一种光子相关器动态范围自适应调整方法与实现

目前广泛应用的光子相关光谱(PCS)颗粒测量系统中, 光子相关器动态范围的设置需要与实际待测颗粒的光强自相关函数曲线衰减区间相匹配, 这样, 相关器才能给出具有最佳分辨率的自相关函数曲线。然而, 在实际测量过程中, 待测颗粒体系的粒度分布范围通常是未知的, 因此需要对参数进行多次修正才能得到最佳的分辨率效果。对此, 提出一种可根据被测颗粒体系的粒度分布范围变化, 自适应修正测量参数进行光子相关器动态范围调整的方法。该方法通过初始采样时间的选择和相关通道采样时间的再分配, 实现测量过程中的相关器动态范围调整, 使其与待测颗粒体系的光强相关函数曲线衰减区间相匹配, 从而保证在任意颗粒系的测量中都能得到分辨率最佳的自相关函数曲线。     

基于光子计数的关联成像实验研究

利用光纤分束器和N个单光子探测器,提出了一种微弱光探测下的单脉冲光子计数方案。将该光子计数方案与关联成像原理结合,搭建了一套光子计数探测模式下的关联成像实验平台。实验研究了微弱光探测条件下光子计数的动态范围对关联成像质量的影响,分析并探讨了基于光子计数的关联成像需进一步深入研究的问题。     

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。     

人体组织中光子密度波漫射理论的模拟研究

运用矩阵变换方法对已有的无限长矩形条件下的扩散方程的解析解进行了化简,大大提高了计算机模拟的速度.利用给定的人体前臂组织的典型光学参数,给出了扩散方程解析解的模拟计算结果.分析了介质的基本光学特性参数对漫射光子密度的影响,在验证已有的理论基础上,发现该模型下的解析解不适用于漫射系数D较大的情况.     

基于水平集的光学层析图像重建

为解决重建图像中异常区域边界不规则这一问题,提出一种基于水平集的光学层析图像重建方法.该方法在背景区域光学参数已知情况下,可以使重建异常目标区域的位置更加接近其真实位置,且实现了异常区域位置和光学参数的同时重建.采用扩散方程作为光子传输模型,基于有限元方法实现正向模型的数值求解,用零水平集曲线表示异常区域边界.实验结果...     

长方体内多量散射介质光子密度波扩散方程研究

进一步改进了已有物理模型,从理论上解决了三维有限体积内光子密度波扩散方程的求解问题,得到了长方体边界条件下的格林函数的解析解,给出了实验可测量光通量与待测物吸收系数改变量之间可进行数值计算的表达式。本物理模型更加接近实际情况,解决了已有模型与实际情况偏差较大的矛盾,为进行反演计算提高成像质量提供了理论保证。     

面向吲哚菁绿药代动力学成像的动态实验系统

为实现小动物吲哚菁绿(ICG)药代动力学成像,设计了一套高灵敏度扩散荧光层析成像系统。该系统采用了基于离散光纤耦合光子计数采集的仿计算机断层成像扫描方式,在保障高灵敏度和大动态范围测量的前提下,可有效提高系统的空间采样分辨率;同时采用了基于光开关切换四通道串-并混和的测量模式,兼顾了测量时间分辨率和系统性价比之间的平衡。为验证实验系统的有效性,设计了可模拟小动物体内ICG代谢规律的动态仿体,并结合实验室开发的荧光剂药代动力学直接重建算法,实现了ICG代谢速率的重建。实验结果表明,该系统具有较高的空间分辨率、灵敏度和量化性。     

多散射介质中光子密度波扩散方程的二阶求解

对于生物医学光子学领域中的新技术-扩散光子密度波技术进行了理论上的研究与扩展,给出了长为a,宽为b,高为无限大的矩形边界条件下光子密度波扩散方程的二阶微扰解析解.由于实际测到的物理量多为光通量,演算出了与入射面相对应面处的光子通量和介质中的吸收系数改变量之间的关系.并利用人体前臂肌肉组织的典型光学参数,给出了二阶微扰解的模拟计算结果,并与一阶微扰计算结果进行了比较.结果表明,二阶微扰解比原有的一阶微扰解在计算精度上有一定的提高,尤其是在异常体附近精度更是有较大的提高.所得二阶结果不仅为利用扩散方程进行生物组织成像问题提供了更加精确的理论基础,而且对于图像质量尤其是分辨异物的能力的提高具有促进作用.     

时间积分声光相关器相关峰提取的新方法

本文讲述了自行设计的一种新型时间积分声光相关器的原理,并以该相关器实验系统为例,分析了系统的特点,提出一种提取相关峰的新方法,最后给出了实验结果。     

成像光通信系统及编解码方案

采用通信理论建立了成像光通信的时空连续三维高斯信道模型,分析了信道容量。结果表明利用光的空间特性可以增加信道容量,其效果取决于系统的空间带宽积。提出了一个成像光通信的收发系统方案,给出了基本的系统设计条件,并分析了系统性能。进行了30 m距离的点阵图传输实验,结果验证了系统的设计要求和性能。给出了一种适合成像光通信的信号相关探测接收方法,它要求用于通信的点阵图像需按照二维空间正交码来构造。为了提高相关接收时的信号处理速度,还可考虑采用光学信息并行处理器,例如非相干多通道相关器,并对该相关器的工作过程做了描述。     

室内模拟环境下动态调制传递函数检测方法

针对车载视觉智能感知、低空区域防务等光电成像系统远距离观测动态性能测评需求,研制了室内运动目标模拟系统。基于线性移不变系统模型,分析了“三杆靶”、“四杆靶”靶标MTF测量原理,提出了一种基于变频栅条靶标的动态MTF检测方法,给出了变频靶标设计方案和MTF解算方法。完成了“三杆靶”和变频靶标测量方法的静态和动态MTF对比测试实验。实验结果表明:提出的变频靶标动态MTF检测方法与“三杆靶”测量方法相比,在静态MTF检测时测量数据的相对最大偏差比率为1.9%,动态MTF检测时测量数据相对最大偏差比率为2.8%,是一种高精度数字化动态MTF检测方法。该方法可以从一幅靶标图像中解算出MTF曲线,在动态MTF检测技术领域比“刀口法”、“三杆靶”、“四杆靶”等方法更具优势。     

基于二维圆域解析模型的时域扩散荧光层析原理与实验研究

提出了基于二维圆域解析模型的时域扩散荧光层析图像重建算法。采用了外推边界条件下二维圆域结构的扩散方程解析解,利用基于耦合扩散方程拉氏变换的广义脉冲谱技术和基于玻恩比的归一化逆问题模型,实现圆柱层析模式下的图像重建。为了解决线性求逆过程中的病态问题,采用了代数重建技术进行相应的线性求逆。并通过引入一对实数拉氏变换因子,实现荧光产率和寿命的同时重建。利用多通道的时间相关单光子计数系统对实验仿体进行了圆柱层析式时间分辨的数据测量,实验结果表明,提出的重建算法对于目标体的位置和形状都进行了较准确的重建,从而验证了该重建算法的可靠性及可行性。     

宽带微弱扩频信号声光相关解调解扩方法

 提出了用声光相关器实现宽带微弱扩频信号解调解扩的方法,建立了把声光布拉格相关器和光电检测器视为一体的数学模型,推出了两种衍射光检测法动态范围的表达式.用计算机仿真和实验研究激光高斯分布、窗口函数和超声吸收等因素对相关峰峰值和主旁瓣比的影响.最后进行了扩频信号声光相关解调解扩的原理实验,实验结果与理论分析基本吻合,验证了声光解调解扩的方法.     

基于空变运动误差分析的微波光子超高分辨SAR成像方法

针对运动误差空变对实现微波光子雷达超高分辨SAR成像的影响,该文提出了一种基于空变运动误差分析的超高分辨成像方法。首先通过解析求解获得中心波束平面补偿下的剩余空变误差表达式,提出了运动误差空变影响判定准则。接着针对微波光子SAR系统条件的不同判定结果,提出相应的成像流程。最后对所提判定准则与成像方法进行点仿真验证,并对录取的车载10 GHz微波光子超高分辨SAR实测数据进行分析与成像处理,实验结果表明所提方法的有效性。      

基于LBM对流扩散方程的水平集图像分割方法

为使图像处理更快速稳定,文中通过研究偏微分方程的元胞自动机模型,提出了一种基于格子波尔兹曼模型（LBM）对流扩散方程的图像分割算法：用对流扩散方程替换水平集方程,利用LBM求解对流扩散方程,实现基于LBM的水平集图像分割。实验分析表明,该方法能精确求解对流扩散方程,算法模型能够取得闭合的分割曲线,同样能够很好的处理图像拓扑结构的变化。并且通过与水平集方法和窄带水平集方法进行计算速度实验对比,可证明该算法大大减少了分割的计算量。     

基于群体智能边缘提取算法的联合变换相关器

为提取联合变换相关器输入面图像的边缘,改善相关器的识别效果,提出了一种基于群体智能的图像特征提取方法,并将其应用于联合变换相关器的输入面图像预处理中.实验结果表明该算法有效提取了图像的边缘,锐化了相关峰,提高了联合变换相关器的目标识别能力.群体智能计算机并行算法与联合变换相关器光学并行系统相结合,为实现实时高效的光电混合目标识别系统奠定了坚实的理论基础.     

基于PMF—FFT的PN码捕获方法及性能

在高动态通信系统中,由于载体的相对运动,使载波附加了较大的多普勒频移。使用一组部分相关器结合快速傅里叶变换进行伪码捕获,可以将码相位-多普勒频率的二维搜索降为一维搜索,大大减少了捕获时间。文中讨论了该方法部分相关器长度和FFT点数对捕获性能的影响,推导相关损失与最大多普勒频移和相关器长度的关系,为分析捕获系统的捕获范围和选取相关器参数提供依据,给出两种确定分段相关器长度X的方法。最后仿真证明在PN捕获的同时该方法能够准确估计多普勒频移。     

多散射介质中光子密度波扩散方程的求解

将光源作为一个复数点光源,根据实验研究模型的要求,求解了多散射介质中光子密度波扩散方程,找出了与入射面相对应面的光子通量和介质中吸收系数改变量之间的关系。所得结论能直接用于多散射介质中成像问题的实验研究之中,即通过对光子通量的检测,反演出吸收系数改变量的分布,从而达到多散射介质中的成像问题的解决。     

方形自聚焦透镜的折射率分布研究

为了获得方形自聚焦透镜的折射率分布,提出了一种求解其折射率分布的半经验方法。该方法利用圆形边界条件下获得的扩散方程的解去近似方形边界条件下扩散方程的解,该近似解中的4个待定系数用雅明干涉法测得的方形自聚焦透镜4个位置点上的折射率来确定。该方法避免了在方形边界条件下求解扩散方程的复杂过程,得到的半经验公式形式简单、计算方便,利用半经验公式计算得到的折射率与实验结果吻合得较好,二者之间的最大相对误差为0.94%,平均相对误差不超过0.3%。该公式为以后研究方形自聚焦透镜阵列成像问题提供了可供参考的理论依据。     

编码掩模红外成像的建模与性能分析

针对编码掩模红外成像系统提出了一种建模方法。该模型将成像系统视为由两个功能部分组成,一部分为编码掩模与理想聚焦透镜的理想成像,另一部分为实际透镜自身的非理想成像。据此,系统点扩散函数可以由掩模结构的衍射模式和实际透镜的点扩散函数联合表示。此外,文中对视场内倾斜入射平面波的成像结果进行分析,从而得到了视场内的点扩散函数的变动情况。由码型及相应点扩散函数的指标评价结果可以看出,文中提出的基于Dammann阵列的码型结构对直接成像和图像还原处理具有较为平衡的性能。实验表明,对于编码掩模直接成像系统的码型中应当具有较多的随机性结构,而对于能够做进一步图像还原处理的系统码型中应当具有较多的周期性结构。