0.33 THz雷达三维近场成像系统设计及成像试验

提出了采用步进频率结合平面扫描的THz雷达近场成像系统设计方案,基于宽带全息成像原理,可以实现三维高分辨率近场成像。采用多通道收发探头阵列缩短机械扫描行程,提高成像速度。给出了基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）和Stolt插值的三维图像重建算法,成像理论分辨率与波长相当。利用THz矢量网络分析仪和辅助设备,搭建了0.215~0.33 THz成像试验装置,完成了对多层金属-泡沫目标三维成像,成像分辨率达到预期水平,验证了系统设计和三维图像重建算法的正确性。     

一种基于集成成像生成计算全息图的方法

提出了一种基于集成成像生成三维(3D)物体计算全息图的方法。利用微透镜阵列获取微图像阵列,通过像素提取获得正交投影子图像阵列,根据3D中心切片理论,将各正交投影子图像的二维(2D)傅里叶频谱放入相对应的3D傅里叶空间中,提取其相交的部分并叠加,可以获得3D物体在透镜后焦面的频谱信息分布。计算出在一定传播距离处的菲涅耳衍射分布,用全息编码方法生成菲涅耳计算全息图。进行模拟再现,给出在不同再现距离上获得的再现像,验证了该方法的可行性。该方法能够在非相干光照明的情况下采用3D傅里叶频谱制作真实3D物体的全息图,它减小了系统的复杂程度,在算法实现上更加简单。     

选择型照明傅里叶叠层成像提取粒子尺度

提出了一种粒子尺度信息提取方法,通过将傅里叶叠层思想应用到粒子尺度信息提取中实现了比/NA更高的空间分辨率。在传统的傅里叶叠层成像系统中,采用一个二维LED阵列作为光源以获得不同角度的照明,通过扫描阵列中的所有LED,获取一系列低分辨图像,然后利用这些低分辨图像生成一幅高分辨图像。为了减少所需的低分辨图像幅数,进一步提出了选择型照明傅里叶叠层成像提取粒子尺度信息的方法,通过分布在一个圆周上的LED提取粒子尺度信息,根据分辨率极限公式给出了圆周半径的选择方法。仿真结果结果表明提出的方法在不损失精度的前提下能够大幅度减少需要的低分辨图像幅数。     

基于隔行扫描奇偶场图像的动态物体三维面形测量

存基于傅里叶变换轮廓术(FTP)的动态物体三维面形测量中,选用隔行扫描CCD相机记录动态图像,由于其一帧中两场图像时间上的分离性,导致帧图像错位模糊,使测量误差增大甚至产生错误.针对这一问题,提出利用隔行扫描CCD获取动态物体的错位模糊帧图像分成两个单场图像,各自直接利用FTP重建物体面形的新方法.理论分析得出单场图像与准确的满帧图像重建物体三维面形是完全相同的结论;仿真及实验结果都表明该方法的有效性.该方法既保持了原有准确帧图像的重建精度,又使整个测量系统的时间分辨率提高了1倍;实现简单快捷.     

基于多快拍图像联合的MIMO雷达三维成像方法

为了提高多输入多输出(MIMO)雷达三维成像沿运动方向的方位分辨率,该文从多快拍图像联合利用的角度入手,提出一种新的多输入多输出-逆合成孔径雷达(MIMO-ISAR)三维成像方法。其基本思路是通过对一段时间观测下二维平面阵列获取的多个单快拍三维图像进行相干处理,沿着散射点线性拟合的方向提取峰值并重构出新的三维图像。仿真实验结果表明,与单快拍三维成像方法相比,该方法可以显著提高成像结果沿运动方向的方位分辨率;与现有基于重排和插值的经典MIMO-ISAR方法相比,该方法对慢速和快速运动目标均适用,得到的成像结果聚焦良好并能够有效抑制沿运动方向的旁瓣。      

机载圆周SAR成像技术研究

机载圆周合成孔径雷达(CSAR)作为一种新兴的成像模式,具有全方位观测、高空间分辨率和可三维成像等优点。随着CSAR成像技术的不断发展,现已逐渐成为对重点区域实施精确观测的有效手段之一。该文重点阐述了作者所在研究团队近年来在机载CSAR成像技术方面完成的研究工作,包括机载CSAR成像模型,空间分辨率评估,CSAR二维成像,基于单圆周CSAR的目标三维图像重构和多基线CSAR(HoloSAR)三维成像等技术,并给出了P, X两个频段机载CSAR的实测数据处理结果。已取得的研究成果证明了机载CSAR成像的有效性和实用性。该文主要内容基于作者2019年8月16日在“雷达学报第五届青年科学家论坛”上的学术报告。      

主动遥感用超分辨率技术

1 引言 对于任何一种基于合成孔径雷达(SAR)数据的处理方法来说,分辨率都是一个基本限制.常规的雷达成像技术一般是利用快速傅里叶变换(FFT)从目标散射场中确定目标的空间位置的.这些图像的分辨率会受到询问雷达系统的带宽以及被观测目标所处的搜索角扇区的限制.在这种情况下,超分辨率就有可能通过增加分辨率来提高系统性能.超分辨率是通过引入并行数据增加一幅图像(时间序列)的有效带宽从而扩充数据集的过程;因而,由数据集的大小所施加的瑞利分辨率可以通过引入并行数据来加以克服.     

空间频谱约束傅里叶叠层成像重建方法

傅里叶叠层成像是一种能够同时实现大视场和高分辨的成像方法,公开发表的文献表明其空间分辨率极限由照明数值孔径和物镜数值孔径决定。为了进一步提高其分辨率,提出了频域和空间约束傅里叶叠层重建方法:利用传统重建算法获得的空间频谱进行频域约束,以传统重建算法获得的图像进行空间约束;该方法基于一个假设:图像具有稀疏特性;从传统重建算法获得的图像中提取所需的频域和空间约束条件,不需要额外采集数据和硬件改进。仿真和实验结果表明:与传统无约束重建方法相比,提出的算法能够提高分辨率和改善对比度,空间分辨率提高幅度高达~26%。     

基于稀疏重构的全极化SAR联合多维重建

各极化通道独立处理和三维分步成像会忽视数据之间的关联性,造成散射中心的失配以及极化散射矩阵获取的不准确。鉴于此,该文提出一种基于稀疏重构的全极化联合多维重建方法。该方法通过设置联合稀疏约束对所有极化通道及所有维度进行联合,将全极化多维重建建模为多通道联合稀疏重构问题。通过数据插值对模型简化后,结合三维快速傅里叶变换、共轭梯度法和牛顿迭代法给出一种高效的模型求解方法,可以同时得到极化散射矩阵和目标三维信息。该文方法保证了不同极化通道、不同维度的稀疏支撑集一致,且充分利用了数据之间的关联性带来的额外信息。基于仿真数据和电磁计算数据的实验结果表明,该方法的性能不受目标类型影响,具有一定的抗噪性,能有效地获取目标的多维重建结果,得到的三维成像结果分辨率高且极化散射矩阵估计精度高。      

机载激光雷达扫描三维地形的渲染研究

针对三维地形渲染过程中容易受到气流干扰产生裂缝,导致渲染成像结果分辨率较低等问题,提出机载雷达扫描三维地形的渲染方法。通过机载激光雷达获取三维地形的图像数据,利用分形维数对图像进行纹理分割,获取图像的纹理与灰度的分布特征;利用网格逼近地形法构建LOD模型,剔除冗余数据;设置邻近地形的层级差,消除因分辨率等级不同产生的裂缝现象;利用Morphing平滑过渡方法,使顶点跳突现象消失;根据多级小波尺度分解方式对三维地形图像去噪实现三维地形的渲染。结果证明:本方法可有效改善三维地形的渲染效果,提高三维地形渲染成像的分辨率。     

衍射层析模型下穿墙雷达三维学习成像方法

针对现有穿墙雷达三维稀疏成像中,存在网格时延构建字典矩阵所需内存过大以及凸优化稀疏成像算法阈值参数不确定影响重建图像质量的问题,提出了一种基于衍射层析稀疏模型的学习近似消息传递三维成像方法。该方法在衍射层析成像算法上通过构造快速傅里叶变换算子来建立三维成像稀疏模型,然后修正近似消息传递算法求解稀疏解,并将其迭代过程映射成多层神经网络,最后通过数据驱动自适应学习多层神经网络中的可调参数,从而实现三维学习成像。仿真和实验数据处理结果表明,该方法不仅减小了系统所需内存,还避免了参数的人工调整对成像质量的影响。     

大鼠肾脏缺血再灌注过程的光学相干层析成像监测

光学相干层析成像(OCT)具有分辨率高、成像深度深和成像速度快的优点,为评估肾脏状态提供了一种新方法。肾脏缺血再灌注会导致肾功能单元发生损伤,采用无损成像可以实时快速地评价肾脏的活性状态。采用中心波长为1300 nm的SDOCT(spectral-domain OCT)对Wistar大鼠肾脏进行活体二维和三维成像,图像能够清晰地显示肾皮质层的肾小管微结构。结果表明:OCT对肾脏缺血再灌注过程响应灵敏,在肾脏状态评估方面具有广阔的应用前景。     

基于相机实拍的高分辨集成成像三维显示技术的研究

为了实现高分辨率集成成像三维显示,设计了一种基于数码相机实拍的集成成像高分辨率图像采集系统,给出3D图像的深度范围;对实、虚显示模式的图像分辨率进行分析研究。基于集成成像原理用数码相机进行高分辨率的图像采集,由微透镜阵列节距、焦距、物距等参数计算出显示分辨率与显示深度,结合计算机进行图像处理,通过高精度打印图像并与微透镜阵列粘合的方法进行实验验证,给出拍摄参数和显示参数并与传统视差显示模式和集成成像的聚焦显示模式进行比较。在参数匹配较好的情况下,集成成像实、虚显示模式的图像分辨率优于聚焦显示模式和传统视差显示模式,并可采用较宽节距的微透镜阵列,验证了集成成像实、虚显示模式下可实现高分辨率的三维显示。通过集成成像高分辨率图像采集,并以实模式、虚模式显示模式,可获得高分辨率的集成成像三维显示。     

基于匹配追踪的ISAR超分辨成像方法

稀疏信号表示在与信号结构匹配方面具有很大的灵活性,可以用于逆合成孔径雷达(ISAR)成像.目前常用的算法基寻踪法和FOCUSS法都是并行算法,计算量很大.而匹配追踪法是一种逐步选取基函数的算法,计算量小.因而是一种更有效的成像算法.对于仿真和真实ISAR雷达数据,匹配追踪法得到的图像分辨率大大高于传统的傅里叶变换方法.故表明匹配追踪法是一种有效的ISAR超分辨成像方法.     

雷达成像和衍射层析的内在联系梳理

从方程描述、方程求解和方程解析解三个层面,对雷达成像和衍射层析的内在联系进行了系统性梳理.首先,介绍了描述成像问题的电磁散射方程,发现描述雷达的方程是二维的面积分方程,而描述衍射层析的方程是三维的体积分方程.指出成像对象不同是导致方程不同的根源,并利用等效原理建立了两种成像间的联系.其次,指出两种成像的相同点是,对非线性的电磁散射方程的线性化近似求解.最后,指出两种成像的回波信号(在空间谱域)和成像目标(在空间域)均构成一组傅里叶变换对.给出了两种成像的解析解的统一数学模型,即成像结果可表示为观测点(散射系数或散射势)卷积点扩展函数(PSF)的形式.通过PSF对两者的成像性能进行了比较.     

偏振共焦扫描激光显微镜的成像特性研究

由于共焦扫描激光显微镜具有独特的纵向分辨能力和很高的横向分辨率，因此在生物组织的超分辨率三维成像和半导体器件检测等领域具有重要意义．影响共焦扫描激光显微镜成像特性的两个关键因素是分辨率和信噪比．对层析成像或三维成像来说，共们扫描显微镜的纵向分辨率显然是一个重要因素，其分辨率极限是多少，判据是什么，目前还没有文献作过深入的讨论和明确的说明．本文从衍射效应的二次方位相因子出发，讨论了焦深的形成及其对纵向分辨率的影响，并用傅里叶频谱分析方法给出了三维光学传递函数，进而导出了由共焦显微镜的纵向通频带受限…     

基于加窗反投影的干涉式微波辐射计成像算法

该文针对旋转扫描干涉式成像系统非均匀采样网格结构,提出了一种加窗反投影算法,通过采样数据进行一维加窗傅里叶变换处理,再反投影到原图像空间来进行图像重建,将二维傅里叶变换转化为一维傅里叶变换和投影变换,避免了空间频域的插值处理。此方法可以对每一个方位的采样数据进行独立处理,实现边采样边处理的成像方式,因此具有很高的成像精度和效率。在此基础上对天线阵采样策略进行分析,得出了角度采样与天线阵基线数之间的平衡关系,为实际应用提供了依据。数值模拟表明了窗函数对噪声抑制和分辨率的影响,通过与其它方法进行比较,进一步验证了此算法的优越性。     

结构光三维成像技术

近年来,结构光三维成像技术被深入研究和广泛应用,通常采用的技术方案是投影一个载频条纹到被测物体表面,利用成像设备从另一个角度记录受被测物体高度调制的变形条纹图像,再从获取的变形条纹图中数字解调重建出被测物体的三维数字像。与全息三维成像对应,结构光三维成像过程也是两步成像过程,先获取物体被结构光条纹调制的二维图像,再从包含变形条纹的二维像中通过数字重建方法得到物体的三维数字像。主要回顾了本课题组在基于结构光三维成像技术研究中的进展,讨论了基于傅里叶条纹分析、相移条纹分析和动态过程三维成像的方法,给出了相关应用的实验结果,分析了结构光三维成像的特点以及该领域今后的发展动向。     

基于光学显微镜的三维成像技术

传统研究显微样本三维结构的方法是通过在显微镜下获取其二维图像进行观察和分析的,难以准确理解样本的三维结构.因此,研究显微三维成像理论、三维定量分析技术,具有很高的实用价值和重要的学术意义,该领域的研究也是显微信息学科的研究热点之一.针对不同显微样本的三维成像与处理问题,论文以多种光学数码显微镜作为硬件平台,系统、全面地开展了基于光学显微镜的显微三维成像、处理和分析方法的研究.重点研究了聚焦深度显微三维成像、显微双目立体成像、序列显微光学切片三维成像、连续物理切片显微三维成像测量等关键技术和系统实现.聚焦深度显微三维成像方法为解决显微成像景深有限的问题,研究了各种序列显微图像空域聚焦融合算法,对优选出的改进Laplacian算子图像融合方法,提出了基于深度图去噪处理等的优化改进方案,实现了序列显微图像的有效合成,扩展了显微照相的景深.在此基础上,实现了一套基于聚焦深度的显微三维成像测量显示系统.三维成像实验:以昆虫眼睛图像序列验证三维成像方法.昆虫眼睛图像序列原始图用MOTICDMBl显微镜,4倍物镜,冷光源外照射反射光成像,包括33幅不同聚焦层面的原始图像.三维成像效果达到一定实用要求.双目立体体视显微镜三维成像为改进传统光学体视显微镜实现立体显微三维成像,根据计算机立体视觉原理,提出了一种基于光学数码体视显微镜的显微立体表面成像、测量系统方案.针对该系统特点,提出使用线性标定模型来标定立体视觉系统.为解决光学显微立体图像的匹配问题,从所研究的两种匹配算法中,优选出新序数测度匹配法.基于上述方案和算法,实现了一套基于光学数码体视显微镜的显微立体表面成像、测量软件系统.三维成像实验:以某航空材料断口表面显微三维立体成像为例验证该三维成像方法,材料断口表面显微图像采用本研究设计的双目立体摄像MOTIC K500MBGG体视显微镜,16倍物镜,冷光源外照射反射光成像,包括2幅左、右光路采集的原始图像.三维成像效果达到一定实用要求.序列光学切片显微三维成像为解决显微荧光三维成像去模糊的问题,研究实现了最近邻、线性去卷积和最大期望光学切片去模糊复原方法,分析总结了上述三种算法的性能和优缺点,给出了各算法适用的条件.在此基础上实现了一套序列显微光学切片三维成像系统.三维成像实验:为说明光学切片三维去模糊效果,以Confocal获取的显微荧光细胞三维图像为例,本序列图像由MOTIC集团提供,共16层图像,各层图像上有一些模糊效果,经EM去模糊算法50次迭代,一定程度上去除了模糊效果,然后用体可视化方法显示.显微物理切片三维成像研究了生物组织序列切片图像的三维重建和测量方法,根据连续组织切片的特点,提出用上、下层切片图像间存在的对应结构特征部分作为控制点,采用2次多项式进行几何校正、配准.对当今国内、外体视学界广泛认同的三维粒子测量计数方法一双层切片法(Disector)原理进行了分析,提出在计算机图像分析系统上,设计实现自动双层切片体视测量和三维成像方法.三维成像实验:以大鼠肝门部胆管微血管切片图像序列为例验证该三维成像方法.本序列图像选自与解放军总医院肝胆外科一同合作的"大鼠肝门部胆管微血管的三维重建"实验,总共有16幅经空间配准后的不阿层面的大鼠肝门部胆管微血管厚切片序列图像.三维成像效果满足医学研究需要.     

基于自适应短时傅里叶变换的结构光场单帧三维成像算法

单帧结构光图像的相位恢复、解相是三维成像领域的重要问题。理论上，在选择合适参数的条件下，短时傅里叶变换（STFT）可以有效地完成相位恢复，但“合适参数”这一前提条件往往因缺少先验信息而难以实现。在传统STFT的基础上，采用结构光场系统充分利用光场成像的特性，提出一种基于自适应STFT的结构光场单帧三维成像算法。所提算法将结构光场图像从纹理、瞬时频率和深度估计信息等3个角度进行融合，将光场图像分割为满足STFT约束的若干区域，对每个区域依据瞬时频率估计对应的STFT的参数，进而恢复相对相位。随后，采用结构光场的解相方法实现三维成像。实验结果表明，所提自适应STFT算法能够有效完成被测物体的三维成像。