基于盖格-雪崩光电二极管的光子计数成像

考虑用传统的成像技术检测光生电荷信号时易受模数转换噪声干扰,本文提出了一种基于单光子灵敏雪崩光电二极管(GM-APD)的光子计数成像方法。该方法以单光子灵敏GM-APD作为探测单元,以全数字化方式实现微弱光学信号的有效检测。建立了GM-APD光子流响应模型,利用马尔科夫更新过程分析了光子探测盲区对GM-APD瞬态响应的影响,得到了GM-APD输出的数字脉冲频率与光子流密度之间的关联表达式。搭建了二维扫描成像实验验证装置,通过实验得到了不同密度光子流条件下的光子计数图像。采用标准化互信息量分析得到,在光子流密度为3.0×104count/s的条件下,该实验装置仍然可以实现可视成像;当光子流密度达到2.7×105 count/s时,标准化互信息量大于0.5;实现了在低光子流密度时采用光子计数方式对目标物体的有效成像。     

光子计数三维成像激光雷达反转误差的校正

实施光子飞行时间测量法时,光子飞行时间测量值受激光回波信号能量的影响会出现测量反转误差,从而影响系统三维成像的精度.本文描述了一种光子计数三维成像激光雷达系统反转误差的校正方法及其实验.提出的反转误差校正方法包含先验模型标定和反转误差校正两个步骤.首先,通过标定法得到系统反转误差相对于激光脉冲响应率的函数关系,建立系统的反转误差预测函数.然后,由系统反转误差函数预测出原始三维图像的反转误差图像并实现原始三维图像的反转误差校正.实验搭建了光子计数三维成像激光雷达系统,采用盖格-雪崩光电二极管(Gm-APD)作为光子探测器,由高速扫描振镜二维扫描获取三维图像.通过时间相关记录仪获取光子到达时间分布,分别得到原始三维图像和激光脉冲响应率.在反转误差校正的测试实验中,系统的测量均方差由校正前的33.2 mm提高至8.1 mm.实验结果表明,该反转误差校正方法可以有效降低光子计数三维成像激光雷达的反转误差.     

基于光子计数激光雷达的时域去噪

激光雷达传统的成像方法需要经过长时间积分探测生成光子计数统计直方图的方式来减少背景噪声的影响,获得目标场景的深度估计信息。为了快速准确地获取目标场景的3D图像,提出基于光子计数激光雷达的三维距离图像时域去噪算法。该算法不需要生成光子计数统计直方图,利用信号和噪声在时间轴上不同的分布特性,结合了泊松过程统计规律。此算法提高了信号的探测概率,能够在低信噪比的环境下将信号和噪声分离,获得目标场景准确的3D图像。实验结果表明在低信噪比的条件下,此算法获得深度图像的RMSE与传统基于最大似然估计成像方法相比成像精度至少提高了3倍。有利于激光雷达三维成像在高背景噪声环境下的使用,拓宽了激光雷达的应用范围。     

楔条形阳极光子计数探测器成像性能的检测

基于楔条形位置灵敏阳极的光子计数成像探测器能够记录入射的单光子或带电粒子两维位置图像。它们在生化科学、空间探测科学、分析仪器等领域有着应用广泛。本文首先详细描述了我们研制的一套WSA光子计数成像探测器样机的设计结构及工作原理;分析了这类探测器的图像畸变产生的原因,提出了校正图象畸变的方法,并得了无畸变的图像;然后我们以美国空军标准分辨率检测板(USAF1951)为目标进行了检测,采集的检测图像显示人的裸眼能分辨出检测板的第2组第6单元条纹。最后,为了消除人眼观测的主观性,我们通过计算探测器对该单元条纹的成像调制度来确保检测结果的准确性。计算结果为：探测器对该单元条纹的水平、垂直方向成像调制度分别为57%、37%。这一结果表明我们的探测器完全能够分辨该单元条纹,对应的分辨率为7.13linepair/mm,即探测器空间分辨率达到了0.14mm。     

Ge薄膜性能及其在光子计数成像探测器中的应用

为改善光子计数成像探测器电荷感应层的性能,提高光子计数成像系统的成像质量,分别用直流磁控溅射法(DC)与射频磁控溅射法(RF)制备了不同厚度的Ge薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪、四探针表面电阻测试仪对两种方法所制备的薄膜进行了结构特征与电学性能的表征。结果表明:两种方法所制备的薄膜均为非晶态结构,DC制备的Ge薄膜比RF制备的Ge薄膜稀疏,其不同膜厚下的电阻率均大于RF所制备的薄膜。实验显示,薄膜越厚其电学性能受氧化影响越小,电学性能越稳定。实验对比了不同方阻下Ge薄膜应用于探测器的成像性能,结果表明:方阻在百兆级范围内时成像效果较好,且方阻变化时成像效果变化不大,但方阻大到2GΩ/□时会导致系统分辨率下降。     

光子计数型Shack－Hartmann波前探测器研究

波前探测器是自适应光学系统的一个关键部分，用来探测由于大气湍流引起的入射光波前畸变。本文通过分析和比较，选用ＩＣＣＤ形式的Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ波前探测器，作为人造信标自适应光学系统的波前探测器。理论分析与实验结果表明：探测器的动态范围与微透镜口径、焦距及探测器工作波长有关；影响探测器波前探测精度的因素有光量子起伏噪声、探测器读出噪声和探测器中光学系统成像质量。     

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。     

使用感应电荷位敏阳极的极紫外单光子计数成像系统

研制了用于月基极紫外成像相机的二维极紫外位敏阳极光子计数成像探测器原型样机,该探测器系统主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形感应位敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1.5mm,有效直径为47 mm的三电极楔条形位敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布、增益、线性及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,探测器的空间分辨率为7.13 lp/mm(即0.14 mm),满足月基极紫外相机对空间分辨率的要求。     

基于单光子探测的光子计数光时域反射仪研究进展

基于光时域反射技术（Optical Time Domain Reflectometry, OTDR）的光纤分布式传感器可以实现对整个传感光纤空间可分辨的分布式测量,相比点式传感器具有极大的技术及应用成本优势。而传统的基于模拟探测的OTDR光纤分布式传感器在空间分辨率及动态范围上存在性能瓶颈。基于单光子探测的光子计数OTDR光纤分布式传感系统通过数字化的探测和记录方式,可以突破传统OTDR系统的性能极限。本文对光子计数OTDR系统技术及发展进行了综述,旨在通过本文的综述,明确基于单光子探测的光子计数OTDR系统的优势及限制,以及该技术的未来发展趋势,促进基于OTDR技术的光纤分布式传感器的进一步发展。     

基于变分贝叶斯的鲁棒自适应因子图优化组合导航算法

复杂环境下的量测粗差和时变噪声严重影响了状态估计的精度和可靠性,对此提出了一种基于变分贝叶斯的鲁棒自适应因子图优化组合导航算法。首先,基于先验和后验两阶段更新将变分贝叶斯推断引入因子图优化框架中,以估计时变量测噪声协方差;其次,利用相邻帧间的平均新息构造量测协方差预测值,作为粗差判据来实现稳健估计。基于INS/GNSS组合导航的仿真和现场实验评估表明,所提方法能在粗差干扰的情况下有效估计时变量测噪声,相比M估计和滑动窗口自适应因子图优化算法的水平定位误差分别减小了26.7%和39.8%,兼顾了估计精度和抗差性能,具有较好的复杂环境适应性。     

基于递归量化观测的复合材料损伤贝叶斯估计方法

针对复合材料损伤定位定量识别中损伤指数构建困难与损伤预测的不确定性问题,提出一种基于递归量化特征观测的损伤状态贝叶斯概率估计方法。该方法无需基准无损信号参考与损伤波包识别,采用Lamb波信号的递归量化分析(RQA)特征,从结构非线性动力学角度对复材板内部损伤进行观测,根据特征与损伤位置大小的相关性与单调性进行了敏感特征筛选。根据各传感路径信号的RQA特征与损伤形态参量间的线性/非线性关联特性,采用多变量二次交互模型建立了损伤状态的特征描述空间。综合考虑各传感路径中RQA特征对损伤观测的不确定因素,建立了复材板损伤状态的观测模型,采用贝叶斯更新算法对复材板损伤位置尺寸进行估计。复材板的脱层损伤仿真分析结果表明,本文提出方法无需分析结构损伤与Lamb波的复杂交互机制,就能同步实现复材板内部损伤的量化评估与定位分析,估计出的损伤位置大小在仿真模型的损伤参数设定值的75%置信区间内,损伤估计成像区域与仿真损伤区域相符合。复合材料板的疲劳损伤试验分析结果表明,采用本文方法经过24次迭代更新后,得到的损伤面积与大小完全覆盖了X射线扫描检测的真实损伤。该方法充分考虑了复材板损伤评估中的不确定因素,更加贴合复合材料结构损伤检测与评估的工程实际应用,具有较好的应用前景。     

基于小发散角的投影式集成成像三维显示再现深度的拓展

针对集成成像裸眼三维显示技术受三维再现像再现深度的限制而无法实现大规模应用的问题,提出了一种基于小发散角的投影式集成成像三维再现深度的拓展方法.该方法利用投影式集成成像显示系统和一个辅助透镜来控制元素图像阵列中各像素点的发散角度,利用小发散角度实现了再现深度的拓展.与传统的多中心平面拓展技术相比,该方法具有系统结果简单,扩展效率高,对显示器件要求较低的优点.光学实验结果显示,当元素图像阵列中各像素点的发散角为1.79°时,集成成像三维再现深度是原来的6.4倍,比传统的多中心平面扩展技术实现的4倍再现深度提升了60％,为提高集成成像三维再现像的品质提供了一种有效的解决方法.     

光子计数探测器感应位敏阳极的电子云扩散

针对基于感应位敏阳极的光子计数成像探测器中非晶态Ge(α-Ge)膜的方块电阻对探测器成像性能的影响,研究了方块电阻的选配范围和方法。由于方块电阻的大小会影响Ge膜上的电子云的扩散特性从而影响探测器的计数率和分辨率,故本文根据菲克(Fick)扩散定律分析了吸收边界条件下非晶态薄膜上电子云的扩散特性。确定了电子云扩散时间与Ge膜方块电阻之间的数学关系,推导获得了探测器高质量成像时非晶态Ge膜方块电阻的阻值为30～2 700MΩ/□。采用具有不同方块电阻的感应位敏阳极进行了实际成像实验,结果表明:当Ge膜方块电阻在上述范围时,光子计数探测器在计数率为53kc/s时分辨率可以达到0.5mm。实验结果证明了推导得出的方块电阻选配范围的正确性。     

基于贝叶斯复合分位数回归的参数估计及应用

针对传统最小二乘估计易受异常点干扰及稳健性较差的问题,建立了基于复合分位数回归估计的数据拟合预测模型。为了克服复合分位数回归在估计参数时忽视了参数的不确定性,致使估算出的参数精度不够高的缺点,将贝叶斯分析法与复合分位数回归相结合,提高了参数的估算精度。实证分析表明贝叶斯复合分位数回归估计优于复合分位数回归估计,而复合分位数回归估计优于传统最小二乘估计,值得工程技术人员借鉴。     

基于最佳记录距离的三维集成成像光学获取技术

针对三维集成成像与显示技术中光学阵列式物体三维信息获取的要求,提出了一种确定最佳记录距离的新方法来减少相邻成像单元间的干扰和三维再现过程中的串扰现象.通过分析大小不同的物体在不同记录距离处的物点成像率和像点利用率,确定了合理的记录距离.分析结果表明,对于特定的集成成像系统,该新方法确定的最佳记录距离处的物点成像率和像点...