鬼成像质量影响因素的研究

论文摘要

鬼成像是一种新兴的非局域成像技术,它由于具有较强的抗噪声能力和超分辨成像等优点,近几年获得了广泛的关注。作为一种基于强度涨落关联的计算成像方案,鬼成像的成像质量和成像速度是限制其发展和实用化的关键问题,亟待突破。可以预见的是,一旦这些问题得以解决,鬼成像技术将在成像和探测领域占据越来越重要的地位。本文以影响鬼成像质量的内在和外在因素为切入点开展了一系列的理论研究,详细讨论了成像过程中可能对重构图像质量造成影响的环节,以此找到影响成像质量的根本原因,并尝试给出解决方案。在影响鬼成像质量的内在因素方面,首先针对鬼成像的核心——二阶关联函数进行了研究,在此基础上讨论和推演了鬼成像技术重构待测物体的像的整个过程,作为重要结论,发现了计算鬼成像中的正负关联现象,并给出了一个用于分离正负关联的判据,使用该判据可以在采样的过程中实施实时的正负关联分离。同时,照明图样组成的观测矩阵的正交和完备性在很大程度上影响鬼成像的成像速度和成像质量,在此基础上,给出了一个基于判断观测矩阵正交性,进而判断基于这种观测矩阵的鬼成像方案的成像质量优劣的判据。研究和对比了使用不同的照明图样进行鬼成像时的成像质量,结果发现,在没有外部干扰的情况下,基于有序照明图样的成像方案具有相当好的成像质量和相当快的成像速度。在影响鬼成像质量的外在因素方面,研究和讨论了光的自由传递对鬼成像系统的影响。在考虑照明光源投射出的照明图样经过一段距离的自由传播后才到达待测物体的条件下,详细讨论和对比了基于不同照明图样的鬼成像方案给出的重构图像中出现的失真情况,结果发现,基于随机散斑照明图样的成像方案受到来自于衍射效应的影响最小。然后,通过对相干光源施加不同范围的随机相位调制进而研究了照明光源的相干性对成像质量的影响,作为另一个较为重要的结论,破坏相干照明光源的相干性可以使得鬼成像系统更能抵抗光的传递造成的影响,在相同的探测距离上比相干光源照明方案获得更佳的视场角和空间分辨率,在另一方面,这种使用相干光制造的非相干光相对于天然的非相干光源在作为鬼成像的光源时可以获得更远的有效成像距离以及更加可靠的光机结构。还讨论了基于计算观测矩阵伪逆的重构算法,结果显示,该算法可以完全抵消衍射效应给重构像带来的失真,但在存在杂散光干扰的情况下表现欠佳。除此之外,研究了外界杂散光干扰、空间光调制器件的固有性质带来的干扰、以及人为操作带来的干扰对鬼成像系统的影响。作为一个重要结论,本文发现了鬼成像另外的一个优势:在障碍物与待测物间的距离满足一定条件时,即使采用常规成像方式无法对待测物成像的情况下,使用鬼成像技术也可以在障碍物的大小形状等特征完全未知的条件下,对被遮挡的待测物体实现成像。本文所研究的影响因素广泛存在于鬼成像系统的实际实现过程中,因此对进一步提高鬼成像技术的成像质量具有重要的理论价值和指导作用,同时对鬼成像技术的实用化具有积极意义。其次,本文提出的正负像判据和观测矩阵正交性判据分别在提高成像质量和评价将来新出现的鬼成像方案上具有较强的实用性。此外,本文在原理上论证了鬼成像可以对被一个被遮挡物体成像,无疑具有重大的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 鬼成像技术简介
•   1.2 国内外关于提高鬼成像质量的研究进展
•   1.3 本论文的研究内容和结构安排
• 第2章 鬼成像的成像机制
•   2.1 光的一阶和二阶相干性
•   2.2 二阶关联函数的理论研究
•     2.2.1 双臂鬼成像与单臂鬼成像
•     2.2.2 二阶关联函数重构物体像的机制
•   2.3 计算鬼成像中的正负关联问题
•     2.3.1 二值待测物体
•     2.3.2 灰度待测物体
•   2.4 本章小结
• 第3章 照明图样对鬼成像质量的影响
•   3.1 基于随机照明图样的计算鬼成像
•     3.1.1 基于随机照明图样的鬼成像方案的计算复杂度问题
•     3.1.2 随机照明图样的平均强度对成像对比度的影响
•   3.2 基于有序照明图样的计算鬼成像
•     3.2.1 计算鬼成像系统的矩阵表示法
•     3.2.2 观测矩阵的正交性检测方法
•     3.2.3 基于哈达玛衍生图的计算鬼成像方案
•     3.2.4 基于正弦变换图样的计算鬼成像
•   3.3 基于随机和有序照明散斑图样的鬼成像方案的对比
•   3.4 本章小结
• 第4章 光的传递过程对鬼成像质量的影响
•   4.1 光的传递过程
•     4.1.1 点扩展函数
•     4.1.2 菲涅耳衍射积分的离散化
•   4.2 光的传递过程对基于不同照明图样成像方案的影响
•     4.2.1 随机照明图样情形
•     4.2.2 有序照明图样情形
•   4.3 基于观测矩阵伪逆的重构算法
•   4.4 光源的随机相位调制范围对鬼成像成像质量的影响
•     4.4.1 光源的随机相位调制范围对鬼成像对比度的影响
•     4.4.2 随机相位调制对鬼成像的空间分辨率和视场的影响
•     4.4.3 纯振幅调制成像方案V.S.相位调制成像方案
•   4.5 本章小结
• 第5章 外界干扰因素对鬼成像质量的影响
•   5.1 杂散光干扰对鬼成像系统的影响
•     5.1.1 两种不同性质的杂散光干扰对鬼成像的影响及相应的解决方案
•     5.1.2 基于不同照明图样的鬼成像方案对杂散光噪声的鲁棒性
•   5.2 实验条件对鬼成像的影响
•     5.2.1 空间光调制器件对鬼成像的影响
•     5.2.2 传递距离估计错误对重构像的影响
•   5.3 对被遮挡物体的鬼成像
•     5.3.1 物理模型
•     5.3.2 传播矩阵A对二阶关联函数的影响
•     5.3.3 鬼成像对被遮挡物体成像的物理机制
•     5.3.4 数值模拟和鲁棒性分析
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 本文得到的研究结果
•   6.2 本文的主要创新性研究工作
•   6.3 对未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 高超

导师: 姚治海

关键词: 鬼成像,成像质量,正负关联,随机相位调制,对被遮挡物体成像

来源: 长春理工大学

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: 长春理工大学

分类号: O431.2;TP391.41

DOI: 10.26977/d.cnki.gccgc.2019.000005

总页数: 124

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