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宏观傅里叶叠层技术远距离成像实验研究

航天返回与遥感 2023年第6期44卷 38-44页

作者：田芷铭赵明王森李剑大连海事大学大连116026

傅里叶叠层是一新型的宽视场高分辨成像技术,但是其在宏观成像领域的应用中,成像模型在米级成像距离下通常仅有2 cm左右的成像视场,难以满足使用要求。为了提高宏观傅里叶叠层技术的成像距离和视场,文章开展了远距离宏观反射式傅里叶叠... 详细信息

傅里叶叠层是一新型的宽视场高分辨成像技术,但是其在宏观成像领域的应用中,成像模型在米级成像距离下通常仅有2 cm左右的成像视场,难以满足使用要求。为了提高宏观傅里叶叠层技术的成像距离和视场,文章开展了远距离宏观反射式傅里叶叠层成像模型的理论研究,提出了一种新的宏观傅里叶叠层成像模型,该模型使用发散光束照明,通过球面波移位对目标傅里叶谱进行扫描重建高分辨率目标图像;此外,还分析了宏观相干成像机理和傅里叶成像模型近似条件,由此推导出模型的近似范围,为模型推广提供了理论基础;最后,利用搭建的实验系统对10m外目标成像,使目标分辨率从1.4 mm提升到0.35 mm,分辨率提升4倍以上,验证了模型具有通过合成孔径技术提升目标成像分辨率的能力。

关键词：宏观成像傅里叶叠层成像模型远距离成像超分辨技术傅里叶叠层实验

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连续太赫兹波远距离成像

连续太赫兹波远距离成像

作者：邓朝首都师范大学

学位级别：硕士

太赫兹(THz)波通常是指频率处在0.1THz-10THz之间的电磁波,介于红外和毫米波之间的电磁辐射。由于THz波对大多数非极性材料(塑料、陶瓷、纸张等)具有良好的穿透性,并且炸药、毒品、病毒等危险品在THz波段存在特征吸收峰,使THz技术具有... 详细信息

太赫兹(THz)波通常是指频率处在0.1THz-10THz之间的电磁波,介于红外和毫米波之间的电磁辐射。由于THz波对大多数非极性材料(塑料、陶瓷、纸张等)具有良好的穿透性,并且炸药、毒品、病毒等危险品在THz波段存在特征吸收峰,使THz技术具有探测并识别隐蔽物体的能力。因此,THz成像技术在很多基础研究、工业应用、医学、军事及生物领域中有重要的应用前景。随着半导体技术的发展,研制出了小型、相对快速,且易操作的连续THz波成像系统,这种成像系统在许多领域日益显示出其应用潜力。本论文主要是围绕连续THz波远距离成像技术展开,从理论和实验的角度分析此技术的一些关键问题,论证了连续THz波远距离成像技术的可应用性,对今后深入的研究和探索有一定的借鉴意义。本论文的主要工作有: 一、利用连续THz波成像系统对航天泡沫板以及隐蔽的水果刀等物体进行检测,并结合被测物在THz波段的特性,对实验结果进行了分析;针对连续THz波图像中出现条纹现象,进行了分析讨论。从实验上证明连续THz波成像技术在无损检测以及安全检测方面的应用价值。二、在现有连续THz波成像系统的基础上做出改进,通过加大系统的数值孔径,使系统的成像分辨率得到明显的提高,对分辨率提高的原因进行了阐述,并且从实验中进行了验证。三、搭建了连续THz波远距离成像系统,通过对波束的准直、反射来增加THz波的传播距离,实现了对被测物的远距离成像。通过对8米,20米,30米外的多孔铝板、玩具手枪、飞机模型等物体进行成像,验证了连续THz波远距离成像系统的成像能力。总之,本文对连续THz波远距离成像技术做出了较为全面、系统、详细的分析和探索。内容覆盖了理论分析、实验系统、成像本领等等,研究结果对连续THz波成像有着重要的意义。

关键词：连续THz波耿氏振荡器肖特基二极管安全检测远距离成像

基于CCD（CMOS）激光远距离主动成像超分辨重建研究

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基于CCD（CMOS）激光远距离主动成像超分辨重建研究

作者：曹东杰西安电子科技大学

学位级别：硕士

远距离激光探测在军事国防、社会经济等领域有着广泛的应用,但是由于传统光电探测器的探测极限和远距离回波信号极度衰减等技术禁锢,使得难以继续从硬件方面提高探测空间分辨率,这给远距离主动成像带来了巨大挑战。在光学成像系统和光... 详细信息

远距离激光探测在军事国防、社会经济等领域有着广泛的应用,但是由于传统光电探测器的探测极限和远距离回波信号极度衰减等技术禁锢,使得难以继续从硬件方面提高探测空间分辨率,这给远距离主动成像带来了巨大挑战。在光学成像系统和光电探测器性能基本保持不变的情况下,超分辨重建技术无需优化硬件系统,就能有效改善分辨率实现高分辨率图像重建,具有显著优势。因此,基于低分辨率图像信息来进行超分辨重建从而提高成像质量的研究,受到学者们的广泛关注。本文旨在基于遗传算法的最优化估计模型进行超分辨率图像重建,其计算模型相对简单,易引入先验信息,具有更好的鲁棒性,可以取得较好的重建效果。基于遗传算法的超分辨率重建技术研究,目前主要是对已知高分辨率图像降质退化后进行重建仿真,验证遗传算法在超分辨技术上应用的有效性。但针对不同图像特性的超分辨技术分类研究还不是很多,尤其是针对激光远距离目标探测的超分辨应用研究更是鲜有问津。本文基于激光远距离目标探测应用实际,通过时域采样率来提高空域采样率,利用远距离探测成像过程中带来的亚像素图像扫描信息,将遗传算法应用到激光远距离探测图像的分辨率改善中。本文以激光远距离探测的CCD(CMOS)图像为主要研究目标,通过遗传算法解空间最优估计搜索模型,进行图像超分辨技术研究。首先研究了图像超分辨技术的理论基础,包括图像超分辨重建的概念框架、常用方法及评价标准等。进一步探讨了自由空间大气传输的特性,分析大气散射、大气吸收、大气辐射、大气湍流等效应对远距离主动成像探测带来的影响。利用激光远距离探测过程中,因自身扫描和大气扰动带来的亚像素图像扫描信息,采用块匹配方法进行图像亚像素运动估计和配准,并基于模仿生物群体自然适应演化进化模型的遗传算法,依概率引导解空间向最优解渐近收敛,从而实现激光远距离探测图像的超分辨重建。同时,针对激光远距离探测图像重建过程中出现的“早熟”“振铃”等问题,本文提出了评估图像边缘特征相似程度和图像自相似区域灰度方差作为约束项的遗传算法改进策略。通过像素值的连续性和变化性等先验信息对适应度评价函数进行改进,进一步挖掘图像本身的梯度信息。此外,通过引入自适应的线性搜索过程,提高了遗传算法的局部搜索能力,加快遗传算法网络全局最优估计的收敛速度。探测距离为5km范围内的超分辨成像实验结果表明,基于遗传算法改进后的激光远距离探测超分辨重建图像具有更为清晰的边缘细节表现,标准峰值信噪比和结构相似性等评价指标均有较大提高,对激光远距离探测产生的散斑噪声具有一定的抑制作用,在图像重建速度和质量方面具有更加明显的优势。

关键词：远距离成像超分辨率重建遗传算法

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太赫兹远距离快速扫描成像系统的设计

应用光学 2016年第2期37卷 183-186页

作者：闫海涛邓朝郭澜涛张存林首都师范大学物理系北京100048 北京理工大学光电学院北京100081

在太赫兹成像技术研究中,分辨率、成像时间和距离是非常关键的参数指标,为了推动太赫兹成像技术的实用化,特别是提高对隐藏危险物品的远距离快速预警检测能力,提出被动式远距离太赫兹快速扫描成像系统。该系统采用单个太赫兹探测器和光... 详细信息

在太赫兹成像技术研究中,分辨率、成像时间和距离是非常关键的参数指标,为了推动太赫兹成像技术的实用化,特别是提高对隐藏危险物品的远距离快速预警检测能力,提出被动式远距离太赫兹快速扫描成像系统。该系统采用单个太赫兹探测器和光机扫描相结合的方式。扫描子系统中,将六面体转镜置于离轴三反镜系统的平行光路中,使扫描范围从广泛研究中采用的物空间转换到像空间有效缩小了扫描区域,缩短了成像时间。本套被动式扫描成像系统主要参数:探测器频率0.34THz,成像距离10m,视场±1.5°×±1.5°,成像分辨率3cm,成像时间1s。

关键词：太赫兹被动式成像光机扫描远距离成像

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基于全相位谱分析的傅里叶望远术目标重构

光学学报 2010年第12期30卷 3441-3446页

作者：陈卫黎全王雁桂国防科学技术大学理学院湖南长沙410073

傅里叶望远术(FT)是一种用多束间距不同、频率受调制的激光干涉照明远距离目标,通过解调反射的强度时序信号来重构图像的主动成像技术。提出了一种基于全相位快速傅里叶变换(apFFT)谱分析的傅里叶望远术图像重构是一种全新的回波信号处... 详细信息

傅里叶望远术(FT)是一种用多束间距不同、频率受调制的激光干涉照明远距离目标,通过解调反射的强度时序信号来重构图像的主动成像技术。提出了一种基于全相位快速傅里叶变换(apFFT)谱分析的傅里叶望远术图像重构是一种全新的回波信号处理方法,通过对回波信号做全相位傅里叶变换,能准确地直接提取信号的相位和振幅信息,再结合相位闭合算法消除畸变相位,重构目标图像。与传统的傅里叶望远术数据处理方法相比,不需要对信号频率做精确估计,从而避免了频率误差带来的影响。这对于实现低轨道快速运动目标成像,以及在一定程度上消除移频器的移频误差和大气湍流的活塞抖动效应是非常有利的。数值仿真验证了该方法的可行性,并且通过信号存在白噪声和频率误差两种情况下与传统方法的对比,显示了其具有良好的消除频率误差能力,同时抑噪性能并不会下降。

关键词：图像重构傅里叶光学傅里叶望远术全相位快速傅里叶变换相位闭合远距离成像

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高分辨率贝塞尔光束激光成像

光电工程 2024年第3期51卷 86-93页

作者：祁慧宇张伟华翟迪迪朱欣怡李召辉华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室上海200241

本文研究了一种基于贝塞尔光束的远距离激光三维成像系统,工作波长为532 nm,在激光出射端使用贝塞尔光束代替高斯光束,利用贝塞尔光束的中心光斑能量集中且束宽不随传输距离而变化的无衍射特性,降低激光光束的发散角,提高激光三维成像... 详细信息

本文研究了一种基于贝塞尔光束的远距离激光三维成像系统,工作波长为532 nm,在激光出射端使用贝塞尔光束代替高斯光束,利用贝塞尔光束的中心光斑能量集中且束宽不随传输距离而变化的无衍射特性,降低激光光束的发散角,提高激光三维成像的角分辨率。结合Si-APD单光子探测器,搭建了远距离激光三维成像系统,并完成了远距离验证实验。在远距离目标成像中,实现了角分辨率为18.1μrad的激光三维成像,为远距离高分辨率激光三维成像提供了一种有效的解决方案。

关键词：激光雷达远距离成像角分辨率贝塞尔光束

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傅里叶望远术成像系统的实验研究

光学学报 2011年第3期31卷 68-73页

作者：陈卫黎全王雁桂国防科学技术大学物理系湖南长沙410073

傅里叶望远术(FT)是一种主要针对远距离暗弱目标的高分辨率光学干涉成像技术。它利用多束空间距离不同、时间频率受调制的激光干涉照明目标,通过解调光强探测器接受反射的回波时序信号来提取目标的傅里叶频谱,并利用相位闭合技术消除光... 详细信息

傅里叶望远术(FT)是一种主要针对远距离暗弱目标的高分辨率光学干涉成像技术。它利用多束空间距离不同、时间频率受调制的激光干涉照明目标,通过解调光强探测器接受反射的回波时序信号来提取目标的傅里叶频谱,并利用相位闭合技术消除光程差和大气湍流等造成的相位畸变。采用发散光干涉在实验室内实现了傅里叶望远术对一维和二维目标的重构。实验方案较好地模拟了外场"T"型阵列发射结构,同时还保证了光斑的有效重合,最大程度地利用了光斑能量,有利于提高信号的信噪比,有利于光束对目标的瞄准,对进一步避免大气湍流的影响具有一定指导意义。

关键词：傅里叶光学傅里叶望远术非常规成像远距离成像发射阵列

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孔径扫描傅里叶叠层成像预处理技术研究

孔径扫描傅里叶叠层成像预处理技术研究

作者：王静中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

实现超分辨成像,获取图像更多的细节信息,是光学成像领域不断追求的目标。傅里叶叠层成像作为一种超分辨成像方法,最早应用于显微成像中,成功解决了显微成像中高分辨率与大视场不能兼得的问题。而对于诸如天基遥感、航空航天等远距离成... 详细信息

实现超分辨成像,获取图像更多的细节信息,是光学成像领域不断追求的目标。傅里叶叠层成像作为一种超分辨成像方法,最早应用于显微成像中,成功解决了显微成像中高分辨率与大视场不能兼得的问题。而对于诸如天基遥感、航空航天等远距离成像来说,必须采用大孔径的成像镜头来减小衍射模糊的影响以获取高分辨率的图像,但这必然会增加成像系统的重量、复杂度以及造价,所以考虑用计算成像的方法解决衍射受限的问题,因此傅里叶叠层成像技术作为一种包含合成孔径和相位恢复技术的新型图像重构技术被运用到了远距离成像中。对于远距离傅里叶叠层成像来说,其成像距离拓展了几百上千倍,其中的一些不确定的因素大大增加,这些系统及环境带来的影响因素都可能影响最终的重建结果,所以本文主要研究远距离孔径扫描傅里叶叠层成像的预处理技术,以空间目标成像为背景,分析成像过程中的图像降质因素,并对这些影响因素加以抑制以提高最终图像重建的质量。论文主要成果如下:1.以傅里叶叠层显微成像为引,分析傅里叶叠层显微成像的成像机理、数理模型以及光路设计;然后将其引申到远距离孔径扫描傅里叶叠层成像中去,详细介绍远场傅里叶叠层成像系统的模型、光路传输以及重建算法,实现对远距离孔径扫描傅里叶叠层成像的整体把握;2.详细分析了远距离孔径扫描傅里叶叠层成像中可能存在的图像降质因素,并针对具体的影响因素提出了相应的解决方法。对由于光源亮度不均造成的图像亮度不一致的现象,经过对比两种亮度均匀算法:伽马变换以及同态滤波,最终选定更为简单、校准效果更好的伽马变换作为亮度均匀性校准算法;对于由实验器件及实验环境带来的暗电流噪声、泊松噪声、高斯噪声等噪声影响,本文先使用一种暗场标定的方法对暗电流噪声做基本的去除,然后运用一种泊松-高斯混合噪声模型来估计噪声参数并精准去噪,很大程度上防止了有用的高频信息被噪声湮没的问题;对于由相机抖动引起的图像空间位置偏差问题,通过对比两种配准算法:基于灰度信息的图像配准方法、基于相位相关的亚像素配准方法,最终选用配准精度更高的相位相关亚像素配准方法,有效的解决了由于位置误差导致的重建图像中的伪影现象;对于由于相机或者物体位移产生的运动模糊及离焦模糊现象,本文对比了两种去模糊算法:维纳滤波以及盲Richardson-Lucy算法,最终选用去模糊效果更好的盲Richardson-Lucy算法作为本文的去模糊算法。并通过仿真验证了这些预处理算法对重建图像分辨率的有效提升,相比于加入泊松参数为0.005,高斯参数为0.0015的混合噪声,水平以及垂直方向分别为0.52465和0.8372(像素个数)的位移偏差以及高斯模糊的图像重构结果,经过预处理后的重构图像分辨率提升了4倍,信噪比提升了10.56d B。3.在上述预处理的基础上,再在图像重建过程中施加一定的约束并做一些校准处理进一步提升最终重建图像的分辨率。其中主要包括代价函数的选取、正则化约束以及像差的校准;通过对比三种不同类型的代价函数,最终选择重建效果更为理想的振幅型代价函数并为施加了全变分正则约束,使得重建算法对噪声更为鲁棒;然后还对成像系统中可能存在的像差做了仿真,并通过更新光瞳函数对像差做了校准。4.完成了实验器件的选型以及实验系统的搭建,并利用搭建的实验系统进行数据采集,最后运用本文所提出的预处理算法以及改进的重建算法进行实验数据的重构,最终实现了1.6m成像距离下3.8倍的图像分辨率提升。

关键词：孔径扫描远距离成像傅里叶叠层成像降质因素预处理

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基于DOE的标识光场整形系统设计

长春理工大学学报（自然科学版） 2017年第2期40卷 27-32页

作者：包海廷欧阳名钊王志勇张丽娜长春理工大学光电工程学院长春130022 空军95926部队长春130022 长春理工大学图书馆长春130022

使用二元光学元件进行远距离、大光场的整形,成像均匀度低、成像光场的尺寸也不易控制。依照衍射光学元件整形原理,提出了一种将双镜组预整形系统和衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)整形器相结合的DOE标识光场整形系统方... 详细信息

使用二元光学元件进行远距离、大光场的整形,成像均匀度低、成像光场的尺寸也不易控制。依照衍射光学元件整形原理,提出了一种将双镜组预整形系统和衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)整形器相结合的DOE标识光场整形系统方案,并提出了一种优化的二次平滑修正算法以适用于远距离大光场的DOE设计。可用于远距离大光场的激光主动照明或者信号标识。实际工程指标设定为在1m距离上,对波长为532nm,直径2mm的激光进行整形,得到360mm×288mm的矩形光场,保证其均匀度大于97%,能量转换率大于90%。Virtual Lab仿真结果表明,理论上系统的均匀度可达98.91%,能量转换率可达91.69%,成品测试结果表明,该系统实测整形光场均匀度为97.33%,能量转换率为90.92%。仿真和测试结果表明,设计符合预期的工程要求,证实了设计选型和算法优化的正确性。

关键词：远距离成像光束整形预整形系统衍射光学元件