中波红外数字域640×8 TDI成像系统设计及验证

时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)探测器被广泛应用于弱光成像和航天遥感等领域,这种探测器能够在保持空间分辨率和平台运行速度的条件下有效提高探测器的等效积分时间,提高系统成像质量和探测率.近年来,红外数字域TDI探测器因具有动态范围大、积分级数连续可调和高帧频等优点而受到越来越多的关注和研究.通过对红外数字域TDI技术进行原理分析和数字系统设计,结合国产640×8中波红外数字域TDI探测器设计成像系统进行性能的分析及验证,重点研究了红外数字域TDI探测/成像系统的盲元补偿、非均匀校正、像元调整、时间延迟累加和过采样等关键技术,为未来红外数字域TDI探测器在空间遥感中的应用提供了技术支持.     

一种亚像素级图像超分辨恢复算法

随着光学成像到光电数字成像的转变,如何提高CCD的几何分辨率,已成为研制高分辨光电成像系统亟待解决的问题.建立了半像元超分辨成像数学模型,提出了半像元的CCD几何超分辨方法.该方法将2片线阵CCD集成在同一器件中,在线阵方向上错开半个像元,同时读出时间减半,最终交织重组图像数据,以合成高分辨率图像.利用MATLAB软件对双线性插值方法及半像元成像方法进行了仿真,并定性定量地分析了2种方法的效果.结果显示：半像元方法合成图像分辨率约为低分辨率图像的2倍,且2组仿真图像中的PSNR比双线性插值图像分别高出1.486 4 dB和2.207 0 dB.该方法可以显著地减轻欠采样引起的图像模糊,且实时性优于双线性插值方法.     

空间中波红外线列过采样探测系统设计

随着长线列红外探测器技术的发展,其在空间遥感领域中得到愈来愈广的应用。亚像元探测技术在空间遥感领域已得到了广泛应用,在可见波段SOPT5卫星通过亚像元探测技术获得了2.5m分辨率的高分辨率图像。给出了一套中波红外亚像元探测系统的设计方法。设计以交错排列的中波探测器为成像焦平面,设计了包括光学系统、杜瓦结构、基于PFGA的控制时序以及信号处理电路、采集系统以及图像显示的一整套系统。以该系统为终端,进行了目标成像试验,并对图像进行了非均匀性校正处理以及图像的重建。     

10 μm像元间距1024×1024中波红外探测器研制进展

小像元红外探测器已成为红外探测器技术发展的重要方向,像元尺寸减小可提高红外成像系统的探测和识别距离,降低红外探测器成本,减小系统尺寸、质量和功耗等。本文介绍了国内外小像元红外探测器研制进展,重点介绍了中国电科十一所研制的10 μm像元间距1024×1024规模小像元碲镉汞红外焦平面探测器组件。组件为n-on-p平面结构后截止波长5 μm、有效像元率达到99 %、量子效率达到60 %。     

一种改进的凝视焦平面探测器亚像元成像处理算法

利用光学微扫描和亚像元成像处理技术,实现亚像元成像系统是当前提高光电成像系统空间分辨率的重要技术途径.本文在分析二维凝视焦平面探测器的亚像元成像和重构原理的基础上,提出了一种改进的基于二维2×2微扫描的亚像元成像处理方法,解决了边界精确标定法的标定以及边界值近似法的误差问题.模拟分析表明:算法可有效实现亚像元成像,且处理工作量小,易于实现实时处理,可望在可见光和红外亚像元成像领域获得应用,算法对于发展高性能热成像系统具有重要的理论指导意义和实用价值.     

焦平面编码高分辨率红外成像方法

红外成像系统由于探测器加工工艺的限制,很难通过减小像元尺寸或增加阵元数量的方式实现高分辨率成像.压缩感知理论提供了一种新的提高成像分辨率的方法,在光学系统的焦平面处放置编码掩膜,使得红外探测器得到的图像是被观测场景的压缩采样,再通过稀疏优化算法重构出原始图像.决定图像分辨率的不是探测器的像素尺寸,而是编码掩膜的孔径大小...     

亚像元技术在图像采集系统中的应用

指出利用亚像元技术来提高图像采集系统空间分辨率,不仅要在理论上研究亚像元技术的性能以及图像超分辨率重建算法,还要研究亚像元技术受到系统其他因素的影响以及亚像元技术对系统其他性能的影响.分析了图像配准程度、光学系统点扩散函数以及仪器信噪比和亚像元技术的相互影响关系,并得到结论根据系统不同工作环境进行设计以保证亚像元技术带来的空间分辨率的提高和系统其他性能的平衡,是在系统中正确运用亚像元技术的关键.     

可编程等效异形像元的几何超分辨方法

为获得高分辨率目标图像,提出了等效异形像元几何超分辨方法。数字微镜器件(DMD)中2×2个微镜对应一个探测器像元,通过顺次控制DMD微镜编码得到4种异形像元,并采集各自状态下的目标图像,通过重建算法得到高分辨率目标图像。通过仿真实验验证了算法的有效性,并对视轴稳定误差对重建图像质量的影响进行分析。最后给出了像元尺寸、系统焦距与视轴稳定精度之间关系。实验结果表明:当探测器和目标之间不存在相对运动时,所得高分辨率图像PSNR可达53.024 3dB,相比于双线性插值方法提高了40.7%;可接受的探测器和目标之间最大相对运动量为1/10像元尺寸;当探测器像元尺寸为15μm、光学系统焦距为1 000mm时,系统对视轴稳定精度要求达到15μrad。所提出的方法可有效提高像元几何分辨率,且具有工程实现性。     

亚像元图像超分辨率重建研究

针对光纤束耦合成像系统的特点,对存在亚像元量级空间错位的图像进行超分辨率重建研究。研究分为图像配准与融合两个步骤。图像配准时,用经典的Keren配准算法对两幅图像进行亚像元级别配准。图像融合时结合双三次插值对配准后两幅图像进行Mallat小波分解与重构,从而实现图像超分辨率重建。实验结果表明,简化后的配准算法配准精度达到了0.01像素,而经过插值与融合重建出来的图像空间分辨率提高了一倍,并且保留了丰富的细节信息。     

多块合并压缩感知实时成像（英文）

中长波红外成像探测器成本高昂,成为该波段高分辨成像和实时显示的巨大挑战。本文提出一种高效合并分块压缩感知方法（Multi-block Combined Compressed Sensing, MBCS）,适用于基于焦平面阵列的压缩成像系统,它结合了并行采样和快速重建优势,可通过低分辨红外探测器实现低分辨并行测量和高分辨图像快速重建。与传统的基于压缩感知超分辨成像相比,该方法可提升高分辨图像重建的质量,同时实现高速重建。本文对光学系统原型和MBCS重建模型测量矩阵构建过程进行了研究,讨论了合并块大小对重建性能的影响,发现存在最优块大小使重建速度与重建质量都最优。此外,本文还实现了基于GPU加速的MBCS重建算法,用于进一步改进并行成像系统的图像重建速度。仿真和光学实验验证了该光学系统并行采样和快速重建策略的有效性,512×512分辨率成像与显示速度可达到5 Hz。     

掩膜版调制关联成像的发展及应用(特邀）

关联成像作为一种新型的计算成像技术,使用不具备空间分辨能力的单像素探测器,结合空间光场调制技术,运用关联算法重构出目标的二维空间信息,成为近二十多年来广泛关注的研究课题。单像素探测器和结构光调制器作为关联成像中的两个核心要素,其性能直接决定了关联成像的各项指标。单像素探测器往往具有极高的光谱响应范围和工作带宽,但结构光调制器却少有与之匹配的性能。因此在一定程度上,结构光调制器的更新历程决定了关联成像技术的发展史。到目前为止,在关联成像中常用的结构光调制器有毛玻璃、空间光调制器、LED阵列以及掩膜版。其中,掩膜版作为一款有着悠久历史的结构光调制器,目前依旧是关联成像中空间调控的重要手段,并发挥着不可替代的作用。以关联成像的基本概念和发展历程为铺垫,着重介绍了一些基于掩膜版调制关联成像技术的工作原理及应用前景,并对非光学波段的掩膜版关联成像工作进行了简要的总结。     

大靶面中波红外连续变焦光学系统设计

开展了大靶面中波红外连续变焦光学系统设计研究,设计出了一种机械正组补偿式连续变焦光学系统。该系统的工作波段为3.7~4.8 m,焦距为50~580 mm,F数为4.5;靶面直径为24.6 mm,适用于目前新推出的像元间距为15 m 的1280×1024元制冷型中波红外焦平面探测器。在实现长焦距、高分辨率的同时,可保持光学系统具有大视场角,进而有效提高机载光电系统的目标搜索与识别能力。设计结果表明,本文系统的成像质量高,在30 1p／mm空间频率处的调制传递函数值接近0.2。     

基于核回归正则项的图像超分辨率重建

讨论了图像成像的基本模型,并提出了一种基于调整核回归函数作为正则项的序列图像重建算法。该算法是对已经提出的核回归算法的改进,减少其在超分辨率图像重建时的运算量。而且在图像配准过程中针对图像间只存在平移和旋转变换,采用了基于矩形像素值的亚像素配准方法,以提高配准的速度和精度。利用此算法对序列图像进行重建仿真,并通过结论得出其在噪声严重的情况下具有更好的边缘保留特性。     

一种共照射源超空间分辨率三维重建方法

受到制造工艺限制,现有的3D非扫描激光雷达APD阵列无法做到高度集成。为了提高3D非扫描激光雷达的空间分辨率,满足高分辨率空间采样需求,文中提出了一种共照射源3D激光雷达和2D探测器超空间分辨率信息获取方法。该方法使用高分辨率共照射源2D探测器对3D激光雷达进行辅助成像,将2D探测器得到的激光回波强度信息与3D激光雷达得到的目标深度信息进行数据融合,并对不同孔径的成像结果基于非相参合成孔径成像原理进行修正,实现超越3D非扫描激光雷达空间分辨率的目标三维重建。实验结果表明,该方法能够有效提高3D非扫描激光雷达的空间分辨率。     

Stationary positron emission tomography and its image reconstruction

Feasibility of stationary positron emission tomography (PET) using discrete detectors has been investigated by simulation studies. To enable full utilization of detector resolution, a "bank array" of detectors is proposed and an EM algorithm is adopted for image reconstruction. The bank array consists of an odd number of detector banks arranged on a circular ring with a gap equal to one half the detector width. The EM algorithm [11] is used with some modifications for reducing the quantity of computation, improving the convergence speed, and suppressing statistical noise, so as to meet the present purpose. Simulation studies involving several phantoms show that the stationary PET with the new detector array provides image quality which is good enough for clinical applications. For fast dynamic studies with low spatial resolution, the convolution-backprojection method is efficient, but for high-resolution static imaging, resolution enhancement by an iterative method is required. Problems arising in the corrections for attenuation of photons and detector sensitivity, etc., are also discussed. A totally stationary PET avoids the mechanical problems associated with accurate movement of heavy assemblies and is particularly advantageous in gated cardiac imaging or in fast dynamic studies. Elimination of a scan along the detector plane allows a quick scan in the axial direction to achieve three-dimensional imaging with a small number of detector rings.     

单像素复振幅成像（特邀）

传统光学成像系统主要依靠阵列探测器对目标的空间分布进行探测来达到成像的目的。而单像素成像不需要阵列探测器,在探测端只需要使用一个单点探测器来记录光场的信号,然后利用关联算法来重构目标物体的图像信息。由于单点探测器的技术较为成熟,且成本较为低廉,因此这种成像方式在近些年得到了研究人员的广泛关注,期望单像素成像技术能够应用在X射线、红外、太赫兹等波段。另外,单像素成像技术在生物荧光成像、多光谱成像、三维成像、光场复振幅成像等应用领域也得到了深入的研究。其中光场波前的相位探测在天文观测、医学诊断、光学测量等领域至关重要,研究人员针对这一问题提出了多种基于单像素成像技术进行复振幅成像的方法,这些研究有效地拓展了单像素成像技术的实际应用场景。文中主要介绍了单像素成像技术的历史发展及其基本工作原理,并着重介绍了单像素成像技术在复振幅成像应用中的工作。     

Development of a Small-Animal PET System

Developments in small-animal positron emission tomography (PET) technology aim at reaching spatial resolution in the submillimeter range and increasing the system sensitivity. Various detector schemes have been implemented in complete tomographic systems for in vivo animal imaging. These include small scintillation crystals read out by multichannel-photomultiplier tubes with optical fibers to guide the light, phoswich detectors, and direct coupling of semiconductor detectors to small scintillation crystals. One design uses avalanche photodiodes (APDs) for the detection of scintillation light. A prototype sector scanner was the first to combine fast lutetium oxyorthosilicate (LSO) crystals with APDs. Based on the results from this tomograph, a new system is being built with smaller detector elements for improved spatial resolution and sensitivity. In this overview paper, the concepts, technical realization, and expected performance of this system are described.     

向高清化和数字化发展的红外成像系统

高清(晰度)红外成像系统是一种根据高清电视标准(1280×1024、1920×1080或者1280×720)产生视频信号, 具有较高空间分辨率而又不会牺牲热灵敏度的热像仪。空间分辨率越高,可探测到的目标越小,距离就越远。空间分辨率的提高意 味着探测器像元数量的增加、像元中心距的减小和像元信噪比的增强。数字化也就是要将模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC) 引入到读出集成电路(Readout Integrated Circuit, ROIC)中。 ADC可以用一个高速ADC在芯片级实现,或者用几个中速ADC在列级实现,或者用低速ADC在像元级实现。由于仅需传输数字数据,像元级ADC 有助于减小系统噪声,适合用标准的数字CMOS工艺来实现。通过对部分有关英文文献进行归纳与分析,介绍了近年来红外成像 系统在高清化和数字化方面的发展动向和趋势。     

Hadamard编码调制关联成像的阈值处理研究

关联成像是一种通过单像素探测器以成像时间换取空间分辨率的新颖成像方案,然而,其存在重建质量低、数据采集时间长的问题。Hadamard编码调制计算关联成像能够实现高效率的成像,显著提高了关联成像方案的适用性,但是其独特的图像噪声集中现象是影响其实用化亟待解决的难题。通过分析Hadamard矩阵作为测量矩阵计算关联成像重建结果的噪声特点,基于图像分割理论,提出了一种利用阈值处理和形态学图像增强的Hadamard编码调制关联成像噪声压制方案,并通过实验验证了该方案的可行性,获得接近8 dB的光学图像增强。该方案对二值图像和灰度图像都有比较好的效果,其工作促进了关联成像技术的实用化。