宽视场散射成像机理及关键技术研究

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传统光学成像系统透过散射介质对目标成像时,探测器只能接收到散斑而无法获得目标的形态信息。针对复杂散射环境下传统光学成像的困难,科研人员提出了散斑相关成像方法:利用目标自相关和散斑自相关近似相等的特性,仅需测量单帧散斑就能获取准确的目标傅里叶振幅信息;再结合相位恢复技术恢复出目标的傅里叶相位信息,进而重构出整个目标场信息。该方法不仅可以观测到散射介质后的未知目标,而且不需要设置参考点,同时数据处理时间较短,具有极大的实际应用潜力。然而,当成像目标范围超出光学记忆效应范围时,视场内多个目标的自相关信息在傅里叶域内会发生混叠,导致无法获取准确的目标傅里叶振幅信息,因此限制了成像视场角和成像景深。本文针对散斑相关技术成像视场角小且成像景深较短的缺陷,提出基于散斑统计特性的双目标成像方法,利用统计特性一致的散射介质对同一目标产生的散斑自相关分布也一致的特点,最终实现透过散射介质的宽视场、大景深成像。本文的主要工作如下:(1)首先介绍散斑的产生原因,并给出散斑在横向和纵向上的相关函数。根据散斑之间的相关性,通过实验分别测量给定散射介质在横向和纵向上的光学记忆效应范围,并绘制对应的光学记忆效应曲线,结合实验结果和曲线图计算散射介质的光学记忆效应角。(2)根据光学记忆效应范围内散斑之间具有很强的相似性,描述了散射成像中的卷积模型,并介绍散斑相关成像理论。详细讨论常用的三种相位恢复算法,并给出对应的约束条件。结合散斑相关理论和相位恢复算法,分别从仿真和实验上检验散斑相关成像的重建效果。(3)研究基于先验目标的宽视场双目标散斑相关成像方法,通过仿真证明直接散斑相关成像法和高斯核拟合法的缺陷,提出基于散斑统计特性的目标重建方法。实验结果表明,在先验目标尺寸是未知目标的0.3-3倍之间时,利用本文方法可以使宽视场内的重建目标结构相似性大于0.5,且峰值信噪比大于15d B。(4)在宽视场双目标散斑相关成像的基础上,提出双目标的大景深成像方法。通过仿真和实验证明,在任意双目标的中心距离超过散射介质横向记忆效应范围时,利用本文方法可以将成像景深至少拓展为散射介质纵向记忆效应范围的13倍,且重建目标的结构相似性能达到0.5,最终实现宽视场、大景深的散斑相关成像。
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