上海光機所在提升被動散射成像信干比上取得進展

近期，中科院上海光機所空天激光技術與系統(tǒng)部司徒國海研究員團隊，基于外場被動散射環(huán)境下的入射光角度特性，設計了一種基于角度選擇的超長焦成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了厚散射環(huán)境下探測信干比的提升。相關成果以“Passive imaging through dense scattering media”為題，發(fā)表于Photonics Research。

真實環(huán)境下依賴自然光被動照明的散射成像，其恢復效果受限于采集的原始圖像信干比。研究團隊基于全光函數(shù)中的角度特性分析：對于攜帶目標場景信息的彈道光，嚴格按照幾何成像模型點對點成像，抵達探測器是按照固定的角度；但是對于大氣散射光來說，其入射角度是隨機的，且包括視場角外的非成像雜散光。

團隊設計了一套2800mm焦距的超長焦成像系統(tǒng)，以保證目標場景成像的彈道光按照小角度抵達探測器。實驗人員在鏡頭和相機傳感器前設置一個可實現(xiàn)角度選擇的液晶調(diào)制器件，其透過率隨著光的入射角度增大而減小。該成像系統(tǒng)能夠?qū)π〗嵌葟椀拦獗３指咄高^率的同時，更大限度地降低大角度散射光的影響，從而提升采集圖像的信干比。

研究團隊還設置了外場5.9km的地基實驗對成像系統(tǒng)的性能進行了驗證，對比了同樣的成像系統(tǒng)有無加裝角度選擇器件的區(qū)別。實驗結果表明原有成像系統(tǒng)加裝角度選擇器件后，可以在同等甚至更低的能見度下能夠獲得更高信干比的原始圖像，經(jīng)同樣的圖像增強算法處理后恢復結果更好。

為了進一步提升穿透深度，該團隊根據(jù)短時間內(nèi)信號衰減相同，噪聲隨機疊加的估計，設計了一種時域最小化的多幀融合方法，能夠獲得比傳統(tǒng)疊加平均方法更高信干比的融合圖像。并采用對比度受限的自適應直方圖均衡化和離散余弦變換去噪的聯(lián)合優(yōu)化方法恢復圖像，在不同等效能見度下獲得了比傳統(tǒng)方法更好的結果，探測深度達到1.5km的等效能見度。

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圖1.基于角度選擇器件的散射成像系統(tǒng)，其中ASD的透過率隨入射角增大而減小。

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圖2.外場實驗設置：成像距離為5.9km；（a）目標場景；（b）成像系統(tǒng)實物圖。

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圖3.單幀信干比提升結果：（a）傳統(tǒng)成像系統(tǒng)采集的原圖；（b）和（c）基于角度選擇器件的散射成像采集的原圖；（d）、（e）和（f）為其上方原圖的直方圖均衡化結果。

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圖4.不同等效能見度下多幀融合恢復提升結果：（a）時域最小化融合原理；（b）等效能見度變化；（c）多幀恢復結果；I)原始圖像，II)傳統(tǒng)多幀疊加平均恢復結果；III)提出的融合方法恢復結果。

該項研究利用基于角度選擇的光場前處理調(diào)控手段，提升了采集圖像的信干比，能夠進一步突破散射厚度下限。同時在后處理算法的設計上，取得了更好的融合和恢復效果，有望實現(xiàn)遠距離被動散射環(huán)境下的全天候圖像探測。

該項工作得到國家自然科學基金、上海市學術研究帶頭人計劃、上海市科技重大專項、上海市揚帆計劃的支持。

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