“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。

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.

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.

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.

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。

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。

基于光场偏振特性的目标表面漫反射分量获取技术

针对三维成像、图像匹配及模式识别等领域中目标表面镜面反射光成分影响所导致成像效果受限、特征识别准确度低等问题,提出一种基于光场偏振特性的目标表面漫反射光分量获取技术.该技术通过对反射光场中镜面反射与漫反射分量的偏振特性进行深入挖掘,充分利用各分量之间的偏振差异性及彼此独立性的特点,建立线性约束模型;此外,通过确定线性约束模型的最佳混合系数矩阵,实现复杂反射光场中对漫反射分量的精确获取和解译.仿真与真实场景数据处理结果表明,该技术能够有效地分离复杂光场中的漫反射光分量,解决了目前三维成像及模式识别技术中对纯漫反射条件的依赖,为被动式远距离三维成像技术在复杂反射光场中的应用奠定基础.