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基于深度学习的多模光纤主动照明式成像

基于深度学习的多模光纤主动照明式成像

作者：居振宇北京邮电大学

学位级别：硕士

光纤成像是一种小直径、低损耗、低成本的光学成像技术。它通常用于通过人体天然管道或手术切口进行医用内窥检查,也可用于深层组织成像。在传统的光纤成像技术中,通常使用光纤束来传输图像,每个光纤核传输一个像素信息,成像系统的分辨... 详细信息

光纤成像是一种小直径、低损耗、低成本的光学成像技术。它通常用于通过人体天然管道或手术切口进行医用内窥检查,也可用于深层组织成像。在传统的光纤成像技术中,通常使用光纤束来传输图像,每个光纤核传输一个像素信息,成像系统的分辨率受到光纤束直径的限制。此外,传统的纤维内窥镜通常包含照明光纤和成像光纤这两种光纤,这也进一步增大了传输系统的直径。多模光纤具有模式多、芯径小的特点,因此近年来逐渐被广泛用于光纤成像技术的研究中。多模光纤可以在同一时间传输大量的导波模式,因此可以获得比传统的光纤束成像更高的成像密度。然而,由于多模光纤的物理特性,不同导波模式会使图像信息之间的原始相位关系丢失,最终在输出端形成看似随机的空间散斑分布。在从散斑中重建原始图像的任务中,深度学习技术由于其更快的重建速度和更好的鲁棒性受到了众多研究者的青睐。在本文中,提出了一种基于深度学习的多模光纤主动照明式成像系统。首先,设计一种新型的主动照明式多模光纤成像系统,该系统使用单根多模光纤实现了照明和图像传输的功能,相对于传统外部照明式多模光纤成像系统进一步提高了系统的微型化程度。然而,主动照明式的系统也同时带来了更多的固有噪声,增加了图像重建的难度。为此,本文基于深度学习方法,设计了一种全连接层-编码器-解码器网络用于散斑到原始图像的重建。该算法具有更强的特征提取和特征组合能力,更加适用于主动照明式多模光纤成像系统。本文在1.6m长的多模光纤上进行了实验,在三种不同数据集上都取得了比之前的深度学习网络更短的训练时间和更好的重建结果。本文提出的深度学习网络平均训练时间减少了 63.90%,重建结果的平均PSNR提高了2.62dB,平均SSIM提高了 14.19%。此外,本文研究了使用部分裁剪的散斑图像进行图像重建,还验证了所提出深度学习网络的跨域泛化能力。以上的实验结果都证明了该系统的优越性以及应用于更加微型化的内窥镜成像的潜力。

关键词：内窥成像多模光纤成像主动照明深度学习编码器-解码器结构

主动照明双相机交汇法破片空间坐标测试系统研究

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科学技术与工程 2017年第7期17卷 173-176,187页

作者：陈君苏健军刘吉张静刘秀李世伟西安近代化学研究所西安710065 中北大学电子测试技术重点实验室太原030051

针对当前战斗部破片空间分布测试方法无法满足外场恶劣环境的问题,提出一种结合激光辅助照明和原向反射技术的高速线阵相机交汇的测试方法。该方法利用两台线高速线阵相机视场交汇形成靶面,采用激光模组形成扇形光幕作并结合原向反射屏... 详细信息

针对当前战斗部破片空间分布测试方法无法满足外场恶劣环境的问题,提出一种结合激光辅助照明和原向反射技术的高速线阵相机交汇的测试方法。该方法利用两台线高速线阵相机视场交汇形成靶面,采用激光模组形成扇形光幕作并结合原向反射屏技术形成辅助照明,并由激光光幕测速仪提供同步触发信号。对测试系统的工作原理进行了描述的基础上,阐述了辅助照明的关键技术,并对系统进行了误差分析。完成了验证性实验。实验结果表明系统可以在行频为200kHz时,可靠捕捉目标图像;并计算出其空间坐标,在有效范围为1 m×1.2 m时,与标准靶纸相比,误差优于3 mm。

关键词：战斗部破片空间坐标主动照明原向反射

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主动照明目标图像的仿真和提取算法研究

主动照明目标图像的仿真和提取算法研究

作者：季云松中国工程物理研究院北京研究生部

学位级别：硕士

复杂背景中的目标发现、识别和特征提取是空中目标成像跟踪研究中难度较大的关键技术。在跟踪中采用主动发射的照明激光照射目标，对提高目标特征提取的可靠性和精度具有重要意义。在远距离目标的主动照明探测中，存在光照、背景... 详细信息

复杂背景中的目标发现、识别和特征提取是空中目标成像跟踪研究中难度较大的关键技术。在跟踪中采用主动发射的照明激光照射目标，对提高目标特征提取的可靠性和精度具有重要意义。在远距离目标的主动照明探测中，存在光照、背景变化、目标转动、电子噪声等各种干扰目标提取的因素。为提高主动照明跟踪的稳定性，本文就湍流下的主动照明目标的特征从仿真方法和照明目标特征提取算法两方面展开研究。文中用Kalman谱模型和菲涅尔衍射的FFT技术实现了照明光大气传输的数值模拟，分析了照明光分布规律，并提出了材料反射特性、光学系统、采集系统和图像噪声的模拟方法。同时，用openGL开发库和VC++实现了一个基于上述技术的照明图像仿真软件，并将其模拟结果和实验结果进行了对比，证明了该仿真软件的实用性。其次，围绕目标的特征提取问题，文中讨论了含噪照明目标图像的分布特点，并从亮度和边缘变化方面对照明光束远场特征进行了分析和归纳，提出采用基于MRF理论对照明目标分割来提取目标形心特征的方法。通过对主动照明条件下目标照明图像光强分布的分析发现：1、与自然光照分布相比，湍流传输后的照明光强分布起伏大，高频成分多;2、远距离强湍流(C＞1×10m)条件下的照明光高频分布接近白噪声的分布;3、从分布均匀性看，多束照明有利于提高均匀性、降低光强起伏;4、高斯光束通过大气湍流后的远场亮度和边缘变化分布均可用Weibull分布来近似描述;在图像噪声较小时，目标边界和内部照明光的边缘变化直方图分布可用Gauss分布近似。从分割算法的稳定性分析中发现：夜间弱湍流环境适合用亮度分割来提取目标;而白天的强湍流、强自然光和云层背景等因素使得边缘变化分割对目标提取更适用。

关键词：主动照明大气湍流图像仿真图像噪声 MRF分割

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激光主动照明成像实验研究

电光与控制 2009年第9期16卷 77-79页

作者：孙露王建立王鸣浩中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院研究生院北京100039

激光照明成像系统为主动光学系统。在低照度情况下,使用激光对远距离目标进行照明,最终利用激光回波在CCD上成像。通过对激光经大气传输后回波功率的研究,对激光照明成像系统作用距离进行推导。利用886 nm固体激光器和CCD相机建立实验系... 详细信息

激光照明成像系统为主动光学系统。在低照度情况下,使用激光对远距离目标进行照明,最终利用激光回波在CCD上成像。通过对激光经大气传输后回波功率的研究,对激光照明成像系统作用距离进行推导。利用886 nm固体激光器和CCD相机建立实验系统,验证利用激光照明在主动探测中的可行性。

关键词：主动照明激光传输大气衰减视距 CCD

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主动离焦三维测量的调制度全局计算方法

光学技术 2004年第3期30卷 314-317页

作者：王华苏显渝邵双运张启灿四川大学光电科学技术系

提出了离焦三维测量的全局计算方法。通过向物体投射正弦光栅,使物体上任一点的光分布在光栅频率(局域傅里叶变换)处的光强度等于该处的调制度,利用拍摄物体的两幅离焦像的调制度之比,得到了物体的深度分布。不但消除了过去主动离焦三... 详细信息

提出了离焦三维测量的全局计算方法。通过向物体投射正弦光栅,使物体上任一点的光分布在光栅频率(局域傅里叶变换)处的光强度等于该处的调制度,利用拍摄物体的两幅离焦像的调制度之比,得到了物体的深度分布。不但消除了过去主动离焦三维测量采用局域傅里叶变换带来的测量误差,同时计算程序简单、速度快,具有较好的实用性。

关键词：调制度主动照明离焦三维测量

基于定向照明及逆反射技术的太阳光干扰抑制方法研究

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光学技术 2011年第2期37卷 230-234页

作者：刘炜浩陶卫赵辉上海交通大学仪器科学与工程系上海200240

在基于计算机视觉的测量系统中,为避免太阳光照射对人工标志中心定位造成的影响,采用在公共交通中广泛使用的逆反射材料构造反射标志,并配合单色光主动照明和窄带滤光技术来提高目标物与背景之间的对比度。在对市面上多种逆反射材料进... 详细信息

在基于计算机视觉的测量系统中,为避免太阳光照射对人工标志中心定位造成的影响,采用在公共交通中广泛使用的逆反射材料构造反射标志,并配合单色光主动照明和窄带滤光技术来提高目标物与背景之间的对比度。在对市面上多种逆反射材料进行研究的基础上,选取了其中性能较为优良的3M钻石膜来搭建简易单点测试平台,用于验证方案的可行性。实验证明,在太阳光以不同角度入射时,由CCD采集到的图像灰度变化不大,对定位精度影响较小,说明该方法能较好地抑制太阳光对测量造成的影响。

关键词：光学测量逆反射主动照明标志窄带滤光

基于铷蒸气非线性效应的暗弱光信号放大技术研究

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基于铷蒸气非线性效应的暗弱光信号放大技术研究

作者：陈志强国防科技大学

学位级别：硕士

信标是自适应光学系统的核心,用于为其提供波前畸变信息参考。主动照明信标是一种常用的人造信标,其回光亮度与目标距离的四次方成反比,对于远距离目标,回光亮度将会非常弱,进而严重限制系统效能。如果以铷蒸气激光器作为主动照明光源,... 详细信息

信标是自适应光学系统的核心,用于为其提供波前畸变信息参考。主动照明信标是一种常用的人造信标,其回光亮度与目标距离的四次方成反比,对于远距离目标,回光亮度将会非常弱,进而严重限制系统效能。如果以铷蒸气激光器作为主动照明光源,同时利用铷蒸气非线性效应对信标回光进行相位保持的光放大,相比于传统主动照明系统,探测效率可以获得数千倍提升,是一种全新的思路。基于此背景,本文对其中关键技术进行了探索性研究,系统地研究了铷蒸气受激拉曼效应相位保持光放大技术,同时探索了可在将来用作泵浦源以及照明光源的大功率单频碱金属蒸气激光器的实现途径。具体内容如下:1、全面梳理了提升暗弱信标探测效率的各种方法,分析了其优缺点,提出以铷蒸气激光器作为主动照明光源,同时利用铷蒸气非线性效应对信标回光进行相位保持光放大的新体制主动照明光源方案。2、基于法布里-珀罗标准具法搭建了单频铷蒸气激光器。以课题组自研的第三代紧凑型高压纯氦铷蒸气循环系统为基础,利用双标准具实现腔内选频,并利用内腔二元相位片控制激光横模,首次实现13.4W单频单一高阶模铷激光输出,线宽为112MHz。评估并分析了进一步提升输出功率、压窄线宽、横模质量的技术途径。3、基于放大器结构搭建了单频铷蒸气激光器。使用窄线宽分布反馈式半导体激光器作为种子源,实现了种子光光谱和相位特性基本保持的放大输出,功率达9.35W。证实该方案是实现单频窄线宽铷蒸气激光的有效途径,同时也可以作为上述激光器的后级放大单元,实现更大功率输出。4、搭建了铷蒸气受激拉曼相位保持光放大实验研究平台。对失谐频率,频率差,铷蒸气池温度等影响因素进行了研究,找到了最佳增益条件。对放大后种子光光谱进行测量,验证了本实验放大过程主要为受激拉曼过程。研究了泵浦功率和种子光注入功率对受激拉曼放大过程的影响,当种子光注入功率为0.35mW时,获得高达356.4倍的增益;当种子光注入功率为20m W时,获得高达303.5m W的放大功率。初步研究了受激拉曼放大过程中种子光相位保持情况,通过对种子光放大前后的横模分布以及剪切干涉条纹的比较,初步验证了铷蒸气受激拉曼放大保持波前的潜力。

关键词：主动照明信标放大受激拉曼散射碱金属激光器单频激光相位调制

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基于数字图像相关技术的高温材料形变测量

基于数字图像相关技术的高温材料形变测量

作者：陈登旭中北大学

学位级别：硕士

高温材料形变的测量是评价材料性能的一个重要参数。随着科学技术的发展,高温材料已经广泛应用于航空发动机,飞行器外壳等军事国防领域和其他基础制造业当中,所以对于高温材料形变的测试越来越重要。本文采用的数字图像相关方法(DIC)是... 详细信息

高温材料形变的测量是评价材料性能的一个重要参数。随着科学技术的发展,高温材料已经广泛应用于航空发动机,飞行器外壳等军事国防领域和其他基础制造业当中,所以对于高温材料形变的测试越来越重要。本文采用的数字图像相关方法(DIC)是一种非接触的光学测量方法,具有全场测量、精度高、对环境要求低的特点,满足高温环境对材料形变测试的要求。根据该方法建立了一套完整的高温环境测量系统,成功在高温环境下测得了高温材料的热膨胀系数,并测量到了刚体位移和拉伸应变,最后与红外热像仪融合,同步测量材料的应变场和温度场。具体的研究内容包括以下几个方面:1)介绍了数字图像相关方法的主要原理。提出通过整像素搜索算法和亚像素求解方法定位位移点。分析对比了不同算法在整像素和亚像素定位中的精度和效率,最终确定改进人工鱼群算法作为整像素搜索算法,曲面拟合法作为亚像素求解方法。2)研究了双目视觉成像的基本原理,主要包括成像模型,极线约束关系和成像系统不同坐标系的转换。提出采用张正友棋盘格标定法进行相机标定,并且提出采用红外热像仪和传统CCD相机同步采集标定板图片实现联合标定。3)对于高温环境DIC测试会出现的几个关键问题进行了研究。首先是热辐射干扰,通过采用基于主动照明的滤光系统来消除热辐射;热气流干扰通过可控风机加灰度平均的方法来实现削弱;最后分析了高温环境下相机的曝光时间应该如何调整的问题。4)通过组建的高温DIC实验系统。在最高温度达到1200℃的条件下,进行了材料热膨胀系数的测量,验证实验系统的可行性。接着在1000℃温度下进行了高温刚体位移实验,测得的刚体位移符合100um梯度位移的设定,误差在10um之内。后续的高温拉伸颈缩实验得到指定线条在不同时刻的应变值。最后与红外热像仪融合,同步测量了试件在200℃环境下的温度场和应变场。

关键词：高温材料数字图像相关双目视觉主动照明

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改进的相干光照明强度相干成像方法

光子学报 2018年第10期47卷 82-88页

作者：李冲高昕李希宇陆长明唐嘉北京跟踪与通信技术研究所空间目标测量重点实验室北京100094

在主动照明强度相干成像方法中,考虑相干性变化对成像频谱模值的影响.建立上行链路光场空间相干性变化模型;引入相干因子建立基于相干性变化的强度相干成像模型;仿真相干性变化对强度相干成像频谱模值的影响;最后设计实验验证模型的正确... 详细信息

在主动照明强度相干成像方法中,考虑相干性变化对成像频谱模值的影响.建立上行链路光场空间相干性变化模型;引入相干因子建立基于相干性变化的强度相干成像模型;仿真相干性变化对强度相干成像频谱模值的影响;最后设计实验验证模型的正确性,分析所提模型和原模型恢复频谱模值与真实频谱模值的峰值信噪比.结果表明:在有激光主动照明时引入相干性因子是必要的,不同湍流相干长度下峰值信噪比较原模型提高了3.6%~6.2%.基于相干性变化建立的强度相干成像模型恢复的频谱模值质量更好.

关键词：强度相干成像主动照明相干性变化频谱模值峰值信噪比