光电成像系统中的微扫描技术

在介绍微扫描成像原理的基础上,介绍了目前国际上流行的各种微扫描技术,分析了它们各自的特点和利弊因素,以及在关键技术上有望取得的突破。     

基于局部梯度插值的显微热成像系统微扫描误差修正技术

显微热成像系统可观测、记录分析细微目标的温度变化过程,在需要细微热分析的诸多方面有着广泛的发展前景。由于设备加工及工作过程中存在误差,影响微扫描系统的精度,使得微扫描系统扫描过程中偏离标准位置,故采集得到的四幅低分辨力图像会存在误差,最终影响显微热成像系统高分辨力图像的重建质量。为尽可能降低微扫描误差,文章提出了基于局部梯度插值与预处理相结合的微扫描误差修正技术,通过进行模拟仿真和实验证实该技术可以降低系统微扫描误差,提高系统的空间分辨力。     

微扫描对空间分辨率的影响

在详细分析使用微扫描技术减少混淆效应的基础上，给出一种利用微扫描技术进行空间分辨率影响分析的像素传递函数（PTF）方法，并基于2×2和4×4两种微扫描形式对该函数进行分析计算和讨论。计算结果表明，在焦平面阵列给定的情况下，微扫描技术能适当提高焦平面空间的分辨率，有效减小图像混淆，明显改善成像质量。指出在没有高空间分辨率成像器件的情况下，利用微扫描技术和低分辨率成像器件来获得较高空间分辨率的图像是完全可能的。     

基于聚焦透镜的微扫描应用

微扫描有多种应用方法,若应用方法选择不当会增加控制难度或引入新的成像问题。介绍了一种基于聚焦透镜的微扫描应用,包括应用原理及组成、应用实例及其装调、应用效果。实践表明,这种微扫描方式不仅提高了焦平面阵列的成像质量,而且没有引入新的成像问题,可以满足红外焦平面阵列成像的需求。     

原子力显微镜加工红外微透镜阵列的研究

提出了利用原子力显微镜灰阶阳极氧化方法加工Si、Ge、GaAs等晶体材料为基础的红外微透镜阵列.加工了3×3的红外硅微透镜阵列,微透镜的高度和表面直径重复性误差分别为0.2nm和6.0 nm,微透镜的平均曲率半径为510.8 nm.分析了原子力显微镜加工红外微透镜产生面型结构误差的原因,并提出了减小面型结构误差的方法.利用此种方法加工的折射、衍射和混合红外微透镜阵列可以进一步缩小红外成像系统的尺寸.     

红外成像寻的器技术研究

为提高精确制导系统中红外寻的器的光电对抗能力，利用玫瑰扫描技术实现了光学系统成像探测。该项技术研究的关键是线阵列探测器和卡氏光学系统的设计。通过引入计算机图像帧处理，实现了目标的解算。在介绍技术方案的同时，对关键技术进行了分析，原理样机已在实验室调试完成。导引头的测试数据和仿真试验结果表明：导引头抗红外诱饵干扰能力大大提高，该技术研究方案是可行的，可用于便携式防空和舰载末端防空等精确制导武器中。     

用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40 μm²、球面半径60 μm、单元间距1 μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90% 以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.     

用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40μm2、球面半径60μm、单元间距1μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90%以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.     

微扫描对光电成像系统图像噪声的影响

介绍了光电成像系统的噪声,运用功率谱分析方法推导了插值技术对噪声的影响。插值技术使时间噪声的功率谱变大,使固定模式噪声功率谱的谱值出现再分配,引起图像质量的改善。用计算机进行了模拟实验。     

基于FPGA的红外焦平面信息获取系统设计

基于红外焦平面探测器的红外遥感技术是实现多通道和高空间分辨率的重要手段,而随着焦平面探测器中探测单元的增加探测数据也急剧增加,研究基于FPGA的高速并行处理技术对解决红外探测领域多通道高速信息获取有重要意义。以FPGA作为控制器件,设计了16通道,数字分辨率为16bit的ADC采集方案,实现对32×32元的红外焦平面探测器数据并行获取,并设计了数据宽度为16bit的数据输出接口,用来完成采样数据的上传功能。实验结果表明该方案设计简洁,数据上传速度控制灵活,可以满足焦平面探测器的信号获取与传输。     

Assessment of the Performance of Staring Infrared Imaging Array Based on Microscanning Modes

Staring infrared detector arrays, which sample a scene with pixels of finite size, generate images that are affected by aliasing and blurring caused by the sampling process. One potential method to reduce the effects of sampling is microscanning. In this paper, the sampling-averaging modulation transfer function at half the detector spatial cutoff frequency is introduced to be as a figure of merit to quantitatively assess microscanning image quality for selected cases of fill factor. Analytical results show that microscanning process can significantly reduce aliasing in the reconstructed image, and that the improvement of different modes of microscanning process to the reconstructed image quality is different, which is closely associated with fill factor. The microscan sampling and restoration imagery are also simulated with pixel interpolation method to qualitatively verify the reduction in aliasing with respect to typical microscanning mode (2×2, 3×3, 4×4 microscan) for the detector array of 100% and 50% fill factor respectively. And, the determining method of the optimum step number of microscanning needed is discussed for the staring imaging array with certain fill factor.     

基于不可控微扫描的高分辨力图像重构方法

针对存在不可控微位移的序列低分辨力图像,提出了一种基于2×2不可控微扫描的高分辨力图像重构方法,采用投影法估算出低分辨力图像LR的微位移量,采用基于泰勒级数展开的重构算法由4帧图像重构高分辨力图像.模拟表明:该算法能精确地估计序列图像的帧间位移量并取得较好的重构效果,且算法简单有效可行,处理量小,有利于实现快速处理,在一定程度可满足同步轨道卫星、公安监视等领域对高分辨力成像处理的需求.     

基于梯度阈值自适应处理的红外图像超分辨率重建

超分辨率图像重建中,Huber马尔可夫随机场模型是一种常用的正则化算子.针对Huber函数中固定梯度阈值引起图像重建效果不佳的问题,本文提出一种梯度阈值自适应处理的红外图像超分辨率重建算法.在最大后验概率理论框架下,构造了基于数据项和正则项的正则化模型;通过迭代的方式,利用中间重建结果不断更新正则化参量,解决了Huber马尔可夫随机场模型中梯度阈值不易选择的难题.实验结果表明,改进算法能够根据局部梯度特征自适应选择相应的正则化参量并找到最优解,较好恢复目标细节的同时有效抑制了图像噪音.     

含油岩心显微红外光谱成像方法的研究

虽然用红外光谱显微探针方法研究岩心中碳质物已有很多工作,但是通常对诸如岩心等样品物性的光谱学微探针实验研究多是局限于对经过复杂处理分离出的微小样品或样品中个别位点所得的结果,缺乏对复杂样品各组分(或基团)的空间分布及其相互关系的研究。近年来新发展起来的光谱成像分析系统将光谱技术与成像技术有机地结合起来融为一体,可在光谱和空间两个方面对目标样品进行分析和识别并已得到广泛应用,但是用红外显微成像光谱研究岩心的工作则少有报道。文章报道了应用透射和衰减全反射(ATR)两种方式对含油岩心进行了显微红外光谱成像(Mapping)的研究。从灵敏度、信噪比、光谱分辨率和空间分辨率以及工作效率等方面对两种方式所得实验结果进行了比较和评估。     

基于不可控微扫描的高分辨力图像重构方法

针对存在不可控微位移的序列低分辨力图像,提出了一种基于2×2不可控微扫描的高分辨力图像重构方法,采用投影法估算出低分辨力图像LR的微位移量,采用基于泰勒级数展开的重构算法由4帧图像重构高分辨力图像.模拟表明：该算法能精确地估计序列图像的帧间位移量并取得较好的重构效果,且算法简单有效可行,处理量小,有利于实现快速处理,在一定程度可满足同步轨道卫星、公安监视等领域对高分辨力成像处理的需求.       

基于亚像素扫描的超分辨技术在高分辨X射线显微镜中的应用

在不改变现有硬件条件的情况下,开展超分辨扫描重建方法,可以在不增加系统成本的基础上提高高分辨X射线显微镜的成像性能.设计了基于亚像素扫描的超分辨扫描模式,按照设计的调制方式进行亚像素位移的移动,采集多幅具有互补信息的低分辨率图像;然后基于系统的点扩散函数,对高分辨率图像进行复原;最后结合POCS超分辨重建算法重建出高分辨图像.实验结果表明,10倍光耦探测器下的衬度噪声比提高了20%左右,空间分辨力提高了0.2μm(约15%),细节分辨能力超过探测器像素尺寸1.35μm的限制,可以看到在低分辨率图像中看不到的细节.实验说明用超分辨技术提高高分辨X射线显微镜的分辨率是有意义的.     

基于梯度阈值自适应处理的红外图像超分辨率重建

超分辨率图像重建中,Huber马尔可夫随机场模型是一种常用的正则化算子.针对Huber函数中固定梯度阈值引起图像重建效果不佳的问题,本文提出一种梯度阈值自适应处理的红外图像超分辨率重建算法.在最大后验概率理论框架下,构造了基于数据项和正则项的正则化模型;通过迭代的方式,利用中间重建结果不断更新正则化参量,解决了Huber马尔可夫随机场模型中梯度阈值不易选择的难题.实验结果表明,改进算法能够根据局部梯度特征自适应选择相应的正则化参量并找到最优解,较好恢复目标细节的同时有效抑制了图像噪音.     

基于FPGA的红外焦平面成像条纹噪声逐帧抑制算法的研究

红外焦平面阵列是当今红外成像技术发展的主要方向,随着器件工艺的进步,红外焦平面阵列探测器有了长足的发展,然而红外图像普遍具有信噪比低的缺点,这大大限制了红外焦平面的应用。与固定图案噪声（FPN）相比,随机噪声的最大特点是每帧均不同,因此去除该类型噪声的算法必须在一帧之内完成。提出了一种新型的单帧去除此类条纹噪声的算法并加以硬件实现,在单帧内设置适合的校正参数和阈值,达到在单帧图像内有效去除条纹噪声的目的。通过算法处理前后的图像对比以及客观的MSE、PSNR测试数据对比,证明了该算法能够有效地改善焦平面器件成像质量。     

基于水下成像系统模型的水下图像超分辨率重建技术研究

水下成像技术在诸多领域获得了越来越多的应用,然而由于受到成像器件参数、水体特性等成像系统参数的影响,水下图像的分辨率普遍较低、像质较差。基于包括点扩散函数、衍射极限等水下成像系统模型的图像超分辨率重建技术,能够在提高图像分辨率的同时增强图像质量。为了尽可能提高图像分辨率,建立了基于光束传播理论的超分辨率成像模型,并将其应用于水下脉冲激光距离选通成像结果图像的超分辨率重构。重构实验的结果表明,所提出的方法可以有效地提高水下成像的分辨率和质量。