固态微光实时偏振成像集成技术

高性能的微光夜视探测是光电探测未来的发展方向。本文针对在微弱光照射情况下,因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题,提出了一种固态微光实时偏振成像集成技术。通过引入白光通道和4个偏振方向的8个偏振通道,可在电子倍增CCD(EMCCD)微光器件上实现偏振和微光探测的集成。经试验验证,该技术获取的偏振信息准确度较高,且无偏振单元,使得器件的最低工作照度不被降低,器件同时具备微光-偏振探测功能,除可大幅提高探测器件对目标的探测识别能力外,还具有加工难度低、成本低等优点。     

偏振-微光一体化EMCCD相机的设计与开发

多维度的信息获取是微光夜视探测技术未来的发展方向,偏振成像是光电探测领域中的一种维度,偏振相机的研制是研究偏振成像技术的前提。基于集成偏振阵列结构的电子倍增CCD(electron multiplying CCD, EMCCD)器件,集合EMCCD微光探测的优势和偏振维度的探测功能,论述了偏振-微光一体化相机的硬件电路设计和开发方案,完成偏振维度信息与光强度信息一机同步采集作业,并通过FPGA对原始数据进行偏振运算与图像传输处理。搭建测试系统,对设计与开发的偏振样机进行性能测试。实验结果表明,在温度273 K、读出频率2 MHz条件下,器件的读出噪声为8.81e-,动态范围约为74 dB,样机的消光比可达50.95,透过率可达60.16%,并可实时地选择性输出偏振度图像、偏振角图像、光强度与偏振融合图像,极大地提高了夜间环境下对目标的识别探测能力。     

红外偏振成像系统光学设计

物体的光学信息除了常见的光谱信息还包括偏振信息。对偏振信息的采集能够实现复杂背景下对特定目标的信息提取,特别是金属目标的信息提取。结合偏振成像的原理、组成和特点,采用共孔径共探测器长波红外偏振成像系统对目标信息进行提取,通过仿真软件进行分析,系统可探测到3 km远的车辆目标, 且成像质量良好。     

四通道微光偏振实时成像光学系统设计

为了提高微光成像质量,实现针对动态目标或变化场景的实时性成像的需求,基于偏振成像原理,并结合孔径分割技术设计了微光偏振实时成像光学系统。光学系统采用共口径四通道阵列结构,将4个待测偏振态分成4个独立的成像通道,通过子孔径成像镜组对探测器靶面进行四象限分割成像,每个偏振通道通过放置起偏状态不同的偏振片获取目标不同偏振态的强度图像,从而实现实时偏振成像。光学系统的设计焦距为100 mm、系统整体F数为1.2、工作波长范围为0.4 μm~0.85 μm、最低工作照度为1×10-3 lx、可输出1 080 pixel全高清图像。系统光学总长为167.5 mm,单通道镜头的MTF值在40 lp/mm处全视场均高于0.57。     

基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验

为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。     

微光偏振成像系统设计及实验

为了实现对运动目标或变化场景的同时成像,根据偏振成像原理,基于孔径分割技术设计了一套微光偏振成像系统.开展了微光偏振成像实验,在实验室条件下定性分析了偏振成像的优势,研究了不同照度下偏振成像的准确度.通过改变偏振出射光束的照度,运用获得的偏振图像计算了该照度下光束的偏振度和偏振角.与真实偏振度、偏振角信息对比分析表明,当环境照度大于10-2 lx时,偏振成像能够比较准确地还原场景的偏振信息,改善微光成像质量.经过优化,该系统MTF在56lp/mm处所有视场下均不小于35%.     

基于偏振的暗通道先验去雾

基于暗通道先验去雾的图像增质方法在目标探测中表现良好,但其以光强信息为载体,光学维度单一的不足导致其目标表征效能下降.本文借助偏振对物理属性的敏感特性,提出在传统暗通道先验去雾方法中引入偏振信息来增强不同物体之间的辨识程度.研究了暗通道先验去雾方法中退散射与偏振探测的理论,并搭建机械式偏振滤波成像设备在雾天环境对所提方法的目标表征功能进行了实验验证.研究表明,基于偏振的暗通道先验去雾方法能够同时获取物体的光强与偏振信息,与传统暗通道先验去雾方法相比,利用目标与背景的偏振差异能够明显地提高二者对比度.此研究结果可应用于现有的偏振成像仪器系统,实现退散射与偏振信息的实时提取,进一步提高雾天目标探测与表征的效率.     

星载微光立体成像技术及实现

为了监测夜间和晨昏时段的低云大雾,实现云的三维立体成像,对微光立体成像的关键技术进行了研究。首先,介绍了微光立体成像原理,分析了成像需要解决的宽视场覆盖和多镜头布局。然后,介绍了实现微光探测需要解决的低照度成像技术及其实现方法。最后,针对观测目标照度变化较大的问题,提出了动态范围拓展技术,介绍了后期数据处理中的云雾监测技术。仿真计算结果表明：采用电子倍增CCD（EMCCD）探测器和推扫扫描成像模式、集成探测器组件以及多台相机拼接方案可有效实现微光立体成像,相机扫描幅宽超过2800km;高程分辨率〈817．7m。提出的成像技术可在低照度条件下监测低云大雾,获取高分辨率的三维立体云图,满足气象海洋探测的需求。     

通道调制型偏振成像系统的波段宽度限制判据

通道调制型偏振成像技术是一种体积紧凑、空间分辨率高且能够实时获取全偏振信息的新型偏振成像探测技术. 但该技术目前只能实现准单色光的全偏振探测, 严重制约了其实用化. 本文首先对宽带光通道调制型偏振成像出现混叠现象的原因进行了分析, 得出载波频率是限制波段宽度的主要因素. 据此在空间频谱域上分析并推导了通道调制型偏振成像系统的光谱宽度限制判据公式, 同时通过模型仿真得到了系统的极限有效光谱范围, 与理论推导公式结果进行了对比分析, 验证了判据的准确性. 基于该判据可预测给定通道调制型偏振成像系统的有效工作波段, 同时还可为扩展系统波段宽度提供理论支撑.     

基于双高斯的紧凑型偏振光谱成像方法设计与研究

对目标进行更多属性信息的获取，是光学传感器不断追求的目标。偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、实现“目标凸显”、“动态调节”、“耀斑抑制”的能力，蕴藏非常重要的应用潜力。目前的偏振光谱成像系统存在诸多的缺点，如结构复杂、体积大、通道串扰、多维信息提取繁琐等问题。针对上述问题，提出一种基于线性渐变滤光片(LVF)和像素化偏振调制的紧凑型偏振光谱成像方法。涉及关键技术有：基于高光谱分辨率需求与短焦距约束，采用双高斯结构作为初始光学结构，并通过参数设计进行光学系统的仿真与实现；采用LVF作为分光元件，进行参数设计与验证，与像素化偏振调制探测器在像面上进行耦合，实现光谱信息与偏振信息同步获取。基于上述技术路线进行了样机集成，在实验室暗室对系统样机进行光学指标测试，最终指标为：工作波段：430～880 nm,空间分辨率：0.22 mrad,光谱分辨率为：10 nm,四偏振态同步获取，系统传递函数：0.547,偏振探测精度：89.4%,光机系统总尺寸：45 mm×45 mm×80 mm。在室外进行推扫实验，成像效果良好，中心波长不同偏振态下的单色图有较明显的...     

基于正交调制的偏振光谱成像系统研究

为了同时获取目标的全偏振二维图像信息和其光谱信息,设计了一种基于正交调制的偏振光谱成像系统。该系统由光学接收模块、相位调制器、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、检偏器以及成像模块组成。其可以将原始光信号分解成两束相互正交的偏振光,并且分别成像在CCD焦平面的上下两部分上,从而构成两幅偏振图像。两组图像的叠加可以将干涉条纹的数据相互抵消,从而获得目标的纯图像信息,两组图像的相减可以将目标灰度图像相互抵消,从而获得目标的纯干涉条纹。通过理论分析与计算得到了光强分布函数和光谱变化形式。实验在稳定的光源环境中采用高对比度目标与背景板,完成了全偏振图像的实时采集。经相位校正和切趾处理改善了干涉图像的畸变,又通过去低频滤波和阈值滤波抑制了图像中背景噪声的影响,从而实现了对目标图像的提取及偏振光谱的复原。该系统具有稳定性高、光谱分辨率可调、信噪比高、可识别能力强等特点,对在复杂背景中提取目标图像、光谱及偏振态信息具有重要意义。     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

浅海被动水下偏振成像探测方法

针对传统被动水下偏振成像方法忽略水体对光的吸收效应,成像结果中存在严重的色彩失真,且并未深入发掘利用背景散射光中包含的场景信息的问题.提出浅海被动水下偏振成像探测方法,该方法从水体中背景散射光的传输特性出发,分析场景深度信息与散射光的物理关系,建立基于深度信息的水下Lambertian反射模型,实现无色彩畸变的水下目标场景清晰成像探测.实验结果表明,该方法能够提供接近水下目标真实色彩、符合人眼视觉特性的清晰探测结果,提高水下成像探测能力.     

偏振成像探测技术发展现状及关键技术

考虑偏振成像探测技术在目标探测中具有独特优势,本文介绍了偏振成像探测技术的概念,概括了国外偏振成像探测技术的研究历程和发展现状。基于上述描述,针对偏振成像探测的关键技术进行了深入的讨论,包括目标偏振特性、信道环境下的偏振传输特性和偏振成像目标全偏振图像的获取等。最后总结了该研究领域存在的主要问题,归纳了偏振成像探测技术的发展趋势。     

AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,由于声光晶体是其核心分光器件,它的性能将影响目标信息的获取能力。因此, 研究提高声光晶体衍射效率的方法是AOTF成像光谱仪研制的重点和关键。首先介绍了AOTF成像光谱仪的工作原理,基于耦合波理论推导了声光晶体衍射效率方程,然后对AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率的影响因素进行数值仿真分析,最后,用Tracepro软件对不同入射光进行了仿真计算。分析结果表明,当AOTF成像光谱仪工作波长范围在0.4 μm~0.9 μm时,为使衍射效率能达到最大值,各个影响因素的最优值是:换能器长度d为2.5 mm,光栅倾斜角φ选择在80°,入射光选择o光。     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

基于最大和最小光强图像的偏振去雾方法

相对于传统光学探测技术,偏振探测在目标探测、识别方面有着独特的优势。针对雾、霾等天气下图像退化的问题,提出一种利用偏振信息的图像去雾方法,通过获取3个角度下目标的偏振图像,求解出场景目标的斯托克斯矢量,从斯托克斯矢量与穆勒矩阵的关系出发,分析偏振图像光强随着偏振角度的变化规律,获取最大和最小光强下的正交偏振图像,利用偏振滤波和亮通道先验方法分别估算大气光偏振度和其无穷远处大气光强值,最终重构出无雾图像。实验结果表明,在雾霾天气下,利用获取的正交偏振图像能够重构出清晰的图像,且重构图像的平均梯度和边缘强度均提升了约3倍,灰度标准差提升了约88%。     

时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪干涉图获取模式研究

基于自行研制的时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪（TSMPIIS）,提出了一种新的干涉图和光谱的获取模式,分析了干涉数据的排列方式,详细阐述了不同时刻获得的一系列干涉图组合的方法,并由TSMPIIS获得了单色光和复色光的干涉图.理想的干涉图和复原光谱充分显示了这种探测模式的优越性,如宽场、高探测灵敏度和高通量等. 关键词： 时空混合调制 偏振干涉成像光谱仪 获取模式     

基于偏振菲涅尔反射比分布的主动偏振成像目标辨别方法

由于偏振特性是材料自身所决定的物理特性,其偏振图像含有丰富的目标信息,利用偏振信息对目标进行识别一直是国内外目标探测领域的研究热点,而主动偏振成像较之被动偏振成像更具有信噪比高以及可控性好等优势。在详细分析了偏振菲涅尔反射比分布的理论基础上,提出了一种利用探测物体表面的偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像方法。该方法在发射端将偏振方向正交的两种偏振态的光源交替照射到目标场景中,在探测端用分别装有两个偏振方向垂直的偏振片的CCD采集偏振图像。同时,将探测端架构在不同的探测方向采集目标经主动光源照射后的偏振数据,最后将这些数据传输到计算中心,通过最优化拟合技术反演出不同目标的光学常数,由于不同目标的表面材质不同,其反映出的光学常数就不同,从而达到辨识不同材质目标的目的。实验分别采用了仿真数据和实测数据来验证该方法的有效性。仿真实验显示,所提出的方法利用材料的光学常数对不同材料进行区分不仅是科学的而且更方便有效。实测数据进一步验证了该方法能够较好的恢复出目标的相关光学常数,尤其在区分金属和非金属材料方面表现突出,并且探测方法结构简单实用,在目标探测、伪装识别等领域中有较大应用前景。     

透雾连续变焦镜头的小型化设计

根据探测设备电视通道要求实现普通彩色和透雾黑白两种模式观察并小型化的特点,运用最速变焦路线凸轮曲线的设计及凸轮曲线平滑性优化的方法实现了小型化设计;采用可见光加近红外波段并在全波段范围内进行像质评价的方法,即根据外形尺寸计算中所求出的每个透镜组的光焦度和通光口径,参考现有结构,选定每组透镜的结构形式,缩放成要求的焦距以后组合成全系统进行像差校正,这样既可实现普通彩色和透雾黑白两种模式的观察,又保证了系统的齐焦性.系统通过了像质检测、实景成像的验证及环境应力筛选及环境例行试验的考查,并成功地用于探测设备.