高温下数字图像相关散斑最优成像探究

为了测量材料在高温甚至超高温下的力学性能,采用数字图像相关方法,并研究其在高温下的最优成像。采取不同的散斑制作方法,同时加入不同颜色的高温漆,在不同的温度节点,外加不同光源及相应的滤波片,采集并观察图像是否具有良好的对比度。普通的单色光源在800℃以后会逐渐失效,无法获取图像,而紫外光在1 200℃时依然可以获取较好的图像,且直接利用试件本身颜色作为底色效果更佳。采用紫外光照明可以实现DIC在高温环境下的测量。同时利用黑色或者蓝色散斑直接喷涂在试件上有着最佳的对比度,要优于常规的散斑制作方法。     

剪切光束成像技术对纵深目标的成像

剪切光束成像技术是一种能透过大气湍流对远距离目标实现高分辨率成像的主动成像技术.现有相关研究中所采用的目标均为二维平面目标,然而现实中的目标一般都具有三维形貌,目标纵深对回波信号产生的延迟或对成像质量产生不利影响.从剪切光束成像理论出发,在二维目标成像模型的基础上建立了三维纵深目标成像模型,并利用该模型研究了两剪切光与参考光间的频差及目标纵深对成像的影响.仿真结果表明,随着拍频的增大,重构图像质量逐渐下降.剪切光束成像技术可通过减小拍频来提高真实目标成像质量.     

数字图像相关的噪声导致系统误差及散斑质量评价标准

数字图像相关中散斑质量评价标准应该综合考虑系统误差和随机误差的作用。之前的工作考虑了无图像噪声情况下插值引起的系统误差,本文则进一步研究了有图像噪声情况的系统误差,并与随机误差综合考虑提出了完善的散斑质量评价参数。本文推导了有噪声情况下系统误差的解析形式,揭示了噪声引入系统误差产生的内在本质在于插值引起噪声不确定性对亚像素位置的依赖。依据理论分析,插值噪声耦合函数的概念被引入,它由插值基函数平移平方和的斜率决定,表征了噪声引入系统误差随亚像素位置的变化。插值耦合函数将之前的研究成果纳入统一的理论体系,并从本质上解释了高阶B-样条插值对应的噪声引起系统误差较小的现象。数值模拟与本文的理论分析显示一致,在真实的亚像素平移实验验证中,本文将公式推广到非均匀噪声情况,并与实验结果获得了较好的吻合。基于对系统误差的理论分析,综合考虑系统误差和随机误差影响,提出了两种计算误差评估参数:总误差的最大值和平方平均值,并提出了快速估计算法且通过数值模拟进行了验证。计算误差评估参数实际也是一种散斑质量评价参数,提出的评估参数弥补了现存散斑质量评价参数未足够考虑插值影响的缺陷,是更完善的散斑质量评价标准。本文应用新提出的散斑评价参数对一些常见散斑图进行了评价,并将其用于对模拟散斑图的优化。     

利用数字散斑相关法测定聚酰亚胺/SiO2合成薄膜的力学性能

聚酰亚胺 /SiO2 合成薄膜是一种具有优良力热光电性能的薄膜材料,在MEMS工艺中具有广阔的应用前景,其力学性能测量的研究具有非常重要的意义。本文将数字散斑相关技术和微拉伸试验相结合,对厚度为 37μm的聚酰亚胺(polyimide) /二氧化硅(SiO2 )合成薄膜进行了力学性能测量,获得了比较满意的结果。文章给出了测得的弹性模量和泊松比。为了解决数字散斑相关法不能直接测量较大变形的缺陷,本文提出了多级相关算法,并利用亚像素搜索和双线性插值进行了数据处理。     

Speckle intensity images of target based on Monte Carlo method

Speckle intensity in the detector plane is deduced in the free-space optical system and imaging system based on Van Cittert-Zemike theorem. The speckle intensity images of plane target and conical target are obtained by using the Monte Carlo method and measured experimentally. The results show that when the range extent of target is smaller, the speckle size along the same direction become longer, and the speckle size increase with increasing incident light wavelengths. The speckle size increases and the speckle intensity images of target is closer to the actual object when the aperture scale augments. These findings are useful to access the target information by speckle in laser radar systems.     

Improvement of ultrasound speckle image velocimetry using image enhancement techniques

Ultrasound-based techniques have been developed and widely used in noninvasive measurement of blood velocity. Speckle image velocimetry (SIV), which applies a cross-correlation algorithm to consecutive B-mode images of blood flow has often been employed owing to its better spatial resolution compared with conventional Doppler-based measurement techniques. The SIV technique utilizes speckles backscattered from red blood cell (RBC) aggregates as flow tracers. Hence, the intensity and size of such speckles are highly dependent on hemodynamic conditions. The grayscale intensity of speckle images varies along the radial direction of blood vessels because of the shear rate dependence of RBC aggregation. This inhomogeneous distribution of echo speckles decreases the signal-to-noise ratio (SNR) of a cross-correlation analysis and produces spurious results. In the present study, image-enhancement techniques such as contrast-limited adaptive histogram equalization (CLAHE), min/max technique, and subtraction of background image (SB) method were applied to speckle images to achieve a more accurate SIV measurement. A mechanical sector ultrasound scanner was used to obtain ultrasound speckle images from rat blood under steady and pulsatile flows. The effects of the image-enhancement techniques on SIV analysis were evaluated by comparing image intensities, velocities, and cross-correlation maps. The velocity profiles and wall shear rate (WSR) obtained from RBC suspension images were compared with the analytical solution for validation. In addition, the image-enhancement techniques were applied to in vivo measurement of blood flow in human vein. The experimental results of both in vitro and in vivo SIV measurements show that the intensity gradient in heterogeneous speckles has substantial influence on the cross-correlation analysis. The image-enhancement techniques used in this study can minimize errors encountered in ultrasound SIV measurement in which RBCs are used as flow tracers instead of exogenous contrast agents.     

基于多角度无透镜傅里叶变换数字全息的散斑噪声抑制成像研究

在数字全息成像中,散斑噪声严重影响了再现像的信噪比和成像分辨率,因此为了提高数字全息成像质量,迫切需要抑制再现像的散斑噪声.分析并给出了矩形散射光斑的强度协方差,定量计算了特定实验条件下产生退相关散斑图样的最小角度差.结合透镜的性质设计并搭建了多角度无透镜傅里叶变换数字全息成像系统,利用光纤端面在透镜焦平面的二维机械移动代替传统反射镜的旋转,使照明光束在不改变照明位置和大小的同时,可任意改变光束方向.移动光纤端面使多角度照明满足最小角度差,获取了81幅数字全息图.利用单次快速傅里叶逆变换实现数值再现,对多幅再现像的强度像求平均,实验结果表明散斑对比度降低为单幅再现像的14.6%,使图像信噪比提高了6.9倍.该抑制散斑的多角度数字全息成像方法有效的抑制了散斑噪声,且成像光路结构简单,可操作性强.     

一种抑制合成孔径雷达图像相干斑的各向异性扩散滤波方法

本文提出了一种抑制合成孔径雷达图像乘性相干斑噪声的各向异性扩散滤波新方法.该方法将受自适应耦合函数控制的平均曲率运动嵌入到传统相干斑抑制的各向异性扩散方程中,形成了一种可有效抑制边缘区域相干斑与同质区块效应现象的各向异性扩散新方程,同时在新建的扩散方程中,引入了由改进Frost滤波与局部方向比率联合构建的一种带方向约束的新扩散函数,进一步削弱了块效应现象且明显改善了抑斑图像的边缘抖动扭曲问题.实验结果表明该方法在有效保护图像边缘的同时,能充分平滑同质区与边缘区域的相干斑,明显削弱块效应现象,有效改善抑斑图像边缘抖动扭曲问题,而抑斑图像无论视觉效果还是参数指标均比多种传统抑斑方法更具优势.     

旋转粗糙目标微运动特征识别技术

基于动态散斑技术的微运动特性识别在目标探测领域具有重要的研究价值.以粗糙面散射理论为基础,研究了旋转粗糙凸体目标的动态散斑时间相关函数,给出了旋转圆锥体目标动态散斑时间相关函数.将数值结果与相同条件下实验结果进行比较,验证了圆锥体目标时间相关长度的有效性.利用粒子群算法,反演出旋转圆锥体的旋转角速度和视线角.结果表明,该方法可识别旋转圆锥体范围为20°—90°之间的视线角值和范围为0.5—6 r/min的角速度值,为微运动特征识别提供理论和实验依据.     

水下高斯界面背向散射超声散斑场的相位奇异

为了精确描述超声散斑场的特性,提出了采用计算机模拟产生超声散斑场的方法.利用模拟产生的高斯相关随机表面,获得了这类表面远场超声散斑场,同时得到了声强分布和相位分布.与实验产生的散斑场进行对比,建立了超声散斑场接收的实验系统,取与计算模拟相同的参数,获得了实验散斑场.通过对比发现:计算机模拟产生的超声散斑场相位存在奇异点,奇异点周围相位分布类似漩涡,计算机模拟产生的散斑场与实验得到的散斑场强度分布相似,强度值比实验产生的散斑场强度大,携带有用信息的高亮散斑较多,暗点较少,更利于研究和分析.