利用异形像元探测器的超分辨成像方法

随着光学成像全面进入光电数字成像时代,大多数成像系统的空间分辨率受限于探测器,所以提高探测器分辨率成为高分辨光电成像系统中的核心问题。而探测器的低分辨率主要是由于低采样频率和像元感光区的孔径效应而造成。最直接的解决方法就是减小像元尺寸,但会降低其他性能参数;针对最主要的限制因素——采样频率不足,目前多采用基于过采样原理的超分辨重建技术,通过提高探测器采样的频率来提高探测器的空间分辨率,但是其提升效果受到像元孔径效应的制约。为了进一步提高探测器受限的成像系统的空间分辨率,提出一种基于异形像元探测器的超分辨成像方法,将两列线阵异形像元探测器亚像元推扫实现像元细分,然后利用两列探测器所输出的灰度矩阵信息,重建出最终的高分辨图像。并分别通过理论评估和具体实验两方面验证该方法可以同时提高探测器的采样频率和截止频率,拓展带宽,从而实现高分辨率的目的。     

基于相机阵列的三维集成成像记录系统

基于三维集成成像理论以及相机阵列和显示透镜阵列之间的对应关系,利用几何成像理论和光线追踪方法对不匹配全光学集成成像记录系统进行了理论分析,得到了主要记录参数(记录距离和相机间隔)和集成成像显示特性之间的关系。提出了一种非匹配系统中相机阵列记录系统参数的设计方法,并设计了相机阵列记录系统。计算得到了系统的关键参数为记录距离49.6cm,相机间隔25mm。对提出的方法进行了实验验证,结果表明,提出的相机阵列光学记录系统能够完整记录场景的三维信息,三维显示特性基本达到了设计指标,相机阵列的主要记录参数与集成成像三维显示特性的关系符合理论分析,验证了提出方法及系统设计的可行性。提出的系统可为不匹配全光学集成成像系统显示提供大场景、高分辨率微图像阵列。     

基于相位恢复原理的SAR振动目标成像方法

在SAR成像系统中,振动目标成像具有成对回波的多普勒特征,不利于振动目标的检测和识别。提出一种基于相位恢复原理的振动目标聚焦成像方法。首先基于条带式SAR成像模式建立了振动目标空间几何模型,理论推导了将相位恢复原理应用到SAR振动目标成像的可能性;然后以振动目标回波数据和支撑域信息作为过采样平滑算法(OSS)的先验信息,通过改变平滑滤波器的参数,调整滤波器的带宽,以减少支撑域外部信息对振动目标的干扰,同时通过减少支撑域,提高迭代算法的收敛性,消除振动目标成对回波,最终得到聚焦的高分辨率振动目标图像。仿真和实验结果证明所提方法的有效性。     

Pick-up system for three-dimensional integral imaging with camera array

基于三维集成成像理论以及相机阵列和显示透镜阵列之间的对应关系,利用几何成像理论和光线追踪方法对不匹配全光学集成成像记录系统进行了理论分析,得到了主要记录参数(记录距离和相机间隔)和集成成像显示特性之间的关系.提出了一种非匹配系统中相机阵列记录系统参数的设计方法,并设计了相机阵列记录系统.计算得到了系统的关键参数为记录距离49.6 cm,相机间隔25 mm.对提出的方法进行了实验验证,结果表明,提出的相机阵列光学记录系统能够完整记录场景的三维信息,三维显示特性基本达到了设计指标,相机阵列的主要记录参数与集成成像三维显示特性的关系符合理论分析,验证了提出方法及系统设计的可行性.提出的系统可为不匹配全光学集成成像系统显示提供大场景、高分辨率微图像阵列.     

光学掩模实现几何超分辨成像的仿真

将基于实际CCD模型的频谱编码方法引入光电成像系统,以克服CCD对空间分辨率的限制,实现几何超分辨成像。介绍了光学掩模实现几何超分辨成像的工作原理,基于实际的CCD模型在4f成像系统的频谱面上放置光学编码掩模来提高图像分辨率。对该成像系统模型进行了数学分析,从理论上证明了这种基于实际CCD模型的频谱编码方法的有效性。根据建立的理论完成了基于一维光学编码掩模方法的仿真实验。仿真结果表明:提出的方法能实现几何超分辨成像,解决了光电成像系统中因CCD欠采样造成的物频谱混叠和因像素尺寸非零而造成的低通效应问题。与传统的超分辨方法相比,该方法的系统结构简单、易实现。     

高光谱图像的分布式压缩感知成像与重构

根据高光谱数据的特点,提出了一种基于像元的分布式压缩采样模型来实现高光谱图像的有效压缩采样与重构。搭建了能实现该模型的压缩采样光谱成像系统,并研究了用于该系统成像的重构算法。在图像采集阶段,将高光谱数据分为参考像元和压缩感知像元;地面像元的辐射能通过棱镜进行谱带分离,再利用数字微镜器件实现谱带的线性编码。对压缩感知像元进行低采样率的线性编码,对参考像元进行采样率为1的线性编码。压缩采样数据重构时,不再采用传统方法直接重构高光谱数据,而是利用线性混合模型将重构高光谱数据转换成端元提取和丰度估计,然后根据重构的端元和丰度恢复原数据。对比实验表明,在压缩采样数据为总数据的20%时,重构的平均信噪比提高了10dB。所设计的成像系统应用压缩感知理论减少了采集的数据量,采样方式简单,可应用于星载或机载的高光谱压缩感知成像。     

高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现

为提高已研制的基于非制冷焦平面探测器的显微热成像系统的空间分辨力,研究提出了一种基于光学平板旋转微扫描器的高分辨力显微热成像系统.分析了光学平板旋转微扫描的工作原理,给出了微扫描器相关的参数设计、加工容差,并与现有的非制冷显微热成像系统实现了一体化设计与加工,确定了光学微扫描显微热成像系统的技术指标.利用该系统实际采集的显微热图像与过采样处理结果表明系统整体设计的有效性,系统空间分辨力得到提高,可应用于高分辨力显微热分析.＃     

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。     

自适应Radon单像素成像

使用单像素探测器实现成像需要大量采样。对于目标区域仅占场景一部分的情况时,我们提出了自适应Radon单像素成像方法,能够使用单像素探测器实现目标区域的定位和成像。本文对该方法的目标定位方式、编码采样算法、重建算法等进行研究,以减少单像素成像的采样数量。基于Radon变换的基本原理,使用图像在水平和垂直方向的投影信息,以获取场景中目标区域的大小和位置。建立自适应Radon-Hadamard单像素成像模型,仅对目标区域进行单像素采样,然后使用滤波反投影技术重建目标区域。研究结果表明:所提出的自适应Radon单像素成像方法能够实现对场景中目标区域的成像,采样数量远低于重建图像的分辨率,重建图像的结构相似性系数大于95%,有效的提高了单像素成像方法的成像效率。     

EIT高精度数字解调方法误差分析

EIT测量中,阻抗信息解调方法的精度直接关系到信息提取和EIT成像的质量。数字解调方法与模拟解调方法相比具有抗噪声能力强和设计灵活等优点。高精度数字解调方法是提取EIT复阻抗全信息的重要手段。本文深入研究了采样同步时延和相位抖动对高精度数字解调方法的误差影响,并且采用FPGA验证了EIT解调时的相位误差,实验结果表明合理选择激励频率和采样时钟能提高数字相位解调的精度,这与理论分析完全一致。     

偏振探测系统的图像配准

分振幅式偏振探测成像系统的各分光路图像之间存在位置误差,率先完成各分光路图像之间的图像配准是进行偏振探测的前提条件。针对探测过程中,目标特征不明显、图像特征难以提取、各分光路图像间灰度变化较大的问题,提出适用于分振幅式偏振探测成像系统各分光路图像的相似性度量函数,并在此基础上,完成各分光路图像间的配准工作。首先,根据图像间的位置误差会造成偏振信息图像中出现信息异常区域的原理,研究了相似性度量函数的提取算法;接着,根据探测系统的各分光路的成像特点,确定图像间的几何变换参数;以遗传算法作为参数优化搜索算法,搜索得到最优的几何变换参数,完成整个图像配准算法的设计;最后,分别利用构造图像和实际采集图像,对配准算法进行了验证,并以图像间互信息值(MI)衡量图像配准的精度。实验结果表明:配准后的构造图像的MI为2.692 5,高于特征配准方法的实现精度;实际采集图像配准后的MI达1.849 3,同样高于特征配准方法的实现精度。基本满足偏振探测系统的图像配准需求。     

DNA芯片的CCD荧光检测

为了有效地提取DNA芯片的信息,叙述了DNA芯片的CCD荧光检测的原理及自行设计的检测系统。系统由CCD摄像机、荧光成像光学系统、图像采集卡等组成。利用高压汞灯作为光源,窄带滤色片作为激发波段和荧光截止滤波片,从而保证荧光分辨力和测量范围。通过CCD摄像机和图像采集卡进行图像采集,并对获取的图像进行处理。试验结果有效地获得了杂交后基因点位的关键特征的数据。     

光电成像系统的性能优化

探讨了光学系统和阵列探测器构成的光电成像系统的整体性能和优化设计问题。针对阵列探测器的不断快速更新换代,研究了如何对光学系统进行改进以优化光电成像系统的性能。从采样成像系统的取样定理出发,研究了光电成像系统的传递函数特性,讨论了采样成像系统的相位平均传递函数,分析了光电成像系统的加工与使用误差对传递函数的影响。同时,给出了光电成像系统的信噪比计算公式。文中提出用于遥感观测的大型光电成像系统的光学系统传递函数的归一化空间频率等于0.5左右可与阵列探测器的奈奎斯特频率相匹配。结果显示,如此设计可在满足信噪比的同时使传递函数在奈奎斯特频率处达到0.1左右,分辨率达到奈奎斯特频率并且不产生频谱混叠效应。     

位相复原技术在光学成像质量测评中的应用

对于大口径或特殊波段成像的光学系统,采用常规测试手段难以实现对光学系统成像质量的评估。而光学系统波像差是表征光学系统成像质量的重要指标之一。本文基于信息光学基础理论采用傅立叶变换和迭代算法通过对光学成像系统星点图像（光强点扩散函数PSF）计算分析,从而实现对光学成像系统位相的复原获得波像差信息。本文论述了有关的理论依据和分析计算公式;并研制了位相复原分析计算软件。通过计算机仿真与误差分析论证了研制的位相复原计算方法的正确性,复原误差小于5%。提出了在实际应用中采用此方法时减少复原误差的一种途径。通过实际采集的光学系统星点图像的位相复原实验验证了位相复原分析软件的适用性。此方法为非常规光学成像系统波相差的评估工作提供了新途径。     

Optical diagnostics of mercury jet for an intense proton target

An optical diagnostic system is designed and constructed for imaging a free mercury jet interacting with a high intensity proton beam in a pulsed high-field solenoid magnet. The optical imaging system employs a backilluminated, laser shadow photography technique. Object illumination and image capture are transmitted through radiation-hard multimode optical fibers and flexible coherent imaging fibers. A retroreflected illumination design allows the entire passive imaging system to fit inside the bore of the solenoid magnet. A sequence of synchronized short laser light pulses are used to freeze the transient events, and the images are recorded by several high speed charge coupled devices. Quantitative and qualitative data analysis using image processing based on probability approach is described. The characteristics of free mercury jet as a high power target for beam-jet interaction at various levels of the magnetic induction field is reported in this paper.     

大视场主动光学成像系统的成像研究

从主动光学成像系统的照明模型出发,研究了大视场情况下目标和景物的成像性质,分析了传输介质对照明和成像光束的衰减作用,得出了光学成像系统像面照度的计算公式,并对其衬比传递特性和视场大小对成像的影响进行了详细的分析,得出了小视场近似的条件,其结果可用于主动光学成像系统的设计、图像分析和目标识别.     

Diffractive elements for imaging optical systems

The problems and prospects of using diffractive elements with a sawtooth relief-phase microstructure in imaging optical systems are analyzed. Particular attention is paid to minimizing the adverse side effect of diffraction orders on the quality of the image formed by an optical system with a diffractive element due to the change-over from single-layer microstructures to structures containing several layers and reliefs. Requirements are formulated for the design parameters of the microstructure and operating conditions of diffractive elements in optical systems that ensure no visible halo caused by adverse diffraction orders. It is shown by a number of examples that the use of a diffractive element in a plastic-lens imaging optical system corrects chromatic aberrations and provides high resolution in the generated image.     

计算成像技术在光学检测领域的研究进展

成像系统在利用传感器记录图像信息时,只记录了强度信息而丢失了重要的相位信息。 传统的干涉相位恢复技术由于 需要满足严格的干涉条件,在使用过程中受到一定限制。 随着计算成像技术的蓬勃发展,以强度传输方程和相干衍射成像以及 在此基础上发展起来的相干调制成像、叠层扫描相干衍射成像为代表的非干涉相位恢复技术受到广泛关注,并被运用于光学检 测领域。 这类技术无需参考光,系统结构简单,可通过衍射强度图直接获得相位信息,在检测领域有巨大的应用潜力。 基于此, 介绍了几种典型的计算成像技术的研究现状与最新进展,同时讨论分析了各类方法的主要技术特点。     

高性能数字显微图像系统的研制

数字显微图像技术是传统目视光学显微图像观察手段的现代化、信息化发展。这里介绍了一种高性能数字显微图像系统，对研制过程中所涉及的图像光电变换、图像时－空分辨率改善、分析专用软件设计等关键性技术问题作了阐述，并给出了若干典型应用实例。     

基于半盲解卷积复原的高分辨率视网膜成像系统

为获得高分辨率视网膜图像,建立了基于自适应光学的视网膜成像系统,并以成像时获得的残余像差作为图像复原的估计参数,通过半盲解卷积进行图像复原以获得高质量图像.通过Hartmann-Shark波前传感器和微机械薄膜变形镜组成的自适应光学系统对活体人眼像差进行测量与校正,并在成像时记录系统残余像差,据此重建光学传递函数作为图像复原模型初始参数估计,对获得的视网膜图像进行条件约束迭代半盲解卷积复原,消除像差对成像质量的影响,从而得到高分辨率视网膜图像.实验表明,系统获得的图像经该方法处理后可获得较满意视网膜图像,图像质量提高近一倍,成像成功率由38％提高至78％,成像时间缩短为原来的1/7.该方法在满足使用要求的前提下有效缩短了校正时间,提高了成像的成功率,提升了系统的适用范围.