无透镜鬼成像关联参数优化

为提升无透镜鬼成像的成像质量,构建了基于赝热光源的无透镜二阶鬼成像实验系统。分析了关联计算次数、物臂探测器尺寸和两臂偏离量等参数对无透镜鬼成像质量的影响,并通过信噪比和均方误差对重构图像的成像质量进行了定量评估。研究结果表明:当关联计算次数大于2 000次时,继续增大关联计算次数不能明显提升成像质量。为了保证鬼成像重构图像质量,物臂探测器面积应小于1 640μm~2,参考臂和物臂的偏离量应小于10 cm。     

《被动光学高光谱强度关联成像技术》2014年度进展报告

经过一年来的努力,基本按时完成了预定的各项研究任务。(1)完成了单次曝光高光谱强度关联光谱成像光学设计理论及实验验证,获得了系统空间分辨率、光谱分辨率及信噪比之间的相互制约关系。完成了基于最临近插值法和双线性插值法的测量矩阵标定方法的建立,建立了自动化标定系统。初步完成了系统测量矩阵的优化设计,加工得到了部分满足设计指标的空间随机相位调制器样件。完成了单次曝光高光谱强度关联成像试验样机光机设计。(2)研制出一台单光子强度关联光谱相机,并开展了2公里的野外成像,采用了互补测量的方法,优化了压缩感知算法,获得了高质量的图像输出。旨在用单光子点探测替代单光子面阵探测器完成单光子级别的超灵敏遥感光谱成像。(3)在理论上创新的提出了通过预先对光谱通道阵列进行更加精细定标的方式,然后引入光谱重构算法,如吉洪诺夫正则化(Tikhonov regularization)算法进行求解,可以在不牺牲其他性能指标或者不增加硬件成本的条件下有效的改善传统分光技术的光谱分辨率。在实验方面,引入了微反射镜(DMD)作为光谱通道选择器,设计了相关的样机系统,验证了理论算法的可靠性和正确性,当对每个光谱通道预先进行更加精细的光谱定标时,系统的光谱分辨率得到了有效的提高。(4)开展了热光信号参量放大的实验和实际物体的光参量图像放大实验研究,完成了热光参量放大闲置光和种子光的关联成像实验,搭建近红外波段光参量放大实验光路,开展了近红外脉冲放大关联成像实验。(5)搭建了无透镜关联成像装置,对太阳光进行了滤波,得到了带宽很窄的太阳光。演示了太阳光的HBT实验,并且在HBT实验的基础上做了一维物体的太阳光关联成像实验。最后我们对实验结果进行了系统的分析,初步得到了太阳光关联成像对比度低的原因,并提出了改进措施。(6)在强度关联图像质量要素表征及评价方法研究方面,本年度主要完成了不同空间和光谱结构及稀疏度的仿真场景构建方法研究;完成了影响被动光学关联成像质量因素分析;初步开展了被动光学高光谱强度关联图像质量评价方法研究;为下一年度的研究工作奠定了基础。初步完成三维图像快速重构算法,和基于梯度投影原理的GPSR_BB算法进行了结果比对,在相同采样率的情况下,图像信噪比得到了很大的提高。在采样率较低的情况下,图像质量提升更加明显,为此可以有效地降低采样次数。     

量子成像及其发展与应用

量子成像是基于量子涨落的非局域成像技术,亦称"鬼成像",与传统成像相比,其具有非局域成像、单像素成像、无透镜成像等诸多优点,在高分辨率成像、非相干成像、恶劣条件下成像等方面具有广阔的应用前景。量子成像不限定成像光源必须是纠缠光源,可模拟纠缠光源的角度和空间关联特性的经典光源同样可以实现"量子"成像。量子成像通过两路探测器的符合关联实现最终成像,虽然计算鬼成像(GI)只使用一路单像素桶探测器就完成了量子成像,但其本质上仍是通过桶探测器与SLM之间的符合关联才实现最终成像的。目前,量子成像由于不能记录光源的瞬时强度且成像时间较长,还主要停留在理论实验阶段,距离实际应用尚有较大差距。     

机载红外热像探潜技术

分析了潜艇热尾流形成的原因和浮升的规律,论述了机载红外热成像系统的组成、工作原理与工作方式．对红外热成像系统在探潜中的信噪比进行了计算,还进行了潜艇模型热尾流的红外探测试验研究．理论计算和试验分析表明,具有高灵敏度的机载红外成像系统可以在一定的距离上探测到潜艇热尾流的存在,所以该方法可用于反潜探测．     

三维激光彩色扫描仪中物体表面色彩信息获取

研究了三维激光彩色扫描仪中获得物体表面色彩信息的方法.针对装置特点,研究了在彩色扫描图像序列中,物体表面采样点在激光入射面和相机主光轴面的成像对应关系,提出了利用采样点在相机主光轴面的像获得色彩信息的方法,有效地克服了传统结构光测距装置中由于结构光源照射带来的色彩失真和物体表面复杂而造成侧面遮挡的影响.实验结果是令人满意的.     

原子强场双电离的关联电子动力学

强激光与原子分子相互作用时,有许多由电子关联效应导致的新现象.强激光场驱动下的原子分子双电离,特别是非次序双电离,是一种典型的由电子关联作用引起的物理过程,为人们研究电子关联效应提供了一种重要途径.本文介绍了基于冷靶反冲离子动量成像谱仪技术对强场双电离关联电子微观动力学的研究现状,总结了不同激光强度下非次序双电离的微观动力学过程,进一步介绍了基于双色场对非次序双电离关联电子动力学过程控制的理论及实验研究.最近强场次序双电离实验观察到了许多与以前的理论模型预言相悖的物理现象,本文介绍了最近发展起来的次序双电离模型对这些现象的解释,以及此理论模型预言的次序双电离的有趣现象.     

太赫兹时域脉冲成像的三维重建

太赫兹(Terahertz)脉冲成像技术是太赫兹科学与技术中的重要应用领域。飞秒激光的发展使得光导天线成为稳定、可靠的太赫兹脉冲辐射源,为太赫兹成像技术奠定了较好的基础。该文基于Matlab软件,以太赫兹时域脉冲三维成像算法及应用为中心,研究太赫兹脉冲扫描成像数据处理算法,通过对太赫兹反射成像时域脉冲波形的特定参数和峰位时间延迟进行处理,尝试实现三维成像;同时利用Matlab的GUI界面设计太赫兹脉冲成像数据分析平台,对实验数据进行分析验证。     

光学编码成像术中光源稳定性研究

针对光学编码成像的光源强度随时间波动对编码成像结果的影响,研究了编码机制对光源光强变化响应的表现,发现了阿达玛变换光学系统对光源强度波动的特异敏感性规律:像元强度改变量与光源光强波动量成比例;一个编码周期内光源光强的多次波动导致像元强度改变量按次累加但并不导致发散;各次源强度波动对像场强度改变量的分布具有循环性.采用数值模拟方法计算了与1×7阵列像场对应的7阶S矩阵编码成像,结果表明光源光强随时间的变化对编码成像质量有严重影响.指出了在编码成像系统中所用的光源的不稳定性应该受到的限制.     

光学显微三维成像特性的实验研究

讨论了激光共焦扫描显微镜的三维超分辨率成像特性,通过实验论证了在理论分析上所具有的三维超分辨率成像特性.理论分析和实验结果表明这种新的显微系统可以成高分辨率的二维层析图像并重构成三维图像.     

三维激光彩色扫描仪中物体表面色彩信息获取

研究了三维激光彩色扫描仪中获得物体表面色彩信息的方法,针对装置特点,研究了在彩色扫描图像序列中,物体表面采样点在激光入射面和相机主光轴面的成像对应关系,提出了利用采样点在相机主光轴面的像获得色彩信息的方法,有效地克服了传统结构光测距装置中由于结构光源照射带来的色彩失真和物体表面复杂而造成侧面遮挡的影响。     

应用快速成型技术制造生物赝复体

介绍快速成型（RP）技术原理及国内外应用快速成型技术制作生物赝复体的研究现状,探讨了快速成型技术在生物赝复体制造领域的实际应用价值和发展前景,提出采用选择性激光烧结法制作生物赝复体原型蜡模,再结合石膏型,制造硅胶赝复体的方法,并对一些工艺参数进行优化,最后制造出生物质量体的三维实体模型,其临床应用可操作性强,特别是在整容术赝复体的设计制造方面具有良好的应用前景。     

低功率激光作用下的热透镜效应

采用COMSOL Multiphysics 5.5软件构建的模型研究了透镜焦距变化与激光功率变化的关系,利用理论分析设计实验方案并确定热透镜焦距计算公式.通过实验探究了低功率激光作用下的热透镜效应,实现了低功率激光作用下热透镜效应的可视化,测得酱油透镜为热凹透镜;使用刀口法测量激光半径,得到热凹透镜的焦距,实验相对误差为3.6%;以焦距为热透镜效应的强度参照量,得到热透镜效应的强度与光功率呈正相关关系.     

多光子(n≥2)荧光共焦成像特性

研究了有限尺寸光源和探测器的任意多光子荧光过程(n≥2)不同波长荧光共焦成像的分辨率,导出了相应的三维强度脉冲响应函数和光学传递函数[3D OTF],证明多光子过程可以克服光源和探测器有限孔径、荧光波长增大对系统3D OTF的不利影响;获得了普遍的点源、点探测器系统的光学传递函数[3D OTF]横向、纵向截止频率和相应的通频带(也适用单光子荧光情况).     

研究MIS结构电荷特性的光Ⅰ～Ⅴ法

介绍以高能紫外激光为光源的、研究 MIS 结构电荷特性的光Ⅰ-Ⅴ法。简述了该法实验原理、实验装置和测试方法;给出了由传统热氧化的 SiO_2介质膜和新型快速热氮化的 SiOxNy 膜(缩写为 RTNF)组成的 MIS 结构的光Ⅰ-Ⅴ实验数据、体电荷密度和平均分布中心的实验结果。并就该法优缺点、应用前景及改进途径作了讨论.     

改善机载雷达方位聚焦的成像处理试验研究

雷达（SAR）信号相位的稳定性对于成像处理后图像的方位向分辨率的高低有至关重要的影响．由于飞行平台运动误差或湍流大气中微波传播的影响会直接导致信号相位的波动,机载SAR的方位聚焦一直是SAR成像研究中的重要内容．这里介绍一种基于相位梯度自动聚焦矫正信号相位的高分辨率机载SAR成像处理方法,利用这种方法,对真实的机载SAR信号实验数据进行成像处理．试验表明：在缺乏机载平台运动补偿系统提供飞机运动状况信息的情况下,该成像方法能够有效地估计和补偿相位误差,从而可获得方位向分辨率明显提高的机载SAR图像．     

一种多路激光光源设备的结构设计

本文介绍了一种多路激光光源设备的结构设计,从机箱设计、热设计、电磁屏蔽设计三个方面阐述了该设备机箱的设计思路。本次多路激光光源设备经过环境试验,各项指标符合要求,为以后其他电子设备的结构设计积累了经验。     

剪切作用下节理表面形貌变化

 岩石不连续面的粗糙度对节理岩体的剪切力学性质有重要影响。为研究剪切作用下节理表面形貌变化,对5组节理试样进行了2次剪切试验,借助三维非接触式高精度激光形貌仪(Talysurf CLI 2000)对每次剪切前后节理表面进行扫描测试,从微观和宏观方面分析了节理表面形貌在剪切作用下的变化,得出如下结论：(1) 节理峰值抗剪强度与节理表面形貌有较大关系;(2) 经过2次剪切试验,节理表面较高高度范围内峰点数量减少,较低高度范围内峰点数量增加;(3) 经过2次剪切试验,节理表面最大高度降低,凸起体高度普遍下降,中间高度凸起体分布增加;(4) 经过2次剪切试验,节理表面轮廓线的包络线呈下降趋势,平均轮廓线也呈下降趋势,下降高度与法向应力有关。     

机载双频激光雷达样机设计与水陆联测试验

为了识别水下目标和获取水陆一体的三维地形数据,运用机载双频激光探测的原理,建立了水陆联测数学模型,设计了机载双频激光雷达样机,进行了水陆联测试验。运用蓝绿激光扫描技术以实现水下地形的实时测绘,运用红外激光扫描技术以实现陆地目标的快速精细探测,采用机载双频激光雷达技术把蓝绿激光扫描技术与红外激光扫描技术进行结合,先后产生两个激光脉冲回波,结合飞行平台的一维运动,共同构建地表和海底表面的三维坐标点云,获取地表和海底的三维地形,实现水下目标的识别和水陆一体化量测。试验结果显示,每平方米地面点云数量达到12个,水下勘测点云数量达到2~4个,水下测深达到5~7米,既提高了陆地目标的探测精度又实现了水下目标的探测,验证了水陆联测系统的可行性。     

用激光层析干涉法测量三维温度场的研究

本文详细探讨了以激光作光源将层析法和全息干涉法结合起来用于测量不稳定的三维温度场的方法。文中给出了以平行平面激光作照射光源的层析干涉法的光路系统及由干涉图重建三维温度场的原则。本文所讨论的方法对传递过程中的三维不稳定场,如密度场、浓度场的测量也是适用的。     

井下侧向多镜头成像系统的环形光源及其控制器设计与实现

针对井下视频测井仪对于侧向井壁成像效果较差的问题,设计了一种环形光源及其控制器装置.光源由2个同轴、平行且关于成像平面上下对称放置的环形光源板组成.光源板与LED的光轴有一固定夹角α,使得照明范围在井壁上的投影关于成像平面上下对称,从而覆盖侧向成像区域,消除图像盲点.2个光源板采用不同波长的LED,可充分利用介质的光谱特性.每个光源板电路采用多个LED串并联连接,使用电压低,提高了可靠性.成像系统的控制芯片控制具有I2C接口的数字电位器,改变LED驱动芯片的输出电流,以控制光源强度.实验表明,所设计的环形光源及其控制器能够满足井下侧向多镜头成像系统对光源的要求.