全Stokes偏振关联成像技术研究

近年来,随着关联成像技术的高速发展,已被广泛应用于诸多领域内,并引起了高度关注。偏振探测技术能够区分不同材质物体,可以增强系统的探测识别能力。文中结合偏振探测和关联成像技术的优点,利用Walsh-Hadamard散斑对场景进行照明,并对场景反射光进行分时偏振探测,实现了对场景的全Stokes偏振关联成像。搭建相应的实验系统对多材质物体进行了成像实验,利用不同偏振探测信号与照明散斑计算并获得了物体的Stokes参数图像,实现了对同一场景中的不同材质物体和相同材质不同结构物体的区分。通过演化压缩采样复原技术,在不同采样率下对物体图像进行了复原,结果表明:演化压缩采样复原技术能在较低的采样率下,复原出清晰的场景全偏振信息。     

空间编码复用散斑多信息融合关联成像(特邀)

提出空间编码复用散斑技术来实现单个单像素探测器对多个物体信息的同时探测获取。使用空间编码复用散斑对多个物体信息进行照明,使用单像素探测器对回波信号进行探测,利用关联算法获取混叠多物体信息,然后用空间编码信息对随机采样的多个物体信息进行解码,最后采用压缩感知技术对完整的多个物体信息进行复原。使用该技术分别实现了对多空间、多光谱和多偏振信息的同时探测获取,实验结果证实了该技术的有效性,该技术可有效降低系统数据量,提高关联成像系统的成像效能。     

光谱编码计算关联成像技术研究

现有的多光谱成像技术通常采用光学分光的方式，使用多个探测器对成像场景的光谱图像进行采集，导致现有成像系统复杂，数据量大、效率低。针对现有技术的不足，提出基于正交调制模式的光谱编码计算关联成像技术。通过正交光谱编码矩阵融合Hadamard基图案构造投影散斑对宽带光源进行调制，单像素探测器收集成像物体与调制光源相互作用后的反射信号；应用演化压缩技术复原成像物体的混叠光谱图像；利用编码矩阵的正交性质解码出欠采样的光谱分量图像，对分离出的图像应用组稀疏压缩感知算法重构全采样的光谱分量图像，最后融合出成像物体的多光谱图像。通过数值模拟与实验两方面验证了所提方法的高效性。所提的技术简化了多光谱关联成像系统，降低了数据量。光谱编码方法可以扩展到更多的光谱通道，也可以应用在偏振关联成像、信息加密等领域。     

基于压缩感知的偏振鬼成像系统

偏振鬼成像系统结合了强度和偏振探测,扩展了鬼成像系统的信息量,可以进行有效的目标识别和探测。常规相关偏振鬼成像系统需要大量采样数,且复原结果信噪比低。为此提出基于缩感知的偏振鬼成像系统,利用系统获取物体的强度和偏振参数,采用压缩感知算法来反演获取物体的强度和偏振信息。利用仿真实验,采用具有相同反射率但不同偏振特性的物体进行研究,结果表明采用压缩感知算法可以在很少的采样数下获取高质量的物体强度和偏振信息,提高了系统的实时性,并与相关算法进行了对比。最后采用图像融合算法对强度和偏振信息进行了融合,通过融合信息可以有效地进行多种物体的识别。     

余弦编码复用高空间分辨率关联成像研究

发展了一种余弦编码复用高空间分辨率关联成像技术。首先通过构造多个低空间分辨率的余弦编码散斑复用为高空间分辨率调制散斑对目标进行调制照明,单像素探测器收集调制光与目标相互作用后产生的散射光强,由迭代算法复原出目标的混叠图像。进而鉴于余弦编码所特有的确定性频谱结构,利用数字图像处理方法高效解码重构出多个低空间分辨率物体图像,最终拼接为高空间分辨率目标图像。理论分析了余弦编码复用高空间分辨率关联成像技术实现方法,并仿真验证了该方法的有效性。本方法大幅降低了传统高空间分辨率关联成像所需的调制散斑,减少了在线采样时间与离线图像重构时间,提高了高空间分辨率关联成像的成像效率。     

高空间分辨率关联成像技术研究

关联成像受限于成像机制,其空间分辨率与时间分辨率相互制约。成像空间分辨率越高,所需的调制散斑越多,对应的采集时间越长。针对此瓶颈,提出采用多个低空间分辨率散斑同时对高空间分辨率物体调制的关联成像方法,利用单像素探测器接收被调制物体信号,并基于迭代算法与压缩感知算法重构高空间分辨率成像物体图像。利用数值仿真验证了所提方法的有效性。研究结果表明,所实现的高空间分辨率关联成像技术大幅降低了调制散斑数量,减少了在线采样时间,在生物医学等要求高空间分辨率且对采样时间苛刻的领域具有重要的应用价值。     

基于微偏振阵列的干涉型高光谱偏振成像方法

光谱和偏振辐射特性是实现精细目标识别的重要光学参量,融合光谱和偏振信息分量的光谱偏振成像探测技术有效利用两者的互补性,提高在复杂背景环境下的目标识别能力,在环境监测、军事侦察和大气分析等领域具有巨大的发展潜力。围绕目标的光谱和偏振信息探测问题,研究了一种基于微偏振阵列的干涉型高光谱偏振成像技术。在研究Sagnac干涉型高光谱成像技术的基础上,利用微偏振阵列调制原理引入Stokes偏振分量信息探测。通过分析系统的工作原理,设计了系统的干涉成像光路模型,并对光谱信息反演方法以及偏振信息提取方法进行了讨论分析。搭建了实验装置,对实际场景目标进行了光谱偏振成像实验,得到了较好的实验结果。研究表明:该光谱偏振成像技术不仅具有高光通量、高光谱分辨率的优点,而且能够实现偏振信息的同步获取。     

部分相干光照明正弦振幅光栅偏振成像的研究北大核心CSCD

偏振成像由于其能检测物体偏振信息并可有效抑制背景噪声信号而受到了广泛关注。以往对正弦振幅光栅成像的研究基本都是在完全相干、非相干、或部分相干照明条件下进行,而本文基于偏振相干统一理论,在部分相干照明条件下考虑了光的偏振态,设计了部分相干光照明正弦振幅光栅的偏振成像系统,据此系统得出其斯托克斯(Stokes)频域计算模型,提供了一种计算Stokes物像频域关系的方法,通过透射交叉系数来描述其偏振成像系统的频率响应,说明偏振成像系统是非线性的,对光栅像强度中直流分量、基频、二次谐波进行分析研究,给出一组归一化Stokes参数下部分相干光照射正弦振幅光栅像面强度图,并利用MATLAB绘制出几组不同物体照明相干间隔与成像系统衍射图样大小比率下的Stokes像强度图,扩展了正弦轨迹分析在偏振成像系统性能评估中的应用。     

单像素成像系统的场景监视算法

利用单像素成像系统进行场景监视,对变化场景进行相同的信息调制,利用场景探测强度的差值作为测量值,采用压缩感知算法只需进行一次算法求解即可获取场景变化信息。使用数字仿真技术对提出的和传统方法进行场景变化信息反演获取对比实验。在简单的二值场景变化信息获取实验中,提出的方法在采样率为1%的情况下就可以获取准确的场景变化信息;对8 bit灰度场景变化信息进行获取时,由于信息量变大,为了获取较高质量的场景变化信息需要的采样数增加,但在相同采样数下,提出的算法可以获得比传统方法更准确的结果.实验结果表明采用提出的方法可以在低采样率的情况下获取准确场景变化信息,并降低了获取场景变化信息计算复杂度,对单像素成像系统应用于场景监控具有参考价值.     

大视场高分辨率数字全息成像技术综述

数字全息作为一种干涉成像方式,能够准确记录物体的相位信息,具有快速、无损、三维成像等优势,被广泛应用于生物成像与材料科学等领域。与其他光学成像方式相同,数字全息也面临分辨率与成像视场互为限制而导致空间带宽积受限的问题。研究人员提出了计算照明、计算调制与计算探测等方法,通过牺牲成像系统的时间、偏振等自由度来扩展其空间带宽积。文中分析了光学系统信息承载能力的理论基础,总结了近年来大视场高分辨率的数字全息成像技术,介绍了倾斜照明、结构光照明、随机调制照明、多位置综合孔径探测和像素超分辨等方法实现分辨率增强,以及基于角度复用的视场扩展的原理及具体实现,对不同方法进行了比较和分析,并对提高分辨率以及扩大视场的途径进行了展望。     

基于强度调制的编码孔径光谱偏振测量方法

为实现在单次成像条件下获取图像的光谱偏振信息,提出了一种基于强度调制的编码孔径测量方法。该方法采用消色差1/4波片、多级相位延迟器和检偏器组成的光谱偏振强度调制模块,将入射光的Stokes参量各元素谱调制到不同的频率上,利用编码孔径和色散棱镜组成的光谱成像系统对该调制光谱进行压缩编码,并通过CCD进行探测。利用TwIST算法重构出经调制的光谱信息,对各个频谱通道进行分离重构出Stokes元素谱。以单一像素点为例,对入射光强度调制、光谱重构及Stokes参量的解调进行了数值模拟。结果表明:该方法可实现对稀疏图像的光谱偏振信息的获取,该过程仅需对图像进行一次测量,因此具备高速获取能力。     

基于主动偏振光的潜指纹偏振成像检测方法研究

作为一种无损检测方法,光学检验法是多种潜指纹检测方法中的首选。在面对越来越复杂的应用场景时,传统光学检验法往往效果不佳。然而偏振成像探测技术不仅能够获得目标的强度和光谱等信息,而且还能够得到偏振度和偏振角等反映目标表面细节特征的偏振信息,因此可以提高潜指纹检测效果。利用偏振成像技术的优势,开展了基于主动偏振光的潜指纹偏振成像检测实验研究,获取了指纹图像数据并对其进行了分析。结果表明,与一般的强度成像相比,本文方法所得到的潜指纹偏振参量图像质量更高,获取的图像更清晰,细节信息更丰富。     

利用热红外偏振成像技术识别伪装目标

介绍了热红外偏振测量的原理,采用利用偏振信息在红外图像中识别伪装遮障的方法研制了一台热红外偏振成像仪,编写了偏振信息分析软件。利用该系统对地物背景（土壤）中的不同种类金属目标板及红外伪装遮障进行了热红外偏振成像探测实验。结果表明：在利用热红外偏振探测系统获得的Stokes矢量图中, 地物背景、金属目标板及红外伪装遮障的热红外偏振特性各不相同,并且和其红外辐射强度无关,相对红外强度探测更容易从地物背景中识别出金属目标板及红外伪装遮障。     

基于压缩感知的偏振光成像技术研究

偏振成像技术是一种基于目标自身辐射或反射信号中所包含的偏振信息获取物体图像的方法,尤其在人工目标的探测和表面识别方面,相对光强度探测方式具有独特的优势。针对传统的偏振成像技术在复杂的成像环境中成像距离短和成像质量差的缺点,提出了一种基于压缩感知的新型偏振光成像技术。阐述了压缩感知理论的基本原理,构造了合适的采样矩阵和重构算法,设计了具体的成像系统,并通过压缩感知偏振成像实验证明了该成像技术的可行性。空气中实验结果表明,该成像系统能够重构出预先放置目标靶的偏振图像。此外在现有的实验条件基础上讨论并提出了几种改进系统成像质量的措施。     

高效学习的透过未知散射介质的相位恢复方法

透过散射介质对目标进行准确的重建仍然是阻碍人们对深层生物组织成像分析和深空天文观测的主要挑战之一。基于深度学习的散射计算成像方法虽然在成像质量和效率等方面取得了很大的进展,但是针对实际系统中散射介质状态不固定,目标结构具有较高复杂度以及可获取的训练散射数据有限的情况下,单纯利用数据驱动的方法已无法进行准确高效的重建。将散斑相关原理和卷积神经网络强大的数据挖掘和映射能力进行有效的结合,进一步挖掘和利用散斑所包含的冗余信息,实现了仅利用一块薄散射介质对应的散斑数据即可实现透过具有不同统计特性散射介质的复杂目标重构。该方法针对实际散射场景复杂多变和训练样本数据有限的情况,实现了对复杂目标的高质量恢复,有力地推动了基于物理感知的学习方法在实际散射场景中的应用。     

稀疏微波SAR图像特征分析与目标检测研究

稀疏微波成像利用观测场景在空时频极化等表示域上的稀疏先验,通过线性综合测量方式获得比传统Nyquist采样低得多的回波数据,使用优化重构算法恢复观测场景微波图像,相对于传统微波成像体制具有诸多优势。在稀疏微波成像体制下,图像的获取和表征均发生了变化,需要在雷达图像理解现有理论和方法的基础上,研究新的特征分析和认知解译理论与方法。该文分析了稀疏SAR图像的统计特性以及点、线、面等特征的变化情况,对于使用空域稀疏模型重构的SAR图像,统计分布退化,适当降低采样率不影响点、线目标的提取精度。在此基础之上,研究了稀疏SAR图像海上舰船目标检测方法,得益于较弱的背景噪声,稀疏SAR图像的目标检测使用简单的阈值处理即可获得较好的检测效果。      

相位相关法及其在偏振图像配准中的应用研究

分析了遥感偏振探测的原理和与遥感强度探测相比所具有的优越性,指出了偏振图像的特点。采用偏振测量方法,可以获得地物的偏振信息,有助于增强对地物的探测能力,但是对图像像元不对准有很高的敏感性,为了得到可靠的偏振信息,配准的精度应该至少到达0．1个像素。介绍了一种基于傅立叶变换的配准方法：相位相关法,并把该方法应用于偏振图像配准中。相位相关法根据傅立叶变换的平移性质,能够解决具有平移关系的图像配准问题,实验证明该方法具有对噪声和图像灰度变化不敏感的优点。     

基于深度学习的多分辨显微关联成像系统设计

显微成像技术作为研究细胞和生物组织的主要工具,对生物医学的发展起到了极大的推动作用。生物样本的复杂化和生物医学领域对时间和空间分辨率的多样化需求决定了单一功能生物成像系统应用的局限性。为满足生物医学领域的多样化需求,解决成像质量与成像时间之间的矛盾,设计了一种基于深度学习的多分辨显微关联成像系统。该系统通过对显微镜进行硬件设计改造和软件处理,将深度学习与关联成像技术有效结合,当采样率仅为60%时,成像系统能够较好地恢复图像细节,大幅降低欠采样带来的噪声,同时显著提升系统成像的时间分辨率。另外,为了满足所设计的小型多分辨显微关联成像系统的实际需求,采用基于重参数化思想的超高效轻量超分网络,在资源受限的设备下实现实时高质量成像。所提出的成像系统可以在保证成像质量的同时显著缩短成像时间和减少内存占用。不同类型生物样本和分辨率板的测试结果进一步表明了系统的鲁棒性和抗噪性能,研究结果对生物医学领域具有重要意义。