计算光学成像在散射中的应用

自然界中普遍存在光散射现象。如何通过散射介质实现高分辨率成像是光学成像领域亟待解决的重要问题。在早期研究中,多重光散射被认为是雾霾、云层、生物组织等复杂介质成像中的障碍。然而,最近研究表明,散射并不是成像的基本限制:光子在经过多次散射后仍然包含了大量信息。为了深入了解新兴的计算光学成像是如何解决多重光散射问题的,文中主要介绍了波前整形、散斑相关及深度学习等方法在散射成像领域中的研究进展。最新的研究成果表明:波前整形可以实现动态散射介质内部的高分辨率快速聚焦;散斑相关能够利用单帧散斑实现非侵入式成像;基于深度学习的成像技术能恢复出隐藏在光学厚度为13.4的白色聚苯乙烯平板背后的物体。     

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。     

宽视场远距离光学散射成像技术研究进展

散射体内部颗粒分布及折射率分布的不均匀对经过散射体的携带目标信息的光子传播造成干扰,导致直接探测的图像失真。针对该问题,发展了众多的光学散射成像技术,实现了部分特定散射介质条件下的目标成像。介绍了基于弹道光子优化采集的部分传统散射成像技术的原理,还介绍了最新发展的计算散射成像技术的基本原理与技术特点。计算散射成像技术正朝着充分利用大光学厚度散射介质引起的非弹道光子的方向发展,其中基于光学记忆效应和相位恢复的算法、相干衍射成像、叠层迭代引擎等计算成像技术可能适应厚散射介质动态变化、目标非稀疏性等特点,有望应用于宽视场、远距离散射成像领域。     

强散射随机介质中吸收物体的成像

以宽带连续光为光源对隐藏在强散射随机介质中的吸收物体成像进行了实验研究，用一种新的图像处理方法恢复了被散射光所淹没的吸收物体的像。由于人体组织为光的强散射介质，因此该研究在医学成像中有很大的潜在应用价值。     

超短脉冲在散射介质中传播的时间和空间特性研究

采用蒙特卡罗方法,研究了散射介质各向异性因子等参数对超短脉冲在散射介质中传播的时间和空间分布以及各散射阶次光子强度比例分布的影响。研究结果表明,当各向异性因子或吸收系数减小、散射系数或传播深度增大时,脉冲的时间展宽和空间扩散都随之增强,高散射阶次光子强度比例也随之增大。     

全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展（特邀）

散射是光学成像中普遍存在的现象,成像路径中存在的烟雾、水体、生物组织等散射介质导致光束发生随机散射效应,使得像面处目标信息以杂乱无章的散斑形式存在,如何应对散射介质对成像的限制是当前光学成像领域的研究热点。全息技术能够记录和重建物体全部信息,是获取和解译光场信息的有力工具之一。近年来,传统全息以及相关全息理论被推广应用至散射成像领域,取得了一系列突破性成果,文中主要介绍与归纳了散射成像领域中应用全息技术的理论原理、发展历史及最新进展,并展望其发展前景。     

基于单光子探测的目标光学散射特性研究

研究了目标物体的单光子散射回波特性,基于红外单光子探测器和皮秒激光器搭建了目标光学散射特性测量系统,以回波光子数作为单光子条件下目标光学散射特性的表征。实验研究了不同形状（球体、立方体、圆柱体、圆锥体）目标物体的单光子散射特性,并利用双向反射分布函数模型对实验结果进行拟合,理论拟合结果与实验测量结果能够很好地吻合。进一步对不同材质（瓷砖、木材、外墙砖）目标物体的单光子散射特性进行了研究,并将实验结果与传统波动散射特性进行了对比分析。该研究为单光子激光雷达远距离目标识别与探测的相关工作提供了参考。     

布里渊散射在水下激光成像探测中的应用

水下光电成像探测是声纳技术的一种有效补充,然而水下激光成像的后向散射效应严重影响了水下光电成像探测的分辨能力与探测距离.基于激光水下传输的布里渊散射理论,分析了蓝绿激光及其布里渊散射水下传输特性,研究了基于光子晶体滤波器的布里渊散射频移检出技术,设计了同步扫描布里渊散射水下成像装置以及距离选通布里渊散射水下成像装置,以布里渊散射频移的空间分布替代场景反射光强度的空间分布进行水下成像探测,高效抑制水下激光成像后向散射噪声,提高成像探测的作用距离.布里渊散射水下激光成像探测机理的探索将为水下目标光电成像探测技术的发展开辟新的途径.     

半无限空间中光子密度波扩散方程的求解

改进了原无限大模型，求解了无限大空间中光子密度波的扩散方程，找出了相应条件下的Green函数，演算出了与入射面相对应的光子通量和介质中的吸收系数改变量之间的关系，所用模型更接近于实验研究情况，所得结论能直接用于多散射介质中成像问题的实验研究。即通过对光子通量的检测，反演出吸收系数改变量的分布，从而实现用光子密度波理论在多散射介质中的成像问题的解决。     

沉没在高散射介质中的吸收体和散射体的 扩散光子密度波取象

我们使用扩散光子密度波法研究了沉没在高散射介质中的吸收体和散射体的取象,并对含有吸收体和加入不同颜色染料的散射体的取象实验结果进行了比较和分析。从实验结果可以得出用扩散光子密度波法可以探测强散射介质中吸收体或散射体的存在、大小和形状;以及在强散射介质中的散射体内加入不同颜色的颜料时,散射信号会发生不同的变化。     

一种微光像增强器阴极选通模块的设计

高速成像分幅相机通过阴极选通模块控制微光像增强器的光电阴极选通工作可实现ns级的时间分辨率,传统阴极选通模块存在开关速度慢、只有负压输出或正负压不能满幅值输出等问题。本文基于CMOS推挽输出结构和电压电平转移电路,设计实现一种能够使用低边驱动器驱动PMOS和NMOS开关的阴极选通模块,并采用死区时间控制避免上、下管交叉导通。实测验证该电路具有结构简单、性能可靠等优点,实现了ns级上升、下降沿,占空比0~100%可调和满幅值+30~-200 V脉冲输出,十分适合微光像增强器阴极选通使用。     

基于背景重构的运动对象越界侦测方法

提出了一种基于背景重构的运动对象越界侦测方法,该算法利用当前视频图像和背景视频图像,通过差分法获取运动对象模型和背景差值,再利用运动对象模型的连续性绘制运动对象轨迹,对轨迹和警戒线交叉方程进行越界侦测。同时,利用当前视频图像融合背景图像生成新的背景图像,能有效保证识别算法的自适应性,提高侦测结果的准确性。     

线性调频激励的红外热波成像检测技术

线性调频激励的红外热波成像检测技术是一种基于线性调制热波信号处理的主动式红外热成像技术,能够弥补传统红外锁相热像检测的单一调制热波只能探测相应扩散深度缺陷的不足,可准确检测不同深度范围内的缺陷形状及尺寸。阐述了线性调频红外热波成像检测技术的原理、分析方法和实验。采用有限元方法对线性调频啁啾(Chirp)规律变化热流在构件中的传递过程进行了分析。利用相关算法计算了表面温度(热波)信号的相关峰值及其对应的时间,形成了表面温度相关峰值图像与峰值时间图像。利用Chirp规律调制卤素光源作为热激励源对金属平底孔试件进行激励加载,通过Jade MWIR 550 焦平面红外热像仪进行图像序列采集。分别利用时域相关处理与频域FFT扫描得到了表面温度(热波)信号的相关峰值及对应时间图像和不同频率下的相位图像。试验结果表明,在给定激励条件下,相关峰值图像和频域相位图像能够可靠地确定不同深度缺陷的几何特征。     

基于FPGA的实时PHAT加权广义互相关时延估计器

针对水下超声探测的应用需求,在对广义互相关时延估计算法的研究基础上,设计了一种基于FPGA的实时的PHAT加权广义互相关时延估计器。在设计中应用流水线结构提高了系统的工作频率,利用DSP Builder和硬件描述语言联合设计降低了设计的难度。仿真和实验结果表明,所设计的时延估计器时延估计准确,其工作频率可以达到92.79 MHz,能够满足实时性的要求。     

A novel Siamese network object tracking algorithm based on tensor space mapping and memory-learning mechanism

The tracker is a core component of the tracking algorithm, but it is difficult to identify the object, which is a challenge to improve the tracking accuracy. This paper proposes a Siamese network-based tracking algorithm based on tensor space mapping and memory-learning mechanisms. Firstly, the source image is mapped to the tensor space to serialize the feature distributions. Then the gating mechanism is used to extract the association information about the adjacent state, which guides the update of the subsequent state, and the interactive information on the objects is used to locate the object. On this basis, a memory-learning module is built to traverse and extract the fine-grained features, which can filter the semantic information of the object learned by the tracker. As a result, the tracking accuracy is enhanced. The experiments show that the proposed algorithm has better performance than that of the comparison methods in the OTB100 data set and the VOT data set.     

用于近贴聚焦微通道板象增强器的新颖控制电路

近贴聚焦微通道板(MCP)象增强器由于具有高的时间和空间分辨率、宽广的光谱和输入强度动态范围、高的增益以及能记录单次瞬变现象,经常被用作超高速的光快门(光闸)。 微通道板象增强器与控制其快门作用的选通脉冲发生器相结合,便构成具有高的光增益和快速响应的超高速相机。本文比较了对一个典型第二代象增强器(18mm,ITT-F4111型象增强器)进行脉冲控制的三种方式。在此基础上,提出了在象增强器的光阴极进行选通的、能产生大幅度毫微秒脉冲的新颖控制电路。实验表明,用这种控制发生器,相机的曝光时间可达到约2 ns。文中还讨论了控制发生器与象增强器之间的匹配,并提出一个简单而有效的方法,借此可以消除在单次摄影中必须绝对避免的多次曝光现象。     

基于CZT的多子带信号时差估计方法

针对稀疏多子带信号多子带综合时差估计难,高分辨时差估计计算量大的问题,提出了一种基于线性调频Z变换(CZT)的稀疏多子带信号融合的快速高分辨时差估计算法。该方法通过CZT对各子带信号的互谱进行高分辨的谱分析得到各子带信号的高分辨互相关函数,通过分析各子带互相关函数的相位关系实现各子带互相关函数的相参积累。相比传统广义互相关算法,该方法在实现多子带相参积累的同时,大大降低了计算量。仿真结果表明:提出的基于CZT的多子带融合快速时差估计方法能精确地估计时差,相比单子带信号的时差估计性能可以获得明显提升。     

Reconstructing images from their most singular fractal manifold

Real-world images are complex objects, difficult to describe but at the same time possessing a high degree of redundancy. A previous on the statistical properties of natural images reveals that natural images can be viewed through different partitions which are essentially fractal in nature. One particular fractal component, related to the most singular (sharpest) transitions in the image, seems to be highly informative about the whole scene. We show how to decompose the image into their fractal components. We see that the most singular component is related to (but not coincident with) the edges of the objects present in the scenes. We propose a new, simple method to reconstruct the image with information contained in that most informative component. We see that the quality of the reconstruction is strongly dependent on the capability to extract the relevant edges in the determination of the most singular set. We discuss the results from the perspective of coding, proposing this method as a starting point for future developments.     

基于克尔晶体的FROG光学任意波形测量技术

利用光克尔效应和交叉相位调制效应,采用基于矩阵的主元素广义投影(PCGP)算法,提出了基于克尔晶体的频率分辨光学开关法(FROG)光学任意波形测量方案.建立了基于克尔晶体的FROG光学任意波形测量的理论模型,并对该方案进行了仿真研究,讨论背景噪声处理、门函数形状、门波形幅度对波形恢复的影响.仿真结果表明:该方案可以实现对光学任意波形的幅度和相位的准确测量;门脉冲采用矩形波形时,光学任意波形的测量准确性较高.     

高斯拉普拉斯算子在联合相关变换器中的应用

提出将高斯拉普拉斯算子应用在光电联合相关变换器中进行谱面图像的增强处理.光电混合联合变换器可实现对目标的实时探测、识别及自动定位,但由于实际中采集到的图像的对比度较低,且存在大量背景噪音,影响了目标的识别率.根据高斯拉普拉斯变换对高斯噪声不敏感的特性,结合了自适应阈值、边界跟踪和细化技术,对图像噪声进行滤波的同时,对图像进行了增强处理,这样最大限度地保留了光谱图像的细节信息,提高了光电联合相关系统的目标识别率.