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。     

基于散斑相关的宽视场成像技术研究进展（特邀）

散射成像技术因具备透过生物组织等散射介质后清晰成像的能力而受到广泛关注。近年来,基于散斑自相关的成像方法以其非接触、无需先验信息且能够单帧成像的特点得到迅速发展。然而,散斑自相关成像受光学记忆效应的限制。当多个目标之间的距离在记忆效应范围之外时,基于散斑自相关的成像方法会导致目标自相关信息在相关域发生混叠,导致成像严重退化。文中在光学记忆效应及散斑自相关成像基本原理的基础上,首先介绍了基于散斑自相关和与散斑相关成像有关的其他散射成像技术。接着介绍了拓展光学记忆效应的主要技术及相关应用。最后总结了基于散斑相关的宽视场成像技术目前存在的问题,并对未来的发展应用进行了展望。     

基于散斑理论重建光子相关谱信噪比判据

概述了现行的光子相关谱信噪比判据、建立过程及其不足。提出了动态光散射场的散斑场模型。讨论了动态光散射场中的散斑平均面积。利用统计方法重建了光子相关谱信噪比的散斑判据,并分析了散斑判据的物理意义。     

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。     

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。     

基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达研究（特邀）

激光雷达是一种能够快速获取目标三维信息的光学传感器,凭借精确定位与高效识别能力,其在军事侦察、无人驾驶、空间交会对接等领域发挥着越来越重要的作用。然而在浓雾、烟尘、海水等复杂的气候或环境下,传输介质对光场的强烈散射作用会造成传统激光雷达接收信号的严重退化,致使其性能迅速降低,甚至根本无法正常使用。针对该类环境下接收信号的退化特性,首先建立了Monte Carlo的Mie散射瞬态光场传输模型,接着通过计算机模拟仿真了传输光场的时域分布规律,针对该规律研究了时域信号去散射效应的滤波算法,最后在实验室搭建了基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达系统,开展了雾气模拟环境下的成像实验,结果验证了该穿透成像激光雷达系统的处理方法对目标图像重构质量的提高具有较好的效果。该研究为激光雷达在复杂散射环境中的进一步应用提供了基础。     

基于深度学习实现透过浑浊介质图像重构（特邀）

不同于毛玻璃等固态散射介质静止不变的特点,浑浊介质对光束的散射作用同时体现在空间及时间上,当浑浊介质动态变化时,大多数的传统散射成像方法失效。针对以上问题,文中采用了一种基于深度学习恢复散斑图像的方法,研究了浑浊介质中,不同散射介质及散射介质浓度不同的条件下,神经网络的图像恢复效果,并利用不同浓度散射介质获得的散斑图像混合训练测试神经网络的泛化能力。实验结果表明,在不同散射介质及散射介质浓度不同的条件下,该网络均能够根据散斑图像获得较高保真度的恢复图像,且在不同浓度散射介质的散斑图像混合训练的情况下,网络泛化能力及鲁棒性强。     

双程传输中粗糙面散射场统计特性的研究

为了研究激光散斑对目标探测的影响,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,进行了双程传输中激光束照射远场目标时在接收平面上散斑的统计特性的理论分析,导出了汇聚光束及准直光束照射情况下散斑场的互相关函数、平均散射强度以及强度协方差的表达式。结果表明,随着波束特征半径以及传输距离的减小,会聚波束照射时接收平面上散斑场的互相关函数下降迅速,而准直波束正好相反,总体上准直波束比会聚波束下降要快得多;强度协方差函数的变化规律与互相关函数的变化规律基本一致。     

基于相位重构的计算全息再现光场中噪声的消除方法

由于量化噪声、胶片中有大量微小颗粒等原因,用CGH再现的光场中往往有散斑噪声。为了消除散斑噪声,文章提出了一种新的处理思路和方法:不是刻意去获得低噪声的再现光场,而是用数字全息技术重构再现光场(包括散斑噪声)的振幅和相位,继而从再现光场中消除散斑噪声,得到高质量的再现光场。实验结果表明,即使在散斑噪声很大的情况下用该方法得到的光场依然是令人满意的。     

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。     

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。     

基于散斑图滤波的差分鬼成像优化算法

针对传统鬼成像重构算法采样次数多、重建图像质 量差的问题,提出了一种基于散斑 图滤波的差分鬼成像优化方法。该方法在差分鬼成像的关联阶段先对随机散斑图进行相应的 滤波处理;再将原始桶探测器值与处理后的散斑图作关联运算,得出降噪处理后的重建鬼像 ,最后通过图像融合的方法补充重建图像的细节信息。数值仿真结果表明,与传统差分鬼成 像相比,在相同采样次数下重建差分图像的峰值信噪比提高了2-4 dB。实验结果表明该 算法能够很好地兼顾采样次数和图像质量间矛盾关系,对低采样次数下的鬼成像也能取得良 好的恢复效果。     

基于光子晶体光纤中SRS的全光组播

为了减轻光通信系统中的网络负载,提高光网络的传输效率,提出一种基于光子晶体光纤中受激拉曼散射效应实现全光组播的理论方法。利用光纤中前向瞬态受激拉曼散射效应的分析理论,对该方法建立理论模型,使用Matlab软件对其进行数值仿真分析。并依据理论模型设计出原理流程图,利用Optisystem软件进行仿真,结果表明经过全光组播后输出的组播信号与组播前原信息光携带的信息一致,且眼图的轨迹线条清晰、张开度良好。验证了该设计方法的可行性。     

Ultrasonic texture motion analysis: theory and simulation

A theoretical model was previously developed to evaluate the relationship between the dynamics of ultrasonic speckle and its underlying tissue. The model is divided into an instrumental part represented by the point spread function (in the far field) of the ultrasonic apparatus and a moving tissue component described by a collection of scatterers. By computing the convolution of these terms and then the envelope, one obtains a simulated ultrasonic speckle pattern sequence which shows speckle motions closely linked to the tissue dynamics when small motion amplitudes are involved. Here, a theoretical study of the correlation between various linear transformations of the tissue and the corresponding ultrasonic speckle motions is performed, based on a 2D extension of the envelope cross-correlation analysis of a narrow-band Gaussian noise. In the linear scan case, obviously, tissue translation generates an identical speckle translation. However, tissue/speckle motion correlation decreases with increasing rotation and/or biaxial deformation, lateral deformation (perpendicular to the beam propagation axis) being much less sensitive. With respect to the transducer frequency, the rotation and the axial deformation of the tissue show a better relationship with their respective speckle motion at lower frequencies while lateral deformation correlation is independent of the pulse frequency. With respect to beam (pulse) size parameters, tissue/speckle correlation decreases with rotation when a wide ultrasonic beam is used while the axial deformation correlation decreases with the axial duration of the pulse. This study sets the ground for the development of an ultrasonic strain gauge particularly useful for the assessment of biomechanical soft tissue and fluid flow properties based on speckle tracking.     

海底能见度测量方法的研究

文中对半导体激光器进行调制,用分束平片将被调制的激光束分成透射光束和反射光束,透射光束作为探测光束,反射光束作为参考光束。同时,测量探测光束在前向散射区35毅角的散射光功率和参考光束的功率,用散射功率与参考光功率之比来计算角散射系数。激光器输出光功率波动时,探测光束和参考光束同步波动,散射光功率与参考光功率之比不受光源波动的影响。用2 滋m 石英颗粒作为散射源,对构建的装置进行测试。结果表明,角散射系数与石英微粒浓度成线性关系,相关系数为0. 99。双通道测量方式可以用于水底能见度的测量。     

超辐射发光二极管的散斑自相关法表面粗糙度测量研究

利用相干或部分相干光被粗糙表面散射产生的散斑现象进行表面粗糙度测量是一类有应用前景的在线测量技术。研究了窄带连续谱光束被随机粗糙表面散射形成的远场散射光场的散斑延长效应和将其应用于表面粗糙度测量的可行性。理论和模拟研究表明:随着观测点逐渐远离散射光场中心,散斑延长率越来越大;在相同的观测位置,表面的粗糙度越小,散斑延长率越大。构建以超辐射发光二极管（Superluminescent Diode,SLD）为光源的实验系统,以散斑延长率衍生的光学粗糙度指标来衡量表面粗糙度,对电火花加工的表面粗糙度对比样块进行粗糙度测量实验,结果表明光学粗糙度指标随着被测表面粗糙度的增加而单调递减。比起一组分立波长的光源,采用窄带连续谱光源的表面粗糙度测量系统有更大的测量范围。     

基于平面波谱理论的目标散射特性近场成像方法

提出了在微波暗室内基于平面波谱展开理论重构目标散射二维图像的方法,探讨了该方法的成像原理,建立成像算法流程,最后通过了计算机数值仿真实验验证,仿真结果表明了方法的正确性和有效性.