“计算成像”专栏序言

2023年1月11日,阿里巴巴达摩院发布了2023年十大科技趋势,其中第八项为计算光学成像。计算光学成像突破传统光学成像极限,将带来更具创造力和想象力的应用。同年,中国航天大会所发布的2023年宇航领域科学问题和技术难题也将计算成像技术列为重点:计算光学高维遥感突破航天光学遥感探测极限。计算光学高维遥感将计算光学引入遥感技术,构建光波与客观世界的高维映射关系,打破以几何光学为基础的低维线性关系,建立高维物理量与遥感量的非线性映射模型,从高维物理量中解译遥感信息,将传统遥感精度提升一个量级以上。

计算成像技术中的点扩散函数工程

围绕光学成像中点扩散函数(Point spread function,PSF)在计算成像中的新内涵与应用,介绍了传统光学成像中PSF的概念以及PSF在光学系统设计中关键作用,并简要说明了几种利用PSF恢复图像算法以及图像评价指标。在此基础上以计算成像框架下信息传递的视角重新审视了PSF的内涵,从狭义、广义光学系统两个方面对计算成像领域中的相关研究进行了归纳总结,最后展望了PSF工程技术的应用前景及发展趋势。

计算偏振彩色傅里叶叠层成像:散射光场偏振特性的复用技术

针对目前透过散射介质成像技术中宽谱导致目标信息被淹没于背景干扰中,且散射对波长的敏感性使得频谱信息混叠产生的色彩畸变严重,无法实现彩色超分辨率成像的问题,提出了基于散射光场偏振信息复用的计算偏振彩色傅里叶叠层成像技术.该技术深入地分析散射场的强度及偏振分布特性,综合利用散射场中目标与背景干扰的偏振信息差异性和唯一性表征,结合光场的偏振共模抑制特性和偏振的波长相关性,分通道实现宽谱散射场中的背景干扰信息和目标信息的有效分离.此外,深度挖掘散射光场中频谱信息的差异性,利用傅里叶叠层技术实现散射光场频谱信息拼接,进而获得透过散射介质的彩色高分辨率成像效果.实验结果表明,该方法不仅能够实现透过散射介质的超分辨率重建,而且偏振信息的复用对于谱宽造成的信号混叠有明显的抑制作用,大幅提升了重建图像的信噪比和对比度,抑制了色彩畸变,在未来的透过散射介质成像具有良好的应用前景.

基于天塞主镜的多尺度长焦成像系统设计

针对提升多尺度成像系统的分辨率以满足对远距离目标精确识别的需求,从提升主镜焦距的角度出发,本文提出一种基于天塞结构主镜的多尺度长焦成像系统设计,分析了为满足次级镜头的线性排布而需要对主镜添加的两个约束条件,针对次级镜头阵列中随离轴角增加使系统在对应视场成像质量下降的问题,对邻近区域次级镜头进行协同优化,同时在离轴位置次级镜头的优化中应用自由曲面面型完成像差校正。所设计系统不同视场区域成像的MTF曲线一致性较好,表明系统在全视场范围内成像质量理想。采用天塞结构主镜设计的多尺度成像系统,其空间分辨率达14μrad,相较于共心球透镜的多尺度系统有显著提高。

计算成像内涵与体系(特邀)

传统光电成像技术受工业化设计思想限制,性能已近极限,难以满足信息时代下越来越高的应用需求。计算成像技术是信息时代发展的必然,在信息获取、传递和解译等过程中与数学计算、信号处理深度耦合,可有效突破光学成像过程中物理信息获取难、建模难和解算难的瓶颈,同时在信息的维度、尺度和分辨率等方面皆可实现质的突破。尽管计算成像发展很快,但目前仍呈现出碎片化、分散化的态势,缺乏系统性的体系引领其技术发展。因此,凝练计算成像技术的概念和内涵,建立计算成像技术体系分类,分析待解决的共性基础问题和关键技术,尤其是非线性成像模型问题;从更远作用距离、更高成像分辨率、更广视场和更小光学系统四个典型需求进行剖析,对超大口径及超衍射极限、仿生光学、光场信息深度解译、计算光学系统设计以及计算探测器应解决的关键问题进行阐述。本文提供了一种全局视角,将更好地推动计算成像技术的发展和应用进程。

浅谈计算成像在光电探测中的应用(特邀)

为了解决以物像共轭为核心的传统成像技术信息获取方式受限、解译能力不足等造成的成像探测距离近、大视场与高分辨率实时成像难以及重建图像质量差等问题,以信息驱动为核心的计算成像技术应运而生,且在光电探测中表现出巨大潜力。本文从传统成像的瓶颈难点出发,阐述了计算成像的概念与内涵,着重分析了计算成像链路中计算介质、计算光学系统及计算处理在成像、探测中的作用与优缺点,并对计算成像在光电探测中的未来发展做了展望。

基于Mueller矩阵的水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用目标信息光与背景散射光的偏振特性差异实现清晰成像,在水下目标探测和识别等领域有重要价值。但多材质目标表面反射情况和退偏效应存在差异,无法有效提取上述偏振特性差异。针对这一问题,文中提出一种基于Mueller矩阵的水下偏振成像方法。利用Mueller矩阵探测水下场景中的光强信息以及目标物与水体的偏振信息,精确求解浑浊场景中目标物与背景散射光的偏振度信息,结合传统水下成像技术构建基于Mueller矩阵的水下偏振成像方法,有效分离目标信息光与背景散射光,提升成像质量,实现水下多材质目标物的清晰重建。

基于自适应背景光提取的水下偏振去散射成像方法(特邀)

水下成像技术在水下目标探测和识别领域具有重大研究价值,而传统水下偏振成像技术往往无法同时满足成像质量与成像实时性。针对传统水下偏振去散射成像带来的数据量大、处理时间长等问题,提出了一种水下目标的快速、实时去散射清晰化偏振成像方法。该方法利用了背景光偏振度与目标光偏振度的差异性,用于自适应的快速获取背景散射光区域,同时延续了目标整体偏振度一致这一假设,利用加权直方图均匀化方法通过调整图像灰度级的动态范围,对不同频次的灰度级进行加权处理,得到更符合人眼视觉效果的图像。实验结果表明,快速水下偏振去散射技术在提升成像质量的同时有效的增快了处理时的运算速率,在水下工作中具有良好的应用前景。

基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统设计

针对凝视型红外成像告警设备中对场景目标进行大视场广域搜索与小视场精确识别一体化的应用需求,设计了一种基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统.该系统采用由多层共心球透镜和可连续变焦的独立次级小相机阵列级联而成的二次成像结构,能够有效实现大视场高分辨率无畸变成像.此外,采用全动变焦设计的独立次级小相机阵列在对搜索到的目标进行探测、识别和跟踪的一体化检测的同时保持像面稳定,实现对成像场景的分区域管理.设计结果表明,该红外成像系统在全变焦范围内的调制传递函数(MTF)曲线均接近衍射极限,且变焦曲线平滑,避免了变焦过程中卡滞、冲击等不利现象的产生,能有效实现大视场监测及小视场识别的功能.

偏振三维成像技术的原理和研究进展

近年来偏振三维成像技术因具有精度高、作用距离远和受杂散光影响小等特点得以蓬勃发展,但利用目标反射光偏振特性进行法向量精确求解的问题一直没有真正得到解决,成为制约该技术发展的瓶颈。此外,由于目标表面镜面反射光与漫反射光间的相互干扰,造成高精度偏振三维成像实现困难。该综述介绍了偏振三维成像物理机理、目标表面出射光偏振特性,以及偏振三维成像研究进展。最后总结了目前偏振三维成像面临的问题和未来的发展方向。

基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术研究

针对浑浊水体偏振成像时由于强散射作用导致的背景散射光分布不均匀且目标信息被淹没,无法有效解译,难以实现清晰化成像的问题,提出基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术.该技术利用散射光场中偏振信息的共模抑制特性消除非均匀性,结合水下散射光场中背景信息纹理单一、信息相关性高以及目标信息空间占比小的特点,建立偏振域的稀疏-低秩信息分析处理模型,有效分离目标和背景信息,重建高对比度清晰目标图像.实验结果表明,基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术不仅能够有效地提升浑浊水下图像的对比度,复原细节信息,而且能够有效地抑制非均匀强散射,在水下偏振成像领域具有良好的应用前景.

全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展(特邀)

散射是光学成像中普遍存在的现象,成像路径中存在的烟雾、水体、生物组织等散射介质导致光束发生随机散射效应,使得像面处目标信息以杂乱无章的散斑形式存在,如何应对散射介质对成像的限制是当前光学成像领域的研究热点。全息技术能够记录和重建物体全部信息,是获取和解译光场信息的有力工具之一。近年来,传统全息以及相关全息理论被推广应用至散射成像领域,取得了一系列突破性成果,文中主要介绍与归纳了散射成像领域中应用全息技术的理论原理、发展历史及最新进展,并展望其发展前景。

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.

基于散射光场偏振特性的透雾霾成像技术发展及展望(特邀)

偏振成像技术在散射介质去雾成像的应用中得到了充分发展,通过深度挖掘光波的光强、光谱和偏振信息,综合考虑雾霾图像的形成机理,结合大气散射成像模型,估计目标多维物理信息,有效还原真实场景图像。如今,偏振透雾霾成像技术已在智慧交通、安防监控等众多领域具有广泛应用和领先的研究成果。系统地介绍了偏振透雾霾成像技术的基本原理、物理模型、算法技术和成像效果,并依据现有技术的优缺点对偏振透雾霾成像技术进行分析与展望。

基于散斑相关的宽视场成像技术研究进展(特邀)

散射成像技术因具备透过生物组织等散射介质后清晰成像的能力而受到广泛关注。近年来,基于散斑自相关的成像方法以其非接触、无需先验信息且能够单帧成像的特点得到迅速发展。然而,散斑自相关成像受光学记忆效应的限制。当多个目标之间的距离在记忆效应范围之外时,基于散斑自相关的成像方法会导致目标自相关信息在相关域发生混叠,导致成像严重退化。文中在光学记忆效应及散斑自相关成像基本原理的基础上,首先介绍了基于散斑自相关和与散斑相关成像有关的其他散射成像技术。接着介绍了拓展光学记忆效应的主要技术及相关应用。最后总结了基于散斑相关的宽视场成像技术目前存在的问题,并对未来的发展应用进行了展望。

航天高分辨率对地光学遥感载荷研究进展

随着光学成像技术的不断发展和遥感应用需求的日益增长,跨尺度高分辨率光学技术在遥感领域得到广泛应用。为了获得更多的目标细节信息,国内外研究学者在不同技术方向开展了相关研究。本文对遥感成像技术进行了总结分类,介绍了具有代表性的航天高分辨率对地光学遥感载荷技术,重点关注单体结构主镜、可展开分块拼接主镜、光学干涉主镜、光栅衍射主镜、虚拟合成孔径、光子型综合孔径成像、计算超分辨成像、编队合成孔径等成像模式,为高分辨率对地光学遥感载荷发展提供新的发展思路。

激光与光电子学进展计算成像专题 前言

计算成像技术是一种多学科前沿交叉的新型成像技术:它集光学、数学和信息技术于一体,以信息传递为准则,注重全链路一体化全局优化设计,在成像链路中通过引入主动、被动信息编码,实现信道扩容,提高信息维度,提升成像信息获取及解译能力。

面向SF_(6)气体绝缘设备故障检测的光声CO气体传感器设计和优化

针对电力系统对六氟化硫电气绝缘设备中气体衍生物的在线高精度探测需要,提出了差分双通道结构的光声池作为光声探测模块,并使用中心波长为2.3μm的分布式反馈(distributed feedback laser,DFB)激光器作为激励光源,搭建了一款工作在高浓度六氟化硫背景气体中的一氧化碳气体传感器.通过光声共振理论模拟和设计,在纯六氟化硫气体中光声池的品质因子为84,相对于在氮气载气中的品质因子提高了约4倍.经实验验证,差分结构光声池的最大气体流速较单共振腔光声池提高了6倍,且具有较强的噪声免疫能力.在对传感器系统的共振频率、气流速度和工作压强等参数优化后,在1 s的积分时间下,获得一氧化碳气体的探测灵敏度为体积分数1.18×10^(-6),对应的归一化噪声等效浓度(1σ)为3.68×10^(-8) cm^(-1)·W·Hz^(-1/2).该传感器的灵敏度高,选择性好且噪声免疫能力强,可以为电力系统中潜在性绝缘故障诊断提供一种在线探测技术,具有重要的应用前景.

基于光声光谱技术的多组分气体探测研究进展

多组分痕量气体检测在工业、军事、农业和医疗等领域均有着重要的研究和应用价值。高性能光声光谱技术因其灵敏度高、响应快、选择性高及非接触式实时连续测量等优点受到人们的青睐。本文首先对多组分气体监测需求和光声光谱技术的主要优势和基本原理进行阐述;然后从光源分类的角度出发,介绍了现有多组分气体测量技术的最新研究进展,概括光声光谱中常用的探测方式,包括多路复用技术和干涉型傅里叶变换红外光谱等,并对其具体的适用范围和优缺点进行了对比分析。同时,针对实际应用环境中气体传感系统主要存在的光谱干扰和吸附效应的问题,介绍了相应的解决方法。最后,对光声光谱多组分探测方法的未来发展方向进行了总结和展望。

广域高分辨率计算光学成像系统研究进展

为了克服光电成像系统中广域和高分辨率相互制约的问题,想要在获得更大成像视场范围的同时获取更多的细节信息,广域高分辨率计算光学成像技术应运而生。截至目前,计算光学成像系统已有大量研究成果,且在多个领域中被广泛应用。对国内外相关的广域高分辨率计算光学成像系统中的单镜扫描系统、多探测器拼接系统、多尺度成像系统及多镜头拼接系统进行了系统阐述,分析总结了优缺点,并对广域高分辨率计算光学成像系统的未来发展做了展望。