基于最小互信息的自适应偏振差分成像方法

偏振信息解析是偏振成像探测涉及的一个重要课题。针对传统的偏振差分成像方法存在的不足,从信息论的角度出发,提出了一种基于最小互信息的自适应偏振差分成像方法。首先,利用偏振信息解析得到的斯托克斯参量图像,计算得到偏振片透光轴与所选参考坐标轴的成任意夹角的出射光强度图像;然后,以归一化互信息为评价指标,寻找具有最大不相关的两幅出射光强度图像;最后,根据找到的两幅图像的差分结果进行成像。实验结果表明,提出的方法不仅具有更好的抑制背景、突出目标细节特征的能力,而且得到的图像质量更高,从而验证了该方法的可行性和有效性。

浑浊介质中偏振差分成像技术发展及展望(特邀)

在浑浊介质中进行光学成像时,由于受介质吸收与散射影响,目标信号被淹没在背景噪声中,导致图像的清晰度严重下降。利用光的偏振信息可显著提升浑浊介质中目标的探测能力,其中偏振差分作为代表性偏振成像技术,充分挖掘介质光与场景光的偏振特性差异对背向散射噪声实现偏振共模抑制。由于其系统结构简单、可移植性好、适用领域广泛、凸显边缘等优势备受关注。该技术不仅可以作为物理光学成像方法对水下浑浊环境、生物组织、大气雾霾散射环境中目标进行高对比度成像,还可作为光学传感器件抑制杂散光的有效手段,从提出至今已积累了大量优秀的研究成果,从偏振差分成像技术的基本原理出发,根据成像应用场景的不同从两方面介绍了该技术一系列最新的研究进展,并对偏振差分成像未来可能的发展方向进行了展望,期望为该领域的后续研究提供指引。

冷中子差分成像模拟研究

冷中子照相利用穿透样品的中子和荧光屏6Li反应产生的α带电粒子与荧光材料发光,从而在探测器上记录光强度的分布。本文简单介绍了冷中子照相的特点,给出了铍与钛金属宏观总截面随能量的变化,设计特定的样品采用MCNP模拟不同能量下的中子图像,中子图像显现Bragg吸收限上下两幅图像的对比度差异,采用差分成像对两幅中子图像进行处理,凸现了冷中子照相的优点。

静态光谱偏振差分成像技术研究

提出了一种基于液晶可调谐滤光片(liquid crystal tunable filter,LCTF)和液晶可调谐相位延迟器(liquid crystal variable retardation,LCVR)的静态光谱偏振差分成像技术。采用液晶可调谐相位延迟器实现不同波长成像光束的偏振方向旋转,采用液晶可调谐滤光片实现波长选择和检偏,通过程序控制实现透过波长及其两个正交线偏振态的设定,面阵光电探测器完成两个正交线偏振态图像采集,再经过图像处理获取光谱偏振差分图像。完成了原理样机的研制,取得了初步试验结果。该技术没有任何机械运动部件,具有稳定性好、操作灵活、数据处理简单直观等优点。

机载光纤式成像差分吸收光谱仪测量区域大气污染应用研究

我国大气污染呈现出区域性和复杂性等特性,开展污染气体区域分布的立体监测,能够及时了解大气环境现状、研究分析影响大气质量的各种因素,指导大气污染控制措施。机载成像差分吸收光谱仪,是目前有效的污染气体区域分布遥感手段之一。该技术观测区域大,覆盖率高,最终可提供精细化的污染气体区域分布资料,实现污染分布及传输的可视化探测。以往机载成像差分吸收光谱仪采用整体式设计,需要占用飞机光学观察窗口,航空搭载需求苛刻、应用受限。为此提出了光纤式机载成像差分吸收光谱仪,采用光纤束传输方式,安装过程中对飞机改装需求小,极大的便利了机上安装和调试,适应了适航设备认证需求。该系统采用特制多芯光纤束结合Littow-offner结构光谱成像系统,具有光谱成像分辨率高、大视场、结构紧凑等优点。在此详细介绍了该设备性能参数,并利用该系统在芜湖市周边开展了区域污染遥感应用。应用过程中,针对光纤式成像差分吸收光谱仪,提出了数据处理算法。对采集到的太阳散射光谱进行反演得到污染气体的斜柱浓度,并利用大气传输模型计算大气质量因子,实现垂直柱浓度转化。最后结合飞机姿态位置信息,快速获取了芜湖市区及其周边上空的NO_(2)、SO_(2)的浓度分布,并进行了区域内污染源快速定位和传输过程分析。从反演结果来看,本次实验NO_(2)垂直柱浓度在实验区域存在4个高值点,SO_(2)垂直柱浓度在实验区域存在2个高值点,高值点附近均存在重工企业,结果与实际情况相符。并结合卫星数据评估二者交叉校验精度,二者呈现正相关,相关性系数为0.77。应用效果验证了光纤式成像差分吸收光谱仪的方案可行性,可为大气污染气体航空遥感技术推广提供参考,同时弥补了地面站点监测在空间尺度上以及卫星遥感在时间尺度上的不足。

基于差分成像的激光光束指向性控制

激光光源的方向抖动是激光三角位移传感器测量误差的重要来源。为了抑制光源光束抖动,设计了一种基于差分成像的激光光束指向控制装置。该装置由一个准直激光器和两个接收透镜组组成,其中两个接收透镜组关于发射激光光束的光轴对称,每个接收透镜组由一个聚焦透镜和一个光电电荷耦合器件组成。激光光源光束抖动角度控制在0.4°以内时,成像在两个光电探测器上的激光光束的质心的均值可控制在误差许可的范围内。实验结果表明,采用该装置,拟合误差的估计标准差由28.53μm减小至0.2532μm,重复性精度由原来的±0.7 mm降低至±5μm,非线性误差由全量程的±0.8%减小至全量程的±0.04%。

一种联合Khatri-Rao子空间与块稀疏压缩感知的差分SAR层析成像方法

虽然采用压缩感知技术(Compressive Sensing,CS)的差分SAR层析成像方法实现了4维空间信息的重构,但是此方法仅利用了目标的稀疏特性并没有考虑目标的结构特性,因此对同时具有稀疏特性和结构特性的目标进行重构时其性能较差。针对这一问题,该文采用联合Khatri-Rao子空间和块压缩感知(Khatri-Rao Subspace and Block Compressive Sensing,KRS-BCS),提出一种差分SAR层析成像方法。该方法依据目标的结构特性和重构观测矩阵具有的Khatri-Rao积性质,将稀疏结构目标的差分SAR层析成像问题转化为Khatri-Rao子空间下的BCS问题,最后对目标进行块稀疏的l_1/l_2范数最优化求解。相比CS差分SAR层析成像方法,该方法不仅保持了CS差分SAR层析成像方法的高分辨率特点,而且其重构精度更高性能更优。仿真数据和ENVISAT星载ASAR数据以及地面GPS实测数据的试验结果验证了该方法的有效性。

基于成像差分吸收光谱技术和压缩感知理论的烟囱烟羽断层重建研究

烟羽断层重建质量受两方面条件限制:其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)进行CT重建,受采集数据速度的限制,重建图像的时间分辨率较低。另一个限制条件是,采集到的数据量有限,是典型的不完全角度重建。过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法,重建图像受测量误差的影响比较大,分辨率较低且伪影较多。构造了基于成像差分吸收光谱技术(IDOAS)的光谱数据采集系统,与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比,数据采集的时间分辨率提高了160多倍,基本解决了时间分辨率的问题。提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法——投影凸函数集低三阶导数法,简称为POCS-LTD。在投影的过程中,使用代数重建算法使重建图像符合投影方程;在全变分迭代的过程中使用了优化算法,将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向,前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。对重建算法进行了数值模拟,并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标,对重建结果进行了分析。数值模拟表明,算法具有良好的抗误差能力,与传统的低三阶导数法相比,本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。使用烟羽数据采集系统进行了外场实验,用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建,重建图像显示烟羽图像清晰,伪影得到了较好的抑制。介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法,提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率,减少了重建图像的伪影,扩大了光谱测量技术的应用范围。

一种基于逆问题的差分干涉SAR层析成像方法

高度-速率维成像时,差分干涉层析成像合成孔径雷达获取的观测数据在基线-时间平面非均匀分布。若直接对观测数据进行两维傅里叶变换来恢复散射体高度-速率维像,则因强副瓣存在,成像效果不理想。该文将差分干涉层析成像合成孔径雷达高度-速率维成像问题归结为2维积分方程的逆问题,提出了一种采用Backus-Gilbert算法实现差分干涉SAR层析成像的新方法,并使用Tikhonov正则化获得逆问题的正则解。仿真结果表明该文提出的方法能够克服基线时间不均匀造成的影响,获得较好的成像结果。

基于CycleGAN的虚拟定量差分相衬成像用于红细胞分类

目的通过深度学习技术实现虚拟定量差分相衬(Virtual Quantitative Differential Phase Contrast,V-qDPC)重建,提高定量相位成像衬度和鲁棒性,为无标记红细胞的全自动分类提供新思路。方法通过对LED照明进行编码获得明场图像和差分相衬图像,通过相位重建可获得定量差分相衬(Quantitative Differential Phase Contrast,qDPC)图像;采用循环一致生成对抗网络(Cycle-consistent Generative Adversarial Network,CycleGAN)完成明场图像到qDPC图像的端到端映射。结果基于CycleGAN生成的V-qDPC图像,实验参数当λ=7和β=0.5时,V-qDPC图像质量最优;相比光学重建的qDPC图像有更好的鲁棒性和抗噪声能力;使用AlexNet、ResNet50和VggNet三种网络模型比较无标记红细胞形态的自动分类,结果表明V-qDPC图像比qDPC图像具有更好分类性能。结论与传统的基于多幅倾斜照明图像的qDPC重建相比,V-qDPC算法具有更好的相位图像质量和鲁棒性,适合以高精度和高效率实现全自动细胞分类,同时省去了成像光路和硬件支持,有望应用于生物医学研究。

成像差分吸收光谱系统设计及应用

被动差分吸收光谱技术(DOAS)是一种以太阳散射光为光源,利用不同气体分子的特征吸收来实现气体定性定量测量的方法。成像光谱技术作为一种新型光电探测技术,能同时获取观测区域的空间信息和光谱信息,该技术与DOAS结合构成了成像差分吸收光谱系统(IDOAS),可实现对气体的二维成像测量。设计了基于凸面光栅Offner成像光谱仪、面阵CCD、紫外镜头和扫描旋转台的成像差分吸收光谱系统,描述了系统的组成并着重介绍了Offner成像光谱仪的光学设计。针对该系统开发了基于MFC框架的软件系统,实现了探测器参数设置、数据采集与显示、数据存储、电机扫描控制、多波段成像、图谱合一等功能。利用该系统对发电厂烟羽排放进行外场测量,采用被动差分吸收光谱方法对采集的太阳散射光谱进行处理获得SO_2柱浓度,实验证明系统运行稳定可靠,可用于污染气体的二维成像解析。

基于四象限液晶器件的差分相衬成像系统

在显微成像领域中,高成像质量图像的获取与良好的照明方式息息相关。传统显微镜使用聚光透镜来提供均匀强度的照明,调节聚光透镜的光阑匹配不同放大倍率的物镜。然而无色生物细胞的光学吸收系数低,在传统显微镜下难以观测到其细节信息。为了突破传统显微镜的成像功能,本文设计了一种可调控的显微镜聚光镜模块,通过将小型扭曲液晶器件嵌入聚光透镜的后焦面处,调控液晶器件的对光的透过效果可以实现明场成像以及差分相衬成像。系统由一款商用显微镜改装而成,液晶器件尺寸为22 mm×18 mm,实现了系统的高度集成化。通过实验验证了系统的成像性能,实现了对微凸透镜样品的定量相位重建,实验与理论曲线的互相关系数达到0.9949,并且通过胚胎干细胞的重建展示了系统在实际应用中的效果。

基于随机调制超表面的差分关联成像方法研究

基于超表面的关联成像系统解决了关联成像系统探测效率低的问题,但其探测模式数量不足导致了其有效成像点数受限。针对这个问题,该文以参考辐射场空间分布1阶统计特征为基础,建立了基于随机调制超表面的关联成像信号模型,分析了成像误差,并与差分关联成像(DCI)方法相结合,给出了具有鲁棒性的基于超表面的关联成像方法,该方法利用不同模式的差分形成了新的探测模式,降低了相关函数的副瓣干扰,从而提升了成像质量。同时,对一种特殊的差分关联成像方法—梯度关联成像(GCI)方法的成像分辨率进行了分析,该方法通过对超表面单元的特殊设计,可以在不获取图像的情况下,直接在成像过程中提取出目标方位向的边缘信息,可以有效提升关联成像系统对目标边缘的提取能力。最后,通过仿真实验验证了该文理论分析的正确性。

基于差分迭代的电阻抗成像算法研究

大多数电阻抗断层成像算法需要选择较优正则化参数来克服方程病态性,以获得较好的图像质量。该文提出一种基于差分迭代的电阻抗断层成像算法,利用动态线性逼近在不调整正则化参数的情况下提高成像质量。在近似线性变化区域内建立扰动模型,利用梯度法推导出电导率差值迭代关系进行快速重构成像,并将重构图像与基于几种客观正则化参数选取方法的重构图像在位置误差、分辨率、形状误差、环状伪影等性能指标方面进行比较。仿真结果证明,该文提出的差分迭代算法能与常用重构算法保持相似或更优的效果,该方法具有较好的实际应用前景。

光纤集成化高分辨率无标记差分显微成像系统

得益于荧光标记技术,远场超分辨显微成像技术的不断发展为人们打开了一道微观世界的大门。远场超分辨光学显微镜也成为现代医学、生命科学等领域研究发展的重要工具和设备。但是相比之下,远场无标记显微成像技术发展却相对缓慢。为此,本文提出了一种采用光纤器件的集成化差分显微成像方法。该方法通过特制的光纤模式选择耦合器(MSC)实现了差分成像系统中空心光斑的生成,并解决了空心光斑和实心光斑严格对准困难的问题。搭建了一套结构简单紧凑,高度集成化的无标记显微成像系统。实验中,采用直径为150 nm的金颗粒和最小间距约50 nm的无标记聚合物线对结构对系统进行成像测试,分辨率相较传统扫描共聚焦显微镜大幅提升。

超声差分衰减截距成像监测高强度聚焦超声致热损伤

目的 观察以超声差分衰减截距成像监测高强度聚焦超声(HIFU)所致热损伤的可行性。方法 基于原始超声成像数据和声衰减截距数学模型开发超声差分衰减截距算法;分别以80、131、165和205 W声功率对离体猪里脊组织进行HIFU辐照,观察B型超声声像图、超声差分衰减截距图所见及猪里脊组织损伤,计算不同声功率HIFU辐照前、后热损伤区域即焦域的平均超声差分衰减截距(Δα_(0))、B型超声声像图和超声差分衰减截距图的对比度噪声比(CNR),绘制CNR动态变化曲线。结果 以80 W声功率辐照后,B型超声声像图中未见区别于背景的亮区,超声差分衰减截距图中焦域出现微弱亮区,猪里脊组织未见损伤区域;以131 W声功率辐照后,B型超声声像图中未见区别于背景的亮区,超声差分衰减截距图中见较小亮黄色区域,猪里脊组织见白色热损伤区;以165 W声功率辐照后,B型超声声像图中未见区别于背景的亮区,超声差分衰减截距图中出现亮点并于治疗结束时形成区别于背景的高亮区,猪里脊组织可见白色热损伤区;以205 W声功率辐照过程中,B型超声声像图中似见模糊微弱亮区但肉眼较难辨别,超声差分衰减截距图中可见明显高亮区且随消融时间延长而逐渐增大,猪里脊组织见白色热损伤区。至辐照结束时,131、165、205 W声功率超声差分衰减截距图的Δα_(0)平均值分别由0.04、0.07、0.10 dB/cm增至0.31、0.42、0.75 dB/cm。CNR动态变化曲线显示,131、165、205 W声功率超声差分衰减截距图的CNR曲线始终处于B型超声声像图的CNR曲线之上。结论 以超声差分衰减截距成像监测HIFU所致离体猪里脊组织热损伤可行,且监测效果优于B型超声。

基于组稀疏的极化差分SAR层析成像方法

差分合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)层析成像通过多航过数据重建观测目标的后向散射系数和视线方向形变速率。将全极化与差分SAR层析相结合,针对城市建筑成像高程向稀疏的特点以及全极化数据反演中,信号稀疏支撑集相同的特点,提出将稀疏约束与组稀疏约束相结合的求解模型,用基于层次稀疏的阈值迭代方法进行求解。通过仿真实验和基于BioSAR 2007实测数据的半仿真实验验证,实验表明全极化差分SAR层析成像方法,重构结果相较于单极化,提高了高程向和形变速率精度,且有更好的鲁棒性,在信噪比为10dB时,相较于单极化差分SAR层析成像方法,能更好恢复高程向信息和形变速率。

生物组织的磁感应断层成像研究

目的研究磁感应断层成像技术对生物组织的检测能力。方法利用16通道磁感应断层成像数据采集系统对空气背景中的鸡蛋、油桃,以及3层含颅骨脑部物理模型中的离体脂肪、离体血液分别进行检测,并应用时间差分牛顿莱夫逊成像算法获得电导率分布变化量的重建图像。结果对于分布在不同位置的单个或两个电导率扰动目标,差分成像结果都可以正确反映扰动目标的位置、相对大小和电导率差异情况。结论磁感应断层成像技术可以用于生物组织的电导率分布变化成像。

基于双重差分和边界抑制的对称EIT检测脑卒中算法研究

目的探索一种基于双重差分和边界伪影抑制的新型双频对称电阻抗断层成像(EIT)算法,用于消除人头阻抗分布不完全对称的影响,显著提升对称差分EIT(SDEIT)算法的实际成像效果。方法在SDEIT算法的基础上,提出双频再差分的方式消除正常人头组织不对称引起的成像伪影,并进一步提出边界区域抑制成像方法,实现边界区域伪影抑制,从而全面提高SDEIT的成像准确性。结果仿真实验结果表明,在真实颅脑组织阻抗分布下,新算法对于不同位置、不同体积和不同类型的脑卒中病灶均能有效检出,且成像效果明显优于传统的SDEIT算法。结论本文提出的新型SDEIT算法有效解决了真实颅脑阻抗不完全对称分布导致的传统SDEIT算法成像不准确的问题,为EIT应用于实际脑卒中快速检测奠定了良好的算法基础。

基于散斑光场偏振共模抑制性的宽谱散射成像技术

针对透过随机散射介质成像中由于光源谱宽导致目标信息被淹没于背景噪声中,无法清晰复原隐藏目标信息的问题,提出基于散斑光场偏振共模抑制特性的宽谱散射成像方法.该方法深入分析散斑光场的偏振特性,利用散斑光场中目标与背景的偏振信息差异性与独立性,结合光场的偏振共模抑制特性,有效去除光源谱宽所带来的背景噪声影响,重建高对比度、高信噪比的隐藏目标图像,实现透过随机散射介质的宽谱成像.实验结果表明,该成像方法不仅能够在宽谱光源照明下实现目标与背景信息的分离,而且能够大幅提高重建图像的信噪比、对比度和结构相似度,在散射成像领域具有普适性及良好应用前景.