压缩感知鬼成像中观测矩阵构造

为了提高压缩感知鬼成像(CSGI)的成像效果,解决 现阶段观测矩阵存在的稳定性差、数据庞大和不 满足非负性等问题,对观测矩阵的构造方法进行研究。首先,介绍确定性随机序列 的产生方法和 性质,可以用作观测矩阵,满足有限等距要求。针对光强的非负性,提出利用偶次幂的余弦 函数产生确定 性随机序列的方法,构造观测矩阵并证明其性质;然后,通过仿真验证该观测矩阵的正确性 ,研究了序列 的初始值和函数的幂对矩阵重构性能的影响;最后,搭建实验平台,对比常用的高斯随机矩 阵(GM),分析本文方 法的适用性和优缺点。实验结果表明,在鬼成像中,利用本文所构造的随机矩阵,重 构图像峰值信 噪比(PSNR)与GM相当,但存储的数据量大大 减少,可满足鬼成像系统的快速高效、简单方便和成本低等要求。     

光场相机成像质量评价方法研究

光场相机应用一种新的成像技术,利用光学手段获取四维光场信息,包括目标辐射的二维空间分布信息和辐射传播的二维方向信息。与传统相机相比,光场相机在实际应用中可以获得大的景深范围。由此成像质量评价是光场相机研究中一项十分关键的工作。结合光场成像的特点,对光场相机成像模型进行了分析,完成了实际系统中的光场追迹过程,并对点扩散模型进行了计算,仿真实验结果表明该评价方法有效。     

关联成像的点扩散函数分析法

点扩散函数（PSF）是传统成像光学中一种典型的分析方法。针对关联成像这一全新的成像理论,借鉴点扩散函数分析方法,采用半经典理论对其成像过程进行了重新推导,给出了鬼像和物体透射函数之间的点扩散函数。以此为基础,推导了成像光路中存在湍流时,与之对应的PSF以及鬼像的表达式。最后对成像过程进行了数值仿真分析。结果表明,PSF可以有效地描述关联成像的过程,并且可以定量分析成像距离、光源大小和湍流强度对鬼像的影响程度。     

大气湍流下超振荡望远成像的理论研究

为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像, 采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数, 并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明, 中等湍流强度校正后, 波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8 nm)时的干扰下, 超振荡光场调制能够实现望远系统点扩散函数的衍射压缩, 衍射压缩倍率为0.75;对不同中心间距双孔的成像研究验证了超振荡望远系统约0.80倍瑞利衍射极限的超分辨成像效果; 波前残差的均方根大小可能会导致望远系统点扩散函数的衍射压缩倍率和成像分辨率存在差异。此研究结果可应用于高精度星点定位、超分辨望远等领域。     

轴向运动目标鬼成像点扩散函数质量评价方法

研究了鬼成像系统的点扩散函数(PSF),以轴向运动目标的鬼成像系统为例理论推导出其点扩散函数,并进行了数值模拟和计算机仿真实验.结果表明:目标在信号光路轴向的运动会导致成像质量的下降,速度越大成像质量越差,应用点扩散函数方法分析鬼成像系统的成像质量可以在不成像的情况下预先判断成像效果,相对于传统的质量评价方式有很大优势.     

光学瞄准变焦系统的优化设计及其分析

针对一款2-6×24mm瞄准镜系统在变倍过程中出现视差的问题,基于高斯光学理论,利用CODEV软件进行仿真实验,发现在变倍过程中,像距变化较大是造成该问题的主要原因;基于变倍成像原理和机械变倍结构,应用仿真设计技术,提出了变倍组凸轮曲线的修正方法,给出了各镜片的修正参数和凸轮的修正曲线,优化了光学瞄准系统性能,解决了存在的视差问题;对比优化前后光学瞄准系统的调制传递函数、点扩散函数和线扩散函数,发现优化后波像差的RMS值均小于λ/4,成像质量很好,满足成像设计及实际生产的精度要求。     

中国科学院上海光学精密机械研究所鬼成像理论研究的若干进展（特邀）

相比利用光场的一阶关联实现物空间与像空间一一对应的传统成像,鬼成像基于光场的二阶关联实现物空间与像空间的一一对应,从而获取物体图像信息。通过引入光场涨落调制和计算重构,鬼成像不仅可以具有更高的信息获取效率,而且提升了图像信息获取方式的灵活性,能够具备传统成像所不具备的成像能力。随着鬼成像在系统优化及技术应用方面的进一步发展,对鬼成像理论也提出了新的要求和挑战。文中分别从鬼成像的物理本质、图像信息获取理论及理论分辨率研究三方面介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所近期在鬼成像理论上的若干研究工作,并对今后鬼成像的理论研究工作进行了展望。     

鬼成像的一个收敛判据

鬼成像(或关联成像)的耗时问题是该研究通往应用领域的艰难瓶颈.以杨氏双缝的鬼衍射为例,通过引入一个收敛判据,研究了一系列影响收敛速度的因素以及收敛特征.计算机实验表明,物体的特征尺度与照明光场的横向相干长度是影响成像速度的共同关键因素.作者希望以此引起人们对关联光学实时化问题的关注.此外,给出的数值热光源的产生方法可为鬼成像的变形-主动照明式激光雷达的光源提供驱动.     

90°临面入射体全息成像系统的深度分辨率

研究了90°临面入射体全息成像系统的三维成像特性。体全息光栅由球面信号光波和平面参考光波干涉记录,并以原信号光作为探测光波进行成像。当探测点光源的位置发生变化时,由于体全息光栅的布拉格选择性,可引起衍射成像光场的显著变化。利用衍射理论计算体全息成像系统的点扩展函数,评价成像系统的纵度和深度分辨率特性。结果表明,探测点光源的位置沿着z轴移动时,衍射光场变化明显。     

相干光照明下无衍射系统的点扩散函数的测量

在分析相干光照明下无衍射成像系统理论的基础上，设计了无衍射光成像系统的点扩散函数的测量系统。利用菲涅耳衍射理论，推导出相干光照明下无衍射系统的点扩散函（PSF）的形式，并分析出点扩散函数的条纹疏密与锥镜的夹角和点光源的位置有关。实验和仿真结果表明，点扩散函数的条纹间距随锥镜夹角增大而变窄，随点光源距透镜距离的增大而变窄。     

赝热光的相干时间对鬼成像影响的理论与实验研究

激光照射旋转毛玻璃产生的赝热光是鬼成像中最常用的光源.文章从理论和实验上研究了赝热光的相干时间对鬼成像的质量和成像效率的影响.理论上，首先指出赝热光场的相干性是由毛玻璃的转动引起的，并基于旋转毛玻璃的时空随机特性，推导了赝热光鬼成像的二阶关联函数，得到了关联重构图像的解析表示.结果表明，在满足探测器的曝光时间远小于赝热光相干时间的条件下，鬼图像的表达式中不包含转速，毛玻璃转速对关联重构图像没有影响.其次，分析了鬼成像中涉及的几个时间尺度，探讨了提高成像质量和效率的途径.经分析，探测器的曝光时间要远小于赝热光源的相干时间，采样间隔要尽可能大于相干时间，这保障了在鬼成像中能探测到有效的光场强度涨落，从而能保证成像质量，又提高成像效率.实验上，分别进行了不同毛玻璃转速和不同采样帧率下的鬼成像的对比，结果表明，毛玻璃转速对关联重构图像没有明显的影响，同一相干时间内的多次采样对鬼成像的质量没有明显提升，从而验证了理论的正确性.该研究为鬼成像质量和成像效率的提高提供了新的思路.     

轴向运动目标的热光高阶鬼成像研究

提出一种基于B样条概率密度函数(PDF,probability density function)估计的复杂纹 理图像分类识别方法,主要包括图像纹理PDF特征学习、 表征以及纹理类型识别3个步骤。在图像纹理PDF特征学习和表征中,引入各向异性高斯导 数方向滤波器获得纹理图像多尺度和 多方向空间结构;然后基于预先固定的B样条基函数,将图像空间结构PDF估计转化为与 基函数相对应的权值向量估计;之 后采用最远邻聚类方法,获得图像空间纹理结构的PDF特征字典库;最后采用最近邻方法, 获得各类纹理在特征字典库上的直方图 分布表示。在纹理类型识别阶段,基于直方图距离测量结果实现纹理图像分类识别。在不同 纹理图像数据库上进行了大量的验证性和对比性实验,实验结果表明所提方法的有效性 和优越性。     

劈裂纳米矩形的Fano共振效应及对不同偏振角入射激光的衰减作用

为了探讨光场的高阶关联对于轴向运动目标鬼成像 成像质量的影响,将热光高阶鬼成像相关理论应用于轴向运动目标鬼成像的研究中。首先, 建立了理想热光高阶强度涨落的轴向运动目标鬼成像模型,给出轴向运动目标高阶鬼成像的 高阶关联函数;接着,设置不同仿真参数对建立的数学模型进行了数值模拟,同时给出了相 关仿 真图像;最后,采用峰值信噪比(PSNR)质量评价方法 比较仿真图像的成像质量,并对仿真结果进行了分析。结果表明,对于轴向运动目标,随着 参考光束的阶数增加,光场的高阶关联将会极大的增加背景 涨落的噪声,导致图像重建质量急剧变差;而信号光束的阶数增加对成像质量影响较小,但 是成像质量会 随着信号光束的增加而增加,最低阶的鬼成像得到的鬼像质量最好。     

运动目标强度关联成像及其在遥感探测中的应用

开展了强度关联成像领域中对于运动目标成像的研究,为了克服目标与系统之间的相对运动引起的图像退化问题,提出了基于参考臂探测器记录的光场强度分布平移补偿进而提高运动目标强度关联成像分辨率的方案。理论和实验结果表明:通过对参考臂探测器记录的光场强度分布进行平移补偿,利用强度关联成像技术仍然可以获取运动目标的高分辨率图像。针对强度关联线性重构和稀疏约束非线性重构算法,分别讨论了遥感探测应用过程中探测噪声对运动目标强度关联成像重构质量的影响。此外,比较了所述技术与现有去运动模糊技术的优缺点。     

纯相位物体的鬼成像

鬼成像因为其具有的非定域特性和突破衍射极限的高分辨率引起了人们的广泛关注。研究了光源的强度波动对纯相位物体的鬼成像的影响。用理论分析和仿真实验证明了光源的强度波动可以影响鬼成像中纯相位物体的信息:光源的强度波动越大,可以从鬼像中得到的物体信息就越多。同时,发现了随着光源强度波动的增大,不同的采样样本得到的纯相位物体的鬼成像中物体信息的差别越大。     

热光关联成像的均方收敛无偏估计方法

关联成像实验和理论证明了光可以用特殊的方式传递信息。文中采用半经典理论,按照赝热光场、光电探测和关联计算的成像过程,系统分析了关联成像的理论基础,并给出了系统的视场、空间分辨率和对比度。在此基础上,对传统关联成像的线性计算方法进行了改进,使之为物体透射函数的均方收敛无偏估计。相应的计算鬼成像仿真实验表明:在相同测量次数下,尤其是低于奈奎斯特采样频率时,该方法显著提高了鬼像的峰值性噪比并有效抑制了背景噪声。     

望远超分辨成像中的视场光阑影响及补偿机理

根据衍射光学理论,分析了基于瞳函数调制的望远超分辨成像系统中,用于视场选择和过滤旁瓣影响的视场光阑的衍射效应对于成像效果的影响机理,并给出了补偿原理和方案。微孔视场光阑和四环带阶跃型位相滤波器分别放置在系统一次像面和出瞳位置。理论分析和仿真表明:视场光阑口径越小,最终像面光斑主瓣越宽甚至失去超分辨效果,旁瓣光强峰值与主瓣光强峰值之比也越高。对此时出瞳处的光场振幅、位相场分别进行多项式拟合,求解进行修正的复振幅型光瞳滤波器设计参数,可以有效抑制视场光阑的衍射效应,获得良好的超分辨成像效果,且超分辨成像与光阑效应补偿合二为一,不会增加系统光路的复杂度。并进行了实际实验,验证了以上设计方法的有效性。以上研究结果可为应用在天文观测、空间探测等方面的超分辨成像系统设计提供依据。     

用"镜像法"处理高功率激光系统中非共轴光路的鬼点问题

高功率激光系统中鬼光束对元件安全造成威胁,并导致主光束质量变坏,故鬼光束会聚点的位置和鬼光束会聚光斑光强的定量分析,对高功率激光系统安全运行非常重要。提出了用“镜像法”分析高功率激光系统中非共轴光路鬼点的方法。即将光路在各反射镜处“镜像”,由“镜像”得到等效光学系统,对等效系统进行鬼点分析后,再将鬼点“镜像”回原非共轴光学系统。结果表明,非共轴光学系统的鬼点情况,可由其“镜像”等效系统决定。     

无像散场曲的衍射机理及其计算研究

首先由衍射成像原理出发得到用波像差函数表示的有像差像点的光强分布的积分式,再由仅有无像散场曲的像点光强分布的积分式推导出其解析计算式,进而分析了无像散场曲产生的衍射机理.模拟实验表明了这一计算和分析是有效而可靠的,有助于像差检测与校正中对场曲进行分析与处理.