透过动态散射介质的运动目标成像技术研究

论文摘要

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素,透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一。近年来,透过散射介质的散斑相关成像方法受到越来越多研究人员的重视,本文研究了散斑相关成像的理论基础,构建光学成像系统模型,并搭建实验光路,验证了透过散射介质的散斑相关成像的可行性。在此基础上,提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法。该方法采用赝热光照明,结合光学记忆效应理论,通过对运动目标采集的两帧散斑做差值,然后做自相关运算,计算目标移动的距离,实现对目标的实时追踪,并且利用相位恢复算法进行简单处理就可以重建隐藏目标。对该方法进行了实验验证,成功地对隐藏的运动目标实现了成像与追踪,这种透过散射介质对运动目标的全光成像及实时追踪技术,在生物医学等领域具有重要应用潜力。光学记忆效应的散斑相关成像方法易受动态散射介质的影响,而光学浴帘效应可克服散射介质的扰动问题。针对透过动态散射介质的目标成像技术,我们进一步提出采用光学浴帘效应理论的散斑照明成像方法。首先,研究了散斑照明的理论基础,得出:在目标后厘米量级处就可获得目标的傅里叶频谱,采用该照明方式可以减小“远场”距离,实现对近距离目标成像。由此,结合光学浴帘效应理论,将散射介质作为投影屏,目标的频谱投影在散射介质表面,相机直接拍摄介质表面的散斑图案。本文中基于散斑照明的特点构建成像系统,搭建实验光路,对相机拍摄的散斑做一系列预处理,得到目标的频谱幅值并将其代入到相位恢复算法,最终实现了透过动态散射介质对运动目标成像。基于光学记忆效应的散斑相关成像和基于光学浴帘效应的散斑照明成像系统结构简单易于实现,数据处理并不复杂,互为补充。前者只需采集一帧散斑即可成像,因此可以使用高像素的手机相机拍摄散斑图用于图像重建,在便携式设备上具有巨大的应用潜力。后者可以弥补散斑相关成像无法透过动态散射介质成像的不足,理论上可将成像距离推广到任意距离,不论是在生物医学对微小组织细胞的成像还是在天文学上透过大气湍流的观测都具有巨大的应用潜力。若将两者的成像方式相结合,其适应范围将会更广,将会进一步拓宽透过散射介质成像的应用领域。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 论文主要内容和章节安排
•   1.4 本文特色及创新点
• 第2章 散斑相关成像的基本思想
•   2.1 散斑的利用
•   2.2 散斑相关度与光学记忆效应
•   2.3 非侵入式散斑相关成像技术
•   2.4 本章小结
• 第3章 散斑相关成像技术及其对运动目标成像方法研究
•   3.1 透过散射介质的散斑相关成像理论
•     3.1.1 散斑相关
•     3.1.2 散斑差值自相关
•     3.1.3 图像重建及相位恢复算法
•   3.2 散斑相关成像实验验证
•     3.2.1 散斑相关成像系统特性分析
•     3.2.2 散斑相关对静态目标成像
•   3.3 散斑差值自相关对运动目标成像
•     3.3.1 对运动目标成像的实验验证
•     3.3.2 对不同运动速度的目标成像
•     3.3.3 目标运动距离的计算与跟踪
•   3.4 本章小结
• 第4章 透过动态散射介质的散斑照明成像理论研究
•   4.1 散斑照明
•   4.2 透过动态散射介质成像
•     4.2.1 光学浴帘效应
•     4.2.2 基于光学浴帘效应的散斑照明成像系统模型
•     4.2.3 图像重建
•   4.3 成像系统特性分析
•     4.3.1 散斑颗粒
•     4.3.2 图像尺寸计算
•   4.4 本章小结
• 第5章 透过动态散射介质的散斑照明成像实验验证
•   5.1 散斑照明成像适用条件的实验分析
•     5.1.1 相机像元尺寸与最小成像距离的关系
•     5.1.2 相机靶面与最远成像距离的关系
•   5.2 透过动态散射介质的散斑照明成像实验验证
•   5.3 透过动态散射介质的运动目标成像实验验证
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贾辉

导师: 罗秀娟

关键词: 透过散射介质成像,散斑相关,光学记忆效应,散斑照明,光学浴帘效应

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TP391.41;O436.2

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000087

总页数: 71

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