对散射介质散射特性进行分析的基础上,提出了一种对散射介质中物体进行单像素成像的方法,基于数字微镜阵列和单点探测器,设计并搭建了相应的单像素成像系统。通过对数字微镜阵列加载一系列具有不同相位的条纹图案,采集对应的光强信息,结合图像恢复算法,实现了对位于散射介质中的物体成像。为了去除噪声,分析了噪声的来源,设计了滤波器对所拍摄的物体图像进行滤波处理,图像质量得到了显著提高。与传统散射介质成像系统相比,该系统结构简单,无需复杂的标定过程,在多个领域具有应用前景。     

星载的单像素运动成像影响分析与补偿

单像素成像具有高灵敏度,抗干扰等特点,但得到一张高质量图像需要多次采样,因而在卫星对地观测应用时,由于卫星姿态变化使得指向抖动从而造成参考光场与探测器信号之间关联性丢失,使得重构出的图像质量严重退化。针对这一问题,本文设计一种光场追踪补偿方案以补偿卫星姿态对成像带来的影响,结合卫星工具包生成卫星数据分别进行滚动角,俯仰角的运动补偿验证和偏航角的运动补偿验证。结果表明进行滚动角和俯仰角运动补偿后成像的峰值信噪比提升28.8 dB,进行偏航角运动补偿后成像的峰值信噪比提升7.25 dB,同时考虑滚动角,俯仰角和偏航角对典型场景进行运动补偿后的成像结果峰值信噪比提升至少4.7 dB,仿真结果证明了补偿方案有效提高了成像质量,为星载单像素成像提供了一条有效技术途径。     

不同正交变换深度Q网络单像素成像性能比较

为指导和完善深度Q网络单像素成像,对不同正交变换深度Q网络单像素成像性能进行比较分析.提出了基于深度Q网络的离散余弦变换单像素成像和Krawtchouk矩变换单像素成像.采用结构相似度和峰值信噪比作为图像质量评价标准,以人为规划方法作为对照,定量分析四种基于正交变换的深度Q网络单像素成像的重建结果.仿真和实验结果表明,...     

基于Hadamard矩阵优化排序的快速单像素成像

为提升单像素成像速度,提出了基于Hadamard矩阵优化排序的压缩采样解决方案.利用数值仿真和室外实验对提出的5种排序方法进行了对比分析.研究结果表明:按Haar小波变换系数绝对值排序时单像素成像效果最优,排序对应到Walsh序后可利用快速变换重建图像,速度达300帧/秒@64×64像素;最优排序下,采样率25%仍可重建图像,采样速度可提升4倍.针对排序方法与成像信噪比关系,从关联成像角度给出了其物理解释:测量基矩阵元邻域数值相等的区域面积等效于光场二阶相干面积,当光场二阶相干面积随测量基由大到小排序时成像效果最优.本文研究成果可用于提升单像素成像速度,具有实用价值.     

CdZnTe像素阵列探测器成像评价模型及实验

考虑载流子陷获效应建立了碲锌镉(CdZnTe)像素阵列探测器感应电荷分布模型,并从非平衡载流子连续方程出发,推导了晶体内部陷获载流子数密度分布,得到了CdZnTe探测器成像调制传递函数评价模型。数值计算结果表明：随入射光子能量的增加,探测器成像质量明显下降;当电子载流子与空穴载流子迁移寿命积范围分别为0.510-3 to 5.010-3 cm2/V,2.010-5 to 7.510-5 cm2/V时,电子载流子感应信号是探测器响应信号的主要来源,而空穴迁移寿命积变化对探测器成像性能的影响有限,所建立模型的载流子收集特性与实际探测器载流子收集特性相符。搭建了40 mm40 mm的CdZnTe成像探测系统,探测并获得了系统预采样调制传递函数。实验结果表明:模型理论值与实验数据相符合,实际CdZnTe晶体中存在的固有深能级缺陷、实验所采用的非单色性X射线源及较大的实际像素间隙是造成理论值与实验结果存在一定偏差的主要原因。     

用于电离层探测的单光栅高分辨率成像光谱仪光学系统研究

为完善国内星载电离层成像光谱仪研究,设计了一种适用于120～180 nm波段探测的光学系统.根据探测目标特点,结合国外方案提出了以离轴抛物镜为物镜,超环面光栅为成像光谱系统的方案;为解决传统单光栅结构像差校正不均匀、空间分辨率低等缺点,结合光栅表面方程和光程函数方程进行了理论分析,获得了全波段像差纠正的处理方法;利用M...     

自适应斜Z字形采样Hadamard单像素成像（英文）

单像素成像技术在成像速度和质量上已经取得一定的进展,然而,如何在保证成像质量的前提下提升成像速度仍然是一个待解决的问题。对Hadamard系数矩阵中每条斜列上的系数绝对值求取平均值后,发现其具有迅速减小的特征,基于此发现提出了一种自适应斜Z字形采样方法,以实现预期的成像质量和速度提升。实验结果表明,该方法可以有效减少采样次数与数据采集量,兼顾成像质量的同时提升了成像速度。在相同的采样率下,其成像质量优于顺序采样的单像素成像。