光谱编码计算关联成像技术研究

现有的多光谱成像技术通常采用光学分光的方式，使用多个探测器对成像场景的光谱图像进行采集，导致现有成像系统复杂，数据量大、效率低。针对现有技术的不足，提出基于正交调制模式的光谱编码计算关联成像技术。通过正交光谱编码矩阵融合Hadamard基图案构造投影散斑对宽带光源进行调制，单像素探测器收集成像物体与调制光源相互作用后的反射信号；应用演化压缩技术复原成像物体的混叠光谱图像；利用编码矩阵的正交性质解码出欠采样的光谱分量图像，对分离出的图像应用组稀疏压缩感知算法重构全采样的光谱分量图像，最后融合出成像物体的多光谱图像。通过数值模拟与实验两方面验证了所提方法的高效性。所提的技术简化了多光谱关联成像系统，降低了数据量。光谱编码方法可以扩展到更多的光谱通道，也可以应用在偏振关联成像、信息加密等领域。     

基于相位调制的运动目标多光谱关联成像研究

为克服扫描方式多光谱成像无法捕获动态场景下的多光谱数据,提出了一种基于相位调制实现运动目标单次曝光多光谱成像方法。该方法将关联成像技术、压缩感知技术与光谱成像相结合,在成像光路中引入空间随机相位调制器,对运动目标物体三维图谱信息数据进行调制和压缩,然后利用探测器获取二维混叠信号,实现单次曝光获取运动目标的三维图谱信息重构,具有光能利用率高、成像时间短、系统结构简单等优点。实验结果表明:单帧CCD探测信号的电子数均值从200 e?按100 e?的间隔增加到1300 e?时,随着电子数均值增加,重构图像相对均方根误差rRMSE值对应减小,重构图像质量提高;当步进电机以30 Hz速度带动目标物体连续运动时,可获得较好质量运动物体的多光谱重构图像;采用光谱仪对目标物体中不同谱段的光谱分布曲线进行测试,所得结果与重构图像的光谱分布曲线相吻合,证明了该方法的有效性。研究结果对多光谱关联成像技术在无人机平台、动态监测等领域的应用提供了有益借鉴。     

基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法

波前编码过程将计算全息所得的复振幅波前变换为与显示器件匹配的调制函数,是计算全息显示的关键技术之一.现有的计算全息显示器件大多只能实现单一振幅或单一相位调制,因此需要将复振幅波前编码为相应的振幅型或相位型全息图.本文围绕基于液晶空间光调制器的计算全息显示,综述了相位优化编码与复振幅转化编码的基本原理与算法步骤,分析了常...     

基于不同调制方法产生赝热光源的性能比较

在关联成像中,赝热光源的特性对成像质量至关重要。赝热光源的关联特性和关联成像的对比度、信噪比和分辨率密切相关。在其他条件相同的情况下,二阶关联峰值越高,所成关联像的对比度越高,而赝热光源的随机性越好,则成像的信噪比越高。赝热光源的产生有很多方案,近来出现的基于空间光调制器的赝热光源由于其相位可预置性而具有很好的应用前景。本文介绍了利用空间光调制器调相、调幅等不同调制方法产生赝热光源的原理,并通过模拟对比了施加不同的振幅、相位及其混合调制所引起的赝热光源的二阶关联峰值的差异性,对比发现当振幅分布为瑞利分布、相位分布为0~2π均匀分布时,赝热光关联峰值理论可以达到2,此时赝热光源的特性较为理想。     

数字微镜器件调制多波长关联成像系统

关联成像是一种新体制成像方法,能够解决一些传统成像技术无法解决的问题,近年来颇受关注。其中,又以基于数字微镜器件（DMD）和空间光调制器（SLM）的计算关联成像发展最快。将DMD应用于计算关联成像,利用其调制速度快、反射波段宽的优势,结合压缩感知方法,可在多个波长上获取高质量图像,实现多波长关联成像。多波长关联成像在实现过程中存在几个关键问题,包括赝热光场的有效产生、光场调制中衍射效应和调制噪声的影响,以及高质量图像重建算法等。对上述关键问题进行数值仿真,确定系统最佳工作参数;在此基础上构建多波长关联成像实验系统以验证效果,为关联成像技术的实用化提供了参考。     

基于液晶空间光调制器的复振幅全息显示进展

计算全息能够在计算机中实现光学全息的波前衍射计算与波前数字编码,并通过相干光照射全息图重建物光波前。但其空间带宽积受现有数字调制器件限制,光学重建受振幅编码或相位编码引入的噪声影响。复振幅全息利用现有的光电调控器件实现全息图复振幅波前编码,避免振幅项或相位项的损失,兼有高运算效率、高空间带宽积和高重建精度等优势。基于双相位的复振幅光场调控方法因其理论完备性高、光学系统方案成熟,在复振幅计算全息领域具有广阔的应用前景,是全息三维显示重要的发展方向。本文综述了复振幅计算全息的原理与研究进展,分析已报道的复振幅全息方案,重点介绍复振幅的双相位调制原理与基于双相位原理的液晶空间光调制器复振幅全息显示系统。     

基于非局部相似度约束的多通道复用压缩遥感成像方法

结合压缩感知成像原理和遥感成像系统的物理可实现性,提出了采用掩膜编码的多通道复用压缩成像方法.首先,采用多组随机二值伯努利分布的掩膜为不同光学通道视场进行压缩编码,在单位积分时间内采集重构图像所需的欠采样数据.然后,针对传统的全变分范数最小化的重构方法易受遥感图像局部突出特征干扰的问题,提出了以遥感图像空间域非局部相似度为正则化重构标准的先验约束.实验结果验证了此压缩成像方法的可行性.与传统算法相比,此重构算法能够在保留图像细节的同时实现有效重构.     

均匀分布狭缝阵列编码光谱成像系统的仿真与验证

为解决传统色散型高光谱成像仪扫描速度慢和编码孔径光谱成像系统存在部分信息失真或丢失、光谱重构复杂度高等问题,设计了一种基于均匀分布狭缝阵列的光谱成像系统,在编码孔径光谱成像系统的基础上,采用微位移电机控制阵列编码狭缝对成像视场进行微扫描,以实现光谱不混叠成像,在满足一定成像帧频的条件下实现动态场景的无损探测.仿真结果表明:在光谱图像重构质量与单狭缝系统结果一致的前提下,该系统的采集效率提升了 17倍;空间结构相似度和光谱保真度分别是50％压缩采样率编码孔径光谱成像系统的1.8倍和1.17倍,在完成仿真的基础上,搭建实验装置进行了可行性验证.     

基于非局部相似度约束的多通道复用压缩遥感成像方法

结合压缩感知成像原理和遥感成像系统的物理可实现性,提出了采用掩膜编码的多通道复用压缩成像方法。首先,采用多组随机二值伯努利分布的掩膜为不同光学通道视场进行压缩编码,在单位积分时间内采集一帧图像重构所需欠采样数据。然后,针对传统的全变分范数最小化的重构方法易受遥感图像局部突出特征干扰的问题,提出了以遥感图像空间域非局部相似度为正则化重构标准的先验约束。实验结果验证了本文提出的压缩成像方法的可行性。与传统算法相比,本文提出的重构算法能够在保留图像细节的同时实现快速有效重构。     

Hadamard编码调制关联成像的阈值处理研究

关联成像是一种通过单像素探测器以成像时间换取空间分辨率的新颖成像方案,然而,其存在重建质量低、数据采集时间长的问题。Hadamard编码调制计算关联成像能够实现高效率的成像,显著提高了关联成像方案的适用性,但是其独特的图像噪声集中现象是影响其实用化亟待解决的难题。通过分析Hadamard矩阵作为测量矩阵计算关联成像重建结果的噪声特点,基于图像分割理论,提出了一种利用阈值处理和形态学图像增强的Hadamard编码调制关联成像噪声压制方案,并通过实验验证了该方案的可行性,获得接近8 dB的光学图像增强。该方案对二值图像和灰度图像都有比较好的效果,其工作促进了关联成像技术的实用化。     

组合沃拉斯顿棱镜组的目标偏振检测方法

为了提高静态偏振光谱成像系统光谱分辨率并获得更好的目标识别能力,设计了正交组合沃拉斯顿棱镜组结构,配合静态相位调制技术完成了目标的偏振光谱成像。该技术采用了多级棱镜组合的方法在不扩大原有静态干涉棱镜尺寸的条件下扩大了空间光程差变化范围,从而提升了静态光谱分辨率。通过相位调制与图像周期性匹配的方法完成了二维图像与光谱分离。仿真分析了结构尺寸与调制度对光谱分辨能力的函数关系。实验采用计算模拟验证了二维图像与光谱分离的可行性。在晴天与阴天两种不同状态下,测试了30.0 cm铝板目标的信号对比度,采用偏振光谱成像并完成数据提取的测试结果均值为53.4%和49.3%,而基于强度图像的测试结果均值为24.4%和14.1%。文中设计可以改善目标识别效果,提高光谱分辨精度。     

无载波幅度相位调制无线光通信系统研究

无载波幅度相位（Carrierless Amplitude and Phase,CAP）调制是一种数字化方式的正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）。由于CAP调制具有频谱利用率高、成本低、复杂度小等优点,所以逐渐成为实现短距离高速光通信系统的一种备选方案。首先通过比较CAP调制和QAM的功率谱分析了这两种调制方式的特性,然后在大气信道仿真模型（Gamma-Gamma光强起伏分布模型）条件下,基于Matlab仿真分析了滤波器滚降系数,滤波器长度和采样时钟偏移对CAP调制无线光通信系统性能的影响并给出最优参数值。由仿真可知,采样时钟偏移会引起接收端信号的相位偏移,所以需要在接收端对相位畸变进行一定的补偿,文中也对后期所需的均衡算法进行了一些研究,希望能对以后CAP系统的设计有所帮助。最后对仿真结果进行了实验验证。     

基于AFSS协同调控的雷达目标模拟方法

针对无源电磁调控中目标模拟逼真度不高的问题,基于有源频率选择表面（Active Frequency Selective Surface, AFSS）的周期性间歇调制,提出了一种AFSS协同调控的雷达目标模拟方法。根据雷达信号参数和AFSS周期性间歇调制信号参数确定目标的距离分布,再使AFSS调制信号的相位满足协同调控条件,即可在距离向上生成逼真度较高的模拟目标。文中给出了AFSS周期性间歇调制的基本原理,并理论推导了AFSS协同调控的实现条件。最后进行了仿真验证,仿真结果验证了该方法的可行性和有效性。      

共路外差干涉测量液晶空间光调制器相位特性

为了对液晶空间光调制器进行高精度的校准, 使其满足线性相位调制的应用需求, 采用共路外差干涉法测量了液晶空间光调制器的相位调制特性, 分析了实验系统的测量原理, 取得了液晶空间光调制器相位调制量随输入灰度值变化的实验数据, 并进行了线性校准。结果表明, 实验中所用的液晶空间光调制器的最大相位调制量为2.55π, 利用反插值法对20~240灰度范围内的相位调制曲线进行线性校正后的理论相位调制曲线非常接近理想线性曲线, 相位调制曲线与理想线性调制曲线的相关系数可达0.9996;该测量方法可克服传统测量方法对图像处理的依赖性, 具有较高的测量精度, 相位调制量直接通过锁相放大器就可获得。该研究为基于液晶空间光调制器的高精度波前校正和精密测量提供了参考。     

基于编码成像的激光能量调控方法研究

为了有效提升光电成像系统焦平面探测器在外界存在激光干扰条件下的环境适应性,同时不显著降低原成像系统成像性能,提出了一种基于编码成像的激光能量调控方法,构建了一套以液晶空间光调制器为核心器件的编码成像实验系统并对该系统的成像性能进行了测试,设计了一套基于编码成像的激光能量调控实验验证系统并开展了多参数条件下编码成像抗激光干扰实验研究。实验结果表明,基于编码成像的激光能量调控方法可在不显著降低成像质量前提下有效提升焦平面探测器的抗激光干扰性能。     

部分相干方形平顶电磁脉冲光束经相位调制透镜的聚焦特性

将稳态场的相干偏振统一理论应用于脉冲光束的研究。构建了部分相干方形平顶电磁脉冲光束,并推导出该光束经相位调制透镜后聚焦的交叉谱密度函数表达式。详细探讨了相位调制尺寸、调制深度、调制中心位置以及光束相关长度等对聚焦场光谱强度的影响。研究结果表明,局域相位调制会导致在聚焦场中产生另一光谱强度峰值,光束的相关参数和相位调制参数决定该光谱强度峰值大小,并在一定情况下使之发生移动。特别是当光源相关参数和相位调制参数处于某临界值时,会发生光谱强度峰值开关现象。同时发现,空间相关长度导致光束发生空间焦移,而脉冲时间相关长度导致光谱强度峰值在频率上的移动。     

基于电介质超表面的光场复振幅调制及应用

超表面作为一种人工设计的二维阵列纳米结构,能够在亚波长尺度上实现光场波前振幅、相位和偏振态的灵活调控,为现代光学器件的小型化、集成化提供了全新的实现途径。随着光学成像、显示等应用的发展,在可见光波段具有高工作效率的微型光学器件的需求日益凸显。近年来,由高折射率、低损耗电介质材料制备的光学超表面得到了极大地发展,在消色差光学超透镜、偏振相关全息显示等方面展现出广泛的应用前景。文中围绕电介质超表面的相关研究,首先介绍广义斯涅耳定律及电介质超表面结构调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾近年来关于光场波前单一参量调控和多参量联合调控在全息显示、结构光场产生等方面的研究进展,最后讨论电介质超表面发展的可能挑战与前景。