基于单光子探测的超分辨率成像技术研究

作     者：杨涵宇 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈德应

授予年度：2018年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：单光子 超分辨率成像 弥散斑 质心算法 亚像素 

摘      要：基于MCP(Micro-channel Plate)单光子探测的超分辨成像技术研究在激光雷达探测远程目标的领域有着广泛用途。其回波是微弱信号,信号强度甚至处在单光子的量级上,因此如何获取到高清晰度的图像是十分重要的。本文首先对基于MCP单光子探测系统的组成进行探讨,其中微光像增强器和图像存储单元是其核心组件。探讨了微光像增强器主要噪声来源,分别是光子散射噪声和电子散射噪声,并对噪声进行了数学推导,最后分析了整个基于MCP单光子探测系统噪声特性。本文对基于MCP单光子探测的超分辨率成像机理进行了深入的研究,根据点光源模型、点扩散函数PSF(Point Spread Function)和弥散斑的模型进行了MATLAB仿真,仿真出了单光子的效果图,然后设计质心亚像素分辨算法,提取单光子的质心位置,去除弥散斑,将图像进行亚像素划分,在亚像素图像上对质心位置进行标记计数,根据大量计数重构出了0.5px和0.1px的超分辨图像。除此之外,还对引入噪声后质心位置的偏离和信噪比关系进行了总结。本文最后进行了静态超分辨率成像实验,通过计算和测量设计了实现单光子的实验方案,在连续光光源下对单光子量级图片进行大量采集,利用质心与亚像素分辨的算法重构出超分辨图像,对不同算法进行了比较。粗条纹在探测器直接曝光和利用算法处理后条纹分辨率分别为1.42lp/mm和1.82lp/mm,对比表明利用本文的算法分辨率有了提高。当采集千万级数量的单光子图像,算法处理后条纹对比度最大可达0.58,基于MCP的单光子探测器分辨率可达33.17lp/mm。