基于偏振分束的磁光成像技术研究

针对现有磁光成像技术的测量结果难以量化且受光源波动影响较大的问题,提出了一种基于偏振分束的磁光成像新方法.根据偏振光的琼斯矢量描述方法推导出偏振分束法测量旋光角度的模型,并由此模型分析得出,从旋光物质出射的偏振光经偏振分束装置后输出的平行分量和垂直分量进行“差除和”的结果与入射光强无关,只和旋光角度值相关;由此原理,设计了基于CCD的检测平台,对旋光角度场进行了测量实验,又采用归一化互相关和“差除和”算法对测量图像进行了处理;最后,进行了基于该方法的磁光成像应用实验研究.实验结果表明,与传统磁场成像方法相比,该方法操作简单,结果易于量化,不受光强波动影响,误差降低约3倍,且稳定性较好.     

基于成像提取的RCS精确测量方法研究

高精度雷达散射截面(RCS)测量对背景环境具有较高要求,当背景环境存在较强干扰时,通过背景矢量对消难以消除杂波影响。提出基于成像提取的高精度RCS测量方法,从背景杂波中分离和提取出目标的散射信号,从而提高了测量的精度。首先推导了像与RCS的数学关系,然后利用转台模式下的测量回波进行成像处理,得到目标区域的二维像;从成像区域中提取目标的二维像,通过波谱变换和定标获得目标的RCS。仿真结果表明,该方法对于具有干扰情况下的RCS测量,可以改善3~5 d B的测试精度,并且能够对弱散射目标进行测量。实验结果表明了成像提取方法的有效性和准确性。     

一种实现线性无衍射结构光的方法研究

提出一种新的以光学测量为目的的线性无衍射结构光实现方法—组合三角棱镜法。利用衍射原理及菲涅尔近似原理,对平面波入射棱镜后光场的光强分布进行严格数学推导,得到了精确解的表达式,根据推导结果运用软件对棱镜后光强分布进行了模拟仿真。结果表明,所产生的线性结构光具有无衍射特性,且在中心线上具有更高的光强分布,该光源可作为表面形貌的线结构光测量。     

光学系统清晰成像的逆源研究

在建立部份相干系统成像的数学模型之后,本文讨论相干度对成像的影响,提出了改善成像清晰度的逆源方法:按所需相干度求出适当光源,不论像面是否处于准确位置,其成像清晰度较通常优良成像系统有明显地提高。并用实验证实了这种方法。     

压缩传感用于极弱光计数成像

为解决灵敏度达到单光子水平的面阵探测器件其单位像素上灵敏度有限和测量数多等问题,研制了具有极高灵敏度的成像系统来实现欠采样的极弱光成像探测。该成像系统基于光子计数成像技术和压缩感知理论,利用数字微镜器件(DMD)完成随机空间光调制,通过单光子点探测器收集光子,以计数形式记录下光强值。然后,利用算法重建出极弱光照明下的图像。文中设计了相关实验,研究了测量数、光强极弱程度和测量时间对成像质量的影响。最后,引入了图像质量评价标准和系统信噪比,分析对比了实验数据。结果表明,当测量数高于信号总维度的19.5%时,系统能完美成像,信噪比可低至2.843 8dB,DMD单位像素上的平均光子数可低于1.106count/s,成像的关键在于信号的波动大于噪声的波动。该成像系统基本满足了极弱光成像探测在光强、灵敏度和采样数等方面的要求。     

采用双三次插值的空间目标偏振成像

为了解决暗弱场景下空间目标与背景对比度过低,无法区分的问题,采用分焦面偏振成像系统分别对室外暗弱场景、室内空间模拟环境进行成像;为了弥补分焦面偏振成像系统图像分辨率下降的缺点,采用双三次插值算法进行上采样。通过分焦面偏振相机的一次曝光便可获得4个不同偏振角度下的光强图,进而解算出偏振度图像和偏振角图像,并与传统的光强图像进行对比;利用双三次插值算法对4幅光强图进行上采样提高图像分辨率,然后再解算出偏振度图像,与未通过上采样获得的偏振度图像进行对比。实验结果表明,偏振成像较之传统的光强成像,目标的对比度获得了提高,边缘信息、纹理信息得到了更好的展现,偏振度图像与光强图像相比,与对比度有关的EME指标至少提高了17%,双三次插值算法提高了成像分辨率。应用双三次插值算法的分焦面偏振成像系统,对暗弱场景下的空间目标的识别具有潜在的应用价值。     

成像标定法测量半导体激光器慢轴远场分布

利用远场成像及标定对比方法,建立了半导体激光器慢轴远场分布的CCD测量系统。介绍了测量的原理和测量系统的组成,并给出了半导体激光器慢轴远场分布的测量结果。实验结果表明,该方法实时性好,测量快速、准确,人为误差因素少,适合仪器化。     

单像素复振幅成像及实验分析

光场的光强信息和相位信息成像在医学、光学测量、三维成像等领域至关重要。设计了一种无需参考光束即可实现光场复振幅成像的单像素成像系统。该成像系统通过相位型光学掩模对光场信息进行调制，利用无分辨率的光电探测器探测调制后的光强信息，应用phaselift算法恢复光场的光强与相位信息。利用单像素成像系统对衍射光场及透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜物体进行了成像实验，从成像结果中可以清晰看到衍射环的光强信息与相位信息。实验中物体薄膜的相位差为0.053，刻线宽度为220 μm，实验得到图像相位差为0.046和刻线宽度为256 μm，与传统检测手段得到的图像信息非常接近。该系统的成像光路无需参考光束，系统简单便于集成，促进了便携式成像系统的发展，可应用于宽光谱成像，在光场复振幅成像方面具有较大发展潜力。     

纳米分辨微小光斑光强分布检测系统设计

介绍了现有的微小光斑测量技术,针对纳米分辨率检测精度要求,对纳米分辨微小光斑光强分布检测技术进行深入研究,设计和构建了具有纳米分辨的微小光斑光强分布检测系统。利用该检测系统进行了低数值孔径弱聚焦下所形成的微光场光强分布检测实验,得到较好的光强分布图。实验结果表明,该检测系统具有可靠性高、稳定性好、便于操作等优点。     

利用激光散斑测量CCD的调制传递函数(MTF)

本文分析了抽样成像系统的OTF,并讨论了与透镜OTF的非相干耦合问题,同时提出了一种新的测量CCD的MTF的方法。这种方法利用激光产生的散斑,在CCD的接收面上产生一个已知能谱分布的入射光强函数,对CCD信号进行A/D变换,作快速傅里叶变换(FFT),即可得到输出谱,从而求得MTF。该方法可直接对器件进行测试,不需要精密的准直设备和高质量的成像透镜,也不必对CCD的输出加放大电路,简便易行,能够满足对CCD性能进行快速检测的要求。本文测定了东芝TCD102C-1型CCD的MTF曲线。     

长焦距离轴三反测绘相机的外场立体成像

在地面模拟了长焦距、宽视场离轴三反光学系统的在轨立体成像,通过对图像的数据处理和分析,验证了离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性。提出了长焦距离轴三反测绘相机外场立体成像的单点成像方法。在该方法中,单台离轴三反相机通过旋转转台对靶标成像,根据规划的相机交会角旋转靶标,并精确测量出靶标的旋转角度,通过靶标的旋转来模拟两线阵相机的相机夹角。在外场立体成像中,根据轨道高度、外场立体成像的物距及理论设计需达到的高程精度和平面精度设计地面靶标。最后,对成像方式进行处理,验证了离轴三反测绘相机立体成像的可行性;对提出的外方位元素、两相机最佳夹角的测量方法进行了精度分析。该单点成像方法具有实用价值,可用于长焦距离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性验证。     

稀疏基阵水下声成像的压缩感知方法

声传感器基阵式成像是水下目标探测的主要方法之一。在保证成像质量的同时,采用稀疏基阵是降低系统复杂性的有效途径。另一方面,成像方法也是关键技术之一,其性能直接决定成像质量的优劣。在前期研究的稀疏阵基础上,提出了压缩感知成像方法用于水下成像。回波经传感器基阵接收并进行信号分离后,获得各虚拟通道信号,利用压缩感知方法进行成像。在提出的成像方法中,采用了自适应块贝叶斯算法,它能够在噪声环境下较为准确地恢复图像。此外,根据声信号特点设计字典,并按算法特性设计了数据排列规则。实验表明:通过自适应块贝叶斯算法的压缩感知成像能够可靠地对水下目标进行成像,目标的几何特征明显。     

基于扩张状态观测器的快速步进/凝视成像机构控制

提出一种基于扩张状态观测器并引入加速度补偿策略的控制器设计方案,以实现快速步进/凝视成像机构对控制性能的高要求。首先,阐述了扩张状态观测器理论,对其特性进行了详细分析,并设计了以成像机构为被控对象的三阶线性扩张状态观测器。通过将观测器置于速度内环反馈通道,设计了基于扩张状态观测器的位置和速度双回路控制器。在此基础上,利用观测器输出的加速度估计值,提出加速度补偿策略,并设计了补偿环节。实验结果表明,与无加速度补偿环节相比,引入加速度补偿后,成像机构每次步进调节时间由76ms减小到33ms,凝视期间的角位置精度由约0.07°减小到0.01°以内,速度波动减小约2~3倍,成像机构的控制性能明显改善。控制器设计简单,需整定参数少,对于提高同类控制系统性能具有较高的实用价值。     

双臂对称性对压缩传感用于关联成像重构的影响

根据压缩传感理论和关联成像模型,将压缩传感理论应用于关联成像中,实现了传统的双臂关联成像的压缩传感重构。通过仿真实验验证了压缩传感用于关联成像的可行性,以峰值信噪比（PSNR）为衡量指标,分别对压缩传感和传统关联算法的重构图像质量进行了量化。仿真实验表明,压缩传感和关联算法的重构效果均随测量次数的增加而变优,在相同的测量次数下,压缩传感在关联成像中的重构图像的PSNR比传统的关联重构图像高20 dB以上。将压缩传感用于实际双臂关联成像的实验结果表明,压缩传感可以实现双臂关联成像装置的图像重构,但其重构质量很难优于传统关联算法的重构。针对这一实际实验与仿真实验似乎相矛盾的特殊现象,从双臂对称性的角度进行了合理解释,并利用实验中实际的散斑场对该现象进行了验证,最后提出了解决方案。     

一种MCP光子计数位置灵敏探测器图像采集系统

光子计数位置灵敏探测器在光子、粒子成像领域应用广泛,而图像采集系统是其重要组成部分。在介绍光子计数位置灵敏探测器的工作原理的基础上,分析了实现计数成像功能的软硬件需求,并设计了一套满足该需求的软硬件平台;依据该设计搭建了图像采集系统的硬件平台并采用LabVIEW编写了图像采集软件;最后进行成像实验验证了该套图像采集系统的性能。实验结果显示,基于该图像采集系统光子计数位置灵敏探测器能够将空间频率为7.14lp/mm的目标分开,表明该图像采集系统实现了其预期功能。     

表面粗糙材质的复折射率反演

由于目标偏振特性研究中表面粗糙材质的复折射率很难准确反演,本文对常用的Vimal-Milo反演法进行了改进。分析了粗糙表面的偏振二向反射特性,指出了Vimal-Milo法采用的"偏振度-角度相关"反演模式的不足。然后,提出了基于"相对偏振分量-角度相关"的反演方法 ,推导出复折射率的反演公式,并设计了对应的全局搜索算法。最后,利用绿漆及铝板的偏振特性测试数据,对提出的复折射率反演算法进行了验证,并基于此对偏振二向反射特性进行了正向推演验证。反演数据表明:使用本文提出的复折射率反演方法,表面粗糙铝板的复折射率的反演精度较Vimal-Milo法有了显著提高,实部和虚部与真值的误差均在±0.01以内,且评价因子小于0.07;推演数据表明:表面相对光滑的绿漆的偏振二向反射亮度的推演结果为Vimal-Milo法得到的均方根误差的1/5,与测试数据的误差在0.01以内。得到的结果证明本文所提复折射率反演方法可用于光滑及粗糙表面材质的复折射率反演。     

基于球壳聚焦阵列的超声成像检测技术研究

为提高超声成像对比度和分辨力,研究了一种利用球壳聚焦阵列进行目标散射成像的方法。球壳聚焦阵列中的部分阵元发射聚焦声波,声波作用于目标后发生散射,回波被余下的阵元所接收,阵列中的发射阵元和接收阵元随机选择,以达到抑制旁瓣的作用。借助三维自动扫描机构,可获得聚焦波束沿被测物体表面的散射回波强度,从而实现对目标的成像。计算机仿真结果表明,球壳聚焦阵列可减小主瓣宽度,并有效降低聚焦波束旁瓣。水池实验结果表明,基于该阵列的散射成像方法具有亚毫米级的成像分辨力,能够获得较高对比度的图像。     

板结构裂纹兰姆波阵列复合成像方法研究

针对板结构中裂纹方向识别及定量检测问题,提出了一种板结构兰姆波阵列复合成像方法。利用超声阵列采集的单模态兰姆波全矩阵数据,分别提取其幅值信息和极性信息,进行全聚焦成像和极性一致成像,并利用极性一致成像对全聚焦成像进行了加权处理;对全阵列进行子阵列划分,计算出各子阵列的特征矢量,并进行加权合成,得到矢量全聚焦成像;利用全聚焦成像的强度信息和矢量全聚焦成像的方向信息,综合得到兰姆波阵列的复合成像,并从中提取出缺陷的方向及空间分布范围等信息。实验结果表明,提出的兰姆波阵列复合成像方法可以很好地实现板中多个裂纹方向识别,其角度测量误差在20%以内。本文工作为裂纹缺陷识别及定量检测做了有益探索。     

雨夜条件下的红外可见光视频融合目标跟踪

针对雨夜条件下目标外观特性衰退,造成目标搜索与跟踪过程中难以适应混杂背景干扰及雨滴突变干扰的问题,提出了一种基于背景抑制的红外可见光融合目标跟踪方法。该方法考虑了目标跟踪时间和空间两方面的外观分布特性,采用了多通道成像数据对前景目标进行特征表示,有效抑制了夜间条件下的混杂背景干扰。在目标模型更新过程中,本文通过分析雨滴突变造成的目标表示变化规律,采用突变检测模型,降低了雨滴突变对模型更新的干扰。实验采用了真实环境采集的雨夜条件的红外可见光视频,实验结果说明,本文方法优于现有目标跟踪方法,能够有效提高雨夜条件下的目标跟踪精度。