基于散斑相关的多目标成像技术研究

作     者：樊增增 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王学恩;李江勇

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：散斑相关 光学记忆效应 多目标 非负矩阵分解 解混叠 

摘      要：当光透过雨雪、烟尘、磨砂玻璃等复杂介质时会发生散射,导致相机上仅能接收到杂乱无序的散斑图案,无法依赖传统的光学成像方法辨别目标信息。近年来研究人员提出了一系列方法,以恢复出散斑图案中隐藏的目标信息,实现透过散射介质成像。散斑相关成像方法作为新兴技术中的一种,由于具备单帧、非侵入式成像、光路设计简单等优点受到研究人员的广泛关注。然而,该方法的成像范围受到散射介质中光学记忆效应的限制,超出光学记忆效应范围的多目标信息会发生混叠,将严重影响目标重建质量甚至无法成像。本文在散斑相关成像方法的理论基础上,提出了基于目标位置信息的超光学记忆效应散射成像方法以及基于非负矩阵分解的超光学记忆效应散射成像方法,将单目标信息从混叠信息中解译分离出来,实现了超光学记忆效应范围的多目标宽视场散射成像。拓宽了散斑相关成像的应用范畴,促进了散射成像的发展。具体工作如下:(1)介绍了基于光学记忆效应的散斑相关成像方法。首先阐述了散斑及其形成原因,接着分析了散射介质中的光学记忆效应,表明在一定的入射角度偏移范围内,光波散射形成的散斑相互之间具有很强的相关性。然后测量了光学记忆效应范围,实验数据表明光学记忆效应范围为3mm,最后介绍了散斑相关成像原理及模型,讨论了目标重建所用的相位恢复算法,在数值仿真和实验环境下实现了散斑相关成像。(2)提出了基于目标位置信息的超光学记忆效应的散射成像方法。首先研究目标位置分布对散斑的影响,发现多目标散斑存在空间强度差异分布现象,表明目标位置分布与散斑强度差异分布相对应。然后根据强度差异分布将散斑划分为不同子散斑,分别计算划分后的子散斑自相关,结合相位恢复算法即可恢复目标信息。最终通过数值仿真和实验验证了所提方法的可行性,实现了基于目标位置信息的超光学记忆效应散射成像。该方法将光学记忆效应范围扩大了1.3倍,其适用边界为目标间距不超过4mm。(3)提出了基于非负矩阵分解的超光学记忆效应的散射成像方法。首先研究了多目标混叠散斑自相关模型,然后利用非负矩阵分解对超出记忆效应范围的多目标散斑自相关进行解混叠,结合相位恢复技术可恢复目标信息。最终通过数值仿真和实验验证了所提方法的可行性,实现了宽视场多目标散射成像。实验结果表明,利用本文方法可实现目标间距为15mm的散射成像。将光学记忆效应范围扩大了5倍。