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。     

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。     

多重散射随机介质中隐藏物体的 强度成像研究

用背散射光强研究了多重散射随机介质中隐藏物体位置的确定,由强度的分布曲线确定出隐藏物体的位置,并实验研究了隐藏物体在多重散射随机介质中不同深度下的强度分布     

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。     

光在不同浓度介质中散射传输的偏振特性分析

文中以典型偏振蒙特卡罗模型为基础,引入了一种介质浓度系数的表征方法,设计实现了一个光在不同浓度介质中散射传输的三维仿真系统,分析了引入浓度系数方法的可行性,并讨论了光在不同浓度介质中散射传输的偏振特性影响.仿真实验结果表明,文中方法实现了散射介质浓度的表征.散射介质浓度对斯托克斯矢量各分量强度和偏振度有着直接影响;斯托克斯矢量各分量的强度随散射介质浓度增加呈近似指数衰减;光在散射介质中传输后,偏振度随浓度系数变化总体趋势呈"倒N"型.     

偏振信息传输理论及应用进展（特约）

光的偏振态是电磁波的基本属性,偏振信息是使用光的偏振态作为信息表现形式的工程科学应用技术,需要合适的表征方法对其进行描述。由于大气散射特性,光在地球表面存在一种特殊的偏振分布模式,可以用于近地空间自主导航,同时,不同的偏振态在各种散射介质中传输也具有特定的变化规律。因此,研究光的偏振信息在不同分散介质中的传输特性,对其在现代军事、航空、海洋等领域内的广泛应用具有重要的参考价值。近年来,偏振光学成像技术广泛应用于雾霾、水下及其他散射介质中的清晰成像,并取得了很多优秀的研究成果。文中主要介绍了光的偏振态的各种表征形式、偏振信息在不同分散介质中的传输特性、经过散射介质后的偏振信息恢复算法、以及偏振去雾技术的应用等,并在最后展望了偏振信息应用的未来发展趋势。     

不同湿度环境下可见光波段激光偏振特性研究

雾霾天气严重干扰了可见光成像效果,利用可见光偏振特性可以有效提升探测效率。雾霾环境会受到气溶胶颗粒湿度的影响,湿度是雾霾环境重要物理参数。为了获得可见光在雾霾环境的偏振特性规律,分析了环境湿度对偏振特性的影响。在非偏振光气溶胶单粒子散射特性基础上,采用改进蒙特卡罗方法建立了偏振传输模型,对不同湿度水雾环境下可见波段偏振光传输特性进行研究,重点分析水雾环境湿度改变对不同可见光波段偏振光偏振特性的影响情况并建立了接近真实水雾环境,通过室内实验对偏振模型进行验证,对不同湿度环境下的 450、532 、671 nm 线偏振光与圆偏振光的偏振度与偏振态改变进行了比较与分析,仿真模型置信度>60%。研究结果表明:偏振光的偏振度随水雾环境湿度是呈下降趋势。随着波长的增大,偏振度变化趋于平缓,出射偏振度随着波长的增加而变大,当激光波长为 450、532、671 nm 时,偏振度下降点的湿度值分别为 50%、70%、90%;圆偏振光入射,圆偏振光的旋性对于偏振度没有影响,且高于线偏振度值。对于水雾这种容易受湿度影响较大的环境而言,在可见光波段,应该尽量选择较长波长的偏振光进行传输探测,因为湿度对较短波长的影响比较长波长的影响要大,所以,在湿度较大的环境中,较长波长的圆偏振光是偏振保持特性最好的。在湿度较大的环境中,应尽量选取波长较长的偏振光成像,以达到较好的成像效果。     

细水雾遮蔽红外辐射的数值分析

细水雾对热辐射有着强烈的散射和吸收,可用于舰船等军事目标的红外隐身。将水雾视为吸收、发射、各向异性散射介质,通过谱带离散处理水雾的非灰特性,利用Mie氏理论计算离散谱带内的平均光学系数,建立了8~14 m红外辐射在细水雾中的传输模型,并利用有限体积法进行了分析计算。研究发现,采用均值粒径假设计算辐射透射率时会有一定误差,应用数量矩均值粒径时Sauter粒径误差最小,线性平均粒径误差最大;水雾自身辐射与内散射对透射率的影响较大,计算中应考虑;提高水雾浓度,减小均值粒径,可有效抑制透射率。     

微球体光散射的研究

利用Mie散射理论对微球体光散射特性进行了研究,分析了散射光的偏振、分布规律及微球体对光的散射、吸收与半径的关系。结果表明,微球体的半径大小对光散射及吸收有较大的影响。分析结果可为实际应用中微透镜尺寸的选择以及微透镜阵列光学性能的进一步分析提供依据。     

基于颜色失真去除与暗通道先验的水下图像复原

水下图像成像过程与雾天图像虽然类似,但因水对光的选择性吸收和光的散射作用,水下图像存在颜色衰减并呈现蓝(绿)色基调,传统的去雾方法用于水下图像复原时效果欠佳。针对这类方法出现的缺点,该文根据先去除颜色失真后去除背景散射的思路,提出一种新的水下图像复原方法。结合光在水中的衰减特性,提出适用于水下图像的颜色失真去除方法,并利用散射系数与波长的关系修正各通道透射率;另外,该文改进的背景光估计方法可有效避免人工光源、白色物体、噪声等影响。实验结果证明,该文方法在恢复场景物体原本颜色和去除背景散射方面效果良好。     

基于激光偏振技术的海洋牧场水下成像技术研究

良好的水下视觉环境是推动海洋经济发展的前提,海洋牧场的建设对水下成像技术提 出 新的要求,但是受水体环境吸收及散射影响,光信息丢失严重,用常规光学成像方式进行水 下 图像获取会有可视距离短,图像模糊不清,对比度低等缺点。为解决海洋牧场水下成像清晰 度 低的问题,提出一种通过532 nm激光光源与偏振技术相结合的方法并 集成了一款水下相机。 532 nm波段的绿色激光光源在水体环境中受到水体影响较小,传播效 果更佳,偏振成像技术在去 背景光散射中应用广泛,采用532 nm激光光源与偏振成像技术相结合 的方法进行水下图像的获 取,并在模拟海水环境的水池中进行了海参图像获取的实验,实验结果证明在某一偏振角度 下, 532 nm激光光源与偏振成像技术相结合的方式获取的海参图像相比于 自然光下获取的原图像对比 度、清晰度更高,含有的图像信息更加丰富,验证了此方法在水下成像的可行性。     

基于主动式圆偏振光照射的探测建模与分析

圆偏振光有良好的“偏振记忆”效应,为了验证在 强散射介质中通过圆偏振光的旋性 差异可以有效抑制散射光的影响,实现复杂背景下的目标探测功能。从经典的米氏散射 理论和菲涅尔反射理论出发,结合偏振蒙特卡罗方法,构建了主动式圆偏振光在散射介质中 探测目标的模型,通过追踪每个光子的偏振态变化,统计分析了圆偏振光经过介质散射和目 标反射后的Stokes矢量信息。仿真结果表明,文中建模方法可以明显区分出散射介质中是否 存在被探测目标;不同的介质环境和不同的探测距离都会对目标的偏振成像造成不同程度的 衰减,而圆偏振差分成像及圆偏振度成像均可实现偏振成像的增强处理。文中建模方法可以 为全偏振探测的理论研究及实际应用提供借鉴。     

Time-of-Flight透散射介质成像技术综述

Time-of-Flight (ToF)成像是利用光在目标和相机之间的飞行时间来获取场景的深度信息,具有体积小、成本低、实时成像等优势。在散射环境中,由于散射介质对光的散射作用,ToF成像受到多径干扰的影响,深度测量误差较大,限制了ToF相机在散射场景中的应用。ToF透散射介质成像技术是校正因散射光引起的多径干扰效应,从传感器接收到的混叠信号中分离出目标分量,实现散射场景中的深度信息恢复,其在雾天自动驾驶、水下勘测、生物医学等领域具有广阔的应用前景。依据ToF成像系统的不同,详细介绍了PL-ToF和CW-ToF成像的基本原理,阐述和分析了散射场景中ToF稳态成像和瞬态成像的机理和特点,分别回顾和总结了ToF稳态成像和瞬态成像的透散射介质成像研究现状,并介绍了ToF透散射介质成像的应用前景,最后依据现有ToF透散射介质成像技术的优缺点,对未来发展趋势进行了展望。     

激光关联成像在烟幕条件下的实验研究

烟幕是一种复杂且特殊的散射介质,穿透烟幕成像是一项具有广阔应用前景的课题。为探究计算关联成像技术在烟幕环境下的抗散射性,设计烟幕箱结合计算关联成像的实验系统,在静态与动态散射的环境下进行了实验,得出了计算关联成像在探测路径存在静态与缓慢变化的动态烟幕情况下可实现成像的结论;针对快速动态烟幕条件下的成像降质问题,提出了逐点补偿方法。由于在动态散射的情况下光强涨落掺入了额外的衰减因素,利用获得的以特定频率投影特定帧的强度值可追踪衰减系数的变化,将原始光强值除以衰减系数得到校正后的光强值。该方法在低投影频率的条件下具有优势,通过对比得到了该方法的适用条件。     

部分空间相干光经准均匀介质的散射

基于一阶波恩近似,研究了部分空间相干平面光经准均匀介质的散射特性,得到了远场散射光谱强度和光谱相干度的解析表达式。讨论了入射光的空间相干性和介质特性对散射场光谱强度和光谱相干度的影响。比较了入射光是完全相干光和部分相干光时,散射场光谱强度和相干度的区别。研究结果表明:入射光的空间相干性对散射场光谱强度的分布有重要影响;随着入射光空间相干长度的增大,光谱宽度减小;光谱相干度随着入射光束腰宽度或介质有效半径的增大而减小。当准均匀介质的有效半径和相干长度、入射光的空间相干长度满足一定条件时,散射光是完全相干光。     

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。     

地下三维目标电磁散射特性研究

本文推出集总电阻加载圆柱形天线在时域有限差分（FD-TD）法中的计算公式。对Mur二阶吸收边界条件在三维FD-TD法计算中的稳定性进行了研究，提出保证Mur二阶吸收边界条件稳定所必须注意的问题。在集总电阻加载圆柱形天线激励下，对色激媒质中三维目标的瞬态电磁散射特性进行了计算和分析，并将部分计算结果与实验测试的结果进行了比较，二者具有比较好的一致性。研究了色散媒质和目标特性对目标回波信号的影响，并对有耗媒质中细导线型目标的瞬态散射机理进行了分析。     

基于红外数字全息的建筑爆破环境应力场检测研究

红外数字全息具有实时性强、可在复杂环境检测等优点;爆破环境的粉尘类气溶胶对可见光有较强的吸收、散射效应,红外波段处于“大气窗口”波长的红外光受气溶胶影响较小,该优势与数字全息相结合,本文提出一种可在高浓度粉尘环境下测量应力场的研究方法。将大小适中的光滑水泥板固定于三维施力架上作为研究对象,采用红外数字全息方法,改变环境粉尘浓度,分别测量光滑水泥板在不同压力作用下的应力场变化,对比全息图、相位差,验证了该方法的可行性,并设置可见光数字全息为对照实验。结果表明,红外数字全息可在高浓度粉尘环境下测量出应力场的施力点、压力相对大小及应力影响区域,实现实时、无损、全场检测,而可见光数字全息在此环境下检测效果不佳甚至无法完成检测,本文所提方法极大拓展了基于数字全息干涉计量应力检测手段的实用性。     

柱面光学微结构用于红外激光防护研究

激光防护是一种可广泛应用的技术,论文针对目前红外激光防护技术中存在的可见光波段吸收强、镜面反射造成设备或人员损伤等问题,提出一种形成于光学窗口表面的红外激光非镜面反射光学微结构,具有对可见光透过率影响小,同时对1 064 nm红外激光大角度散射的功能,从而实现激光防护。文中采用光线追迹方法设计具有移位结构的双面微柱透镜阵列,阵列周期T与透镜单元曲率半径R之间需满足0 T R/27的关系。应用Virtual-Lab光学建模软件对设计的柱面微结构进行模拟,模拟结果为:可见光平均透过率下降7%,对实用结果影响很小,并可以通过可见波段镀制增透膜进行弥补;1 064 nm红外激光反射率约为75%,发散角大于30。采用数字掩模光刻技术完成微柱透镜阵列实验,实验结果与模拟结果趋势相同,最终得出结论:微柱透镜阵列能实现大角度散射,能够极大降低激光单一方向反射回波能量,从而达到了激光防护的目的。     

A systematic design method of multilayer composite-glass with thinmetallic layer

A new design method for multilayer composite glass with absorbing thin film is presented. This composite glass has a high microwave reflective factor and good transparency in the visible light region. It is useful in vehicle stealth technology and microwave protection of a large-capacity microwave transmission system