随机散斑图正交优化计算鬼成像

为克服随机散斑图照射下统计噪声对计算鬼成像成像质量的影响,提出了随机散斑图正交优化计算鬼成像方法。首先在计算鬼成像的基础上分析随机散斑图对目标物体重构质量的影响;然后结合实对称矩阵性质,通过空间映射矩阵,将原有随机散斑图正交化;再利用重构的正交散斑图对未知物体进行照射并由桶探测器测量,测得的一系列桶探测器值与计算机存储的重构散斑图通过二阶关联运算对目标物体进行重构;最后参考重构散斑图的协方差矩阵特征,对重构结果进行补偿,进一步提升物体重构质量。该方法不仅能有效提升随机散斑图计算鬼成像的成像质量,同时还具有算法结构简单的特点。仿真实验结果表明:相比于传统的随机散斑图照射下的计算鬼成像,该方法能有效地对目标物体进行重建,并表现出良好的性能。     

参考臂差分压缩关联成像方案研究

关联成像可以在不包含物体的参考光路中获得物体的像,提供了一种运用常规手段难以获得清晰图像的方法,现已成为量子光学领域的前沿和热点。然而,高分辨率成像和短成像时间一直是关联成像研究的热门。本文提出一种基于压缩感知的参考臂差分关联成像方案(简称,参考臂差分压缩关联成像),只对参考臂测量值做差分运算,而不对物体做差分运算。在方案中,参考臂多次测量的赝热光源强度的随机分布差分被选为压缩感知的测量矩阵,物臂多次测量的关联信息被选为测量值,利用压缩感知重建方法,高质量地恢复出物体信息。理论研究和数值仿真结果表明,该方案可获得文献[19]差分压缩关联成像方案一样的结果,即无论在成像分辨率还是在成像时间等关键性能上都明显优于常规关联成像方案。      

基于散斑图滤波的差分鬼成像优化算法

针对传统鬼成像重构算法采样次数多、重建图像质 量差的问题,提出了一种基于散斑 图滤波的差分鬼成像优化方法。该方法在差分鬼成像的关联阶段先对随机散斑图进行相应的 滤波处理;再将原始桶探测器值与处理后的散斑图作关联运算,得出降噪处理后的重建鬼像 ,最后通过图像融合的方法补充重建图像的细节信息。数值仿真结果表明,与传统差分鬼成 像相比,在相同采样次数下重建差分图像的峰值信噪比提高了2-4 dB。实验结果表明该 算法能够很好地兼顾采样次数和图像质量间矛盾关系,对低采样次数下的鬼成像也能取得良 好的恢复效果。     

空间编码复用散斑多信息融合关联成像(特邀)

提出空间编码复用散斑技术来实现单个单像素探测器对多个物体信息的同时探测获取。使用空间编码复用散斑对多个物体信息进行照明,使用单像素探测器对回波信号进行探测,利用关联算法获取混叠多物体信息,然后用空间编码信息对随机采样的多个物体信息进行解码,最后采用压缩感知技术对完整的多个物体信息进行复原。使用该技术分别实现了对多空间、多光谱和多偏振信息的同时探测获取,实验结果证实了该技术的有效性,该技术可有效降低系统数据量,提高关联成像系统的成像效能。     

前向调制散斑偏振关联成像技术研究

近年来,关联成像成为光学成像领域的前沿和热点研究之一,它是一种新型的成像技术,具有广泛的应用价值和前景。偏振探测技术可以提升系统探测识别能力,且具有对不同材质物体的分类能力。将关联成像技术与偏振探测技术相结合,固定探测端偏振配置,使用Hadamard模式照明散斑,对照明散斑进行分时偏振调制,搭建了前向调制偏振关联成像系统。利用该系统对含有多材质物体的场景进行了偏振探测成像实验,利用探测信号与照明散斑计算出了场景的强度和偏振信息。使用演化压缩采样复原技术,在不同采样率下对场景信息进行了复原,在12.5%的采样率下获取了场景清晰的强度和偏振信息。     

基于散斑强度涨落调制的微循环激光散斑成像

正激光散斑成像(Laser speckle imaging,简称LSI)是一种全场成像技术,具有非接触测量、分辨率高、成像速度快、成本低等特征,目前主要应用于活体样品血流成像研究、提出了一种基于散斑强度涨落调制效应的激光散斑成像(LSIIFM)技术。成像参量是新引进的调制深度,定义为动态散斑强度与静态散斑强度的比值,其中动态散斑的产生与血液中血红细胞运动引起散射光涨落有关,静态散斑的产生则与血管壁、骨骼等非运动组织所散射的光有关、通过滤波方法,可以将这两种散斑模式的信号分离。从成像机制上看,该技术所采用的成像参量主要取决于血红细胞的浓度,对血流的定向流速不敏感。LSI-IFM技术的成像机制保证了它在血流成像方面的三个特点;第一,使得具有不同血液流速的粗血管和毛细血管能够被同时成像,从而可以实现血流微循环造影。第二,各类光学成像实验中均努力降低包括动物呼吸及抽搐、系统抖动等因素在内的低频噪声对成像质量所产生影响、而在LSI-IFM技术中,已经通过分离动态散斑和静态散斑这一成像环节有效地滤掉这些低频噪声。这也是传统的激光散斑成像技术和此成像技术两者成像系统相同,但成像效果差别巨大的原因。第三,LSI-IFM技术还可以应用于血流微循环的功能成像,例如:实现血氧浓度和血糖含量的测量以及动静脉血管的辨别、应用LSI-IFM技术,不仅获得了具有高分辨率的老鼠、兔子耳部血流分布图像,还完成了血管损伤与修复的监测实验。     

可预置强度关联激光三维成像雷达实验研究

基于低速预先采集并记录调制散斑场、对毛玻璃高速高精度定位寻址的方式,提出一种方法解决了参考臂面阵CCD的图像采集速度对关联成像速度限制的问题。基于该方法搭建了可预置强度关联激光三维成像雷达实验系统。采用每次平移一个系统所决定的散斑大小就能保证两次采样独立的预置运行轨迹方案,以散斑场的相关性系统为评价函数,实验验证了该预置方案准确性高、重复性好。同时,完成了预置速度为2kHz的强度关联激光三维成像演示实验,其成像结果与实时采样速度为100Hz的强度关联激光三维成像结果相当,证明了该技术的有效性。     

基于黑体辐射非相干光的计算鬼成像研究

近年来,鬼成像在远距离成像特别是遥感成像领 域的应用取得重要进展。为了促进日 光鬼成像在此领域的应用,本文研究基于黑体辐射非相干光的计算鬼成像,首先根据黑体辐 射的强度概率密度函数得到描述计算鬼成像质量的衬噪比(contrast-to-noise ratio,RCN) 表达式,接着融合切片采样思想利用计算机生成模拟黑体辐射的随机散斑图,最后利用数字 光投影仪调制产生模拟黑体辐射光源的随机调制光,并以此为光源实验上实现反射式物体的 计算鬼成像,重建得到了不同测量帧数条件下物体的“鬼像”并测量了描述成像质量的衬噪 比。结果一方面表明在随机调 制散斑强度(灰度)平均值约为160时, 成像质量相对较好,另 一方面表明随着测量帧数分别从2000增加到4000 、6000000、12000、20000,图像的衬噪 比从0.879逐渐增大至1.241、1.516、1.755、2.100、2.371,实验结果和理论分析基本一致 。该结果对于以太阳光等近似看成黑体辐射的非相干光为光源的鬼成像在远距离成像等领域 的应用具有重要意义。     

全Stokes偏振关联成像技术研究

近年来,随着关联成像技术的高速发展,已被广泛应用于诸多领域内,并引起了高度关注。偏振探测技术能够区分不同材质物体,可以增强系统的探测识别能力。文中结合偏振探测和关联成像技术的优点,利用Walsh-Hadamard散斑对场景进行照明,并对场景反射光进行分时偏振探测,实现了对场景的全Stokes偏振关联成像。搭建相应的实验系统对多材质物体进行了成像实验,利用不同偏振探测信号与照明散斑计算并获得了物体的Stokes参数图像,实现了对同一场景中的不同材质物体和相同材质不同结构物体的区分。通过演化压缩采样复原技术,在不同采样率下对物体图像进行了复原,结果表明:演化压缩采样复原技术能在较低的采样率下,复原出清晰的场景全偏振信息。     

基于液晶光阀调制的赝热光源制备技术研究

高质量赝热光源的制备是强度关联成像技术中一个非常重要的内容。采用赝热光作为光源是因为一般的热光源相干时间极短,常用的探测器无法响应,且亮度低。利用激光照射旋转的毛玻璃形成的动态散斑作为赝热光源可以解决上述问题,是目前常用的一种方法。提出一种采用液晶光阀(LC-SLM)对激光束进行控制来获得赝热光场的方法。利用该装置产生的赝热光场不仅可以极大程度地模拟真实热光场的热涨落,且光场涨落服从真实热光场所具有的高斯统计分布,更重要的是该系统没有机械转动,光场的时间和空间相干性可以完全分开对待,产生的散斑场结果可以重复,并研究了应用该方法产生的动态散斑场的各种特性。     

运动物体的压缩感知成像

在使用压缩感知成像系统进行成像时,物体的运动会导致获取的物体图像分辨率下降.为了克服运动的干扰需要额外装置获取物体运动的参数,但在很多情况下无法获取物体的运动速度.针对这一问题,提出利用物体运动与散斑运动的相关性,采用散斑运动方式来抵消物体运动从而消除运动造成的分辨率下降.采用压缩感知算法利用多组不同散斑运动补偿情况下的参数获取不同的物体图像,最后利用物体运动和散斑运动的相关性判据参数,最终获得消除运动干扰的物体图像。算法求解中同时考虑了系统点扩散函数的影响,采用解卷积算法获取了消除运动和系统点扩散函数影响的物体图像。最后数字仿真结果证实了所提算法的有效性。     

数字散斑时间序列相关三维面形测量中提高精度的方法

本文提出一种基于数字散斑时间序列相关三维面形测量法中提高测量精度的方法－多相关峰优化法。在数字散斑时间序列相关测量法中,当物体表面存在复杂细微结构时,被物体调制的散斑图中局部区域的散斑子图像会出现明显变形和局部阴影,这时相关曲线会出现多相关峰。由于相关值很低,这些相关峰对应高度都有可能是测量点的高度值。本文用特殊的算法对这些相关峰对应高度值进行辨别,找出最适合的高度值作为测量值,对测量结果进行优化。实验证明该方法对改善因局部区域的散斑子图像的变形和局部阴影影响而导致的测量误差具有非常显著的效果,使得数字散斑时间序列相关三维面形测量法能够用来测量复杂三维物体面形。     

计算光学成像在散射中的应用

自然界中普遍存在光散射现象。如何通过散射介质实现高分辨率成像是光学成像领域亟待解决的重要问题。在早期研究中,多重光散射被认为是雾霾、云层、生物组织等复杂介质成像中的障碍。然而,最近研究表明,散射并不是成像的基本限制:光子在经过多次散射后仍然包含了大量信息。为了深入了解新兴的计算光学成像是如何解决多重光散射问题的,文中主要介绍了波前整形、散斑相关及深度学习等方法在散射成像领域中的研究进展。最新的研究成果表明:波前整形可以实现动态散射介质内部的高分辨率快速聚焦;散斑相关能够利用单帧散斑实现非侵入式成像;基于深度学习的成像技术能恢复出隐藏在光学厚度为13.4的白色聚苯乙烯平板背后的物体。     

基于相关视角多视校正的太赫兹阵列雷达散斑抑制方法

在针对人体安检的站开式太赫兹阵列雷达三维成像中,散斑效应严重影响了对体表隐藏违禁品的检测和识别性能,为此,对全息散斑进行有效抑制有着迫切的需要。利用目标旋转带来的角度自由度,结合目标散射对角度的敏感性,提出了一种基于相关视角多视校正的太赫兹全息雷达散斑抑制方法。在理论上推导了全息雷达散斑强度在相关角度照射下的归一化协方差表达式,给出了相关视角多视处理后的散斑对比度。在实验上利用340 GHz站开式MIMO阵列成像系统的快速成像的优势,对低速旋转目标在相关视角下的单视成像结果进行成像空间旋转校正、目标配准和多视处理。处理后散斑对比度降低至单视散斑的44％,散斑得到了有效抑制,目标轮廓明显,细节更加丰富。该方法能够在不增加系统复杂度的条件下有效抑制散斑噪声,实现图像增强。     

基于散斑相关的宽视场成像技术研究进展（特邀）

散射成像技术因具备透过生物组织等散射介质后清晰成像的能力而受到广泛关注。近年来,基于散斑自相关的成像方法以其非接触、无需先验信息且能够单帧成像的特点得到迅速发展。然而,散斑自相关成像受光学记忆效应的限制。当多个目标之间的距离在记忆效应范围之外时,基于散斑自相关的成像方法会导致目标自相关信息在相关域发生混叠,导致成像严重退化。文中在光学记忆效应及散斑自相关成像基本原理的基础上,首先介绍了基于散斑自相关和与散斑相关成像有关的其他散射成像技术。接着介绍了拓展光学记忆效应的主要技术及相关应用。最后总结了基于散斑相关的宽视场成像技术目前存在的问题,并对未来的发展应用进行了展望。     

基于相关全息原理的散射成像技术及其进展

由于随机散射效应,相干光束经过强散射介质后,出射光场变成光强呈无序分布的散斑场,因此无法直接从出射场获取入射光的信息。然而,在随机散射过程中,出射散斑场仍然携带着入射光场信息。从散斑场中获取原始信息以实现物体的重建是一个备受关注的研究课题。研究人员针对该问题提出了包括散斑相关、传输矩阵、波前调控及时间反演与相位共轭等技术。着重介绍了基于相关全息原理的散射成像技术,主要包括其原理、发展历史以及最新的研究进展,并对该技术的未来发展趋势进行了展望。     

基于椭圆斑点序列图像估测清晰成像的方法

采用透镜成像的单目视觉测量模型进行位移测量时,需要知道清晰成像斑点的中心坐标。当物体发生位移时,为了获取清晰成像斑点,需要调整透镜位置,使其服从透镜成像规律。但是由于透镜制造缺陷,其焦点不是理想的一个点,而是一段小区域,当成像接近清晰时,通过微动调整透镜位置,成像清晰程度基本不变,这就是成像的不敏感区域,又称死区,因此要想获得清晰的透镜成像位置变得十分困难。为了解决这一问题,本文提出了一种基于斑点序列图像估测清晰成像位置的方法,即分别获取透镜不同位置下的斑点图像,通过图像处理得到斑点图像短径和中心坐标,根据理论推导的解析模型,对椭圆短径分成两段拟合,求取交点位置,该交点位置即为估测的清晰图像位置。最后通过实验,将透镜调整至估测的清晰图像位置并获取图像,采用边缘梯度检测和像素均值检测,验证了该位置就是清晰的透镜成像位置。     

基于散斑图像的远程振动频率提取方法研究

为了得到远程物体的微米级振动的频率信息,采用基于散斑图像的远程振动频率提取方法,以波长为532nm连续激光器作为光源照射50m远处被测物体表面,通过高速摄像机记录物体表面反射空间内的散斑图样提取物体的微振动频率。采用激光散斑图像的数据处理方法,进行了研究分析和实验验证,利用长焦镜头对远程散斑图像进行适当散焦处理,然后提取视频散斑图像间互相关系数峰值点与原点之间的矢量大小来获取散斑的变化信息,同时对一定宽频率范围内的振动频率进行提取。结果表明,用该方法得到的激光散斑远程微振动频率的提取准确度达99.22%。该数据结果为激光散斑应用于远程频率振动检测提供了一定的论证依据。