上海光機(jī)所在提升被動(dòng)散射成像信干比上取得進(jìn)展

近期，中科院上海光機(jī)所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部司徒國(guó)海研究員團(tuán)隊(duì)，基于外場(chǎng)被動(dòng)散射環(huán)境下的入射光角度特性，設(shè)計(jì)了一種基于角度選擇的超長(zhǎng)焦成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了厚散射環(huán)境下探測(cè)信干比的提升。相關(guān)成果以“Passive imaging through dense scattering media”為題，發(fā)表于Photonics Research。

真實(shí)環(huán)境下依賴自然光被動(dòng)照明的散射成像，其恢復(fù)效果受限于采集的原始圖像信干比。研究團(tuán)隊(duì)基于全光函數(shù)中的角度特性分析：對(duì)于攜帶目標(biāo)場(chǎng)景信息的彈道光，嚴(yán)格按照幾何成像模型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)成像，抵達(dá)探測(cè)器是按照固定的角度；但是對(duì)于大氣散射光來(lái)說(shuō)，其入射角度是隨機(jī)的，且包括視場(chǎng)角外的非成像雜散光。

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套2800mm焦距的超長(zhǎng)焦成像系統(tǒng)，以保證目標(biāo)場(chǎng)景成像的彈道光按照小角度抵達(dá)探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)人員在鏡頭和相機(jī)傳感器前設(shè)置一個(gè)可實(shí)現(xiàn)角度選擇的液晶調(diào)制器件，其透過(guò)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^(guò)率的同時(shí)，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(tuán)隊(duì)還設(shè)置了外場(chǎng)5.9km的地基實(shí)驗(yàn)對(duì)成像系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)比了同樣的成像系統(tǒng)有無(wú)加裝角度選擇器件的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jiàn)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(qiáng)算法處理后恢復(fù)結(jié)果更好。

為了進(jìn)一步提升穿透深度，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)短時(shí)間內(nèi)信號(hào)衰減相同，噪聲隨機(jī)疊加的估計(jì)，設(shè)計(jì)了一種時(shí)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(duì)比度受限的自適應(yīng)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(fù)圖像，在不同等效能見(jiàn)度下獲得了比傳統(tǒng)方法更好的結(jié)果，探測(cè)深度達(dá)到1.5km的等效能見(jiàn)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(guò)率隨入射角增大而減小。

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圖2.外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置：成像距離為5.9km；（a）目標(biāo)場(chǎng)景；（b）成像系統(tǒng)實(shí)物圖。

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圖3.單幀信干比提升結(jié)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(jié)果。

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

該項(xiàng)研究利用基于角度選擇的光場(chǎng)前處理調(diào)控手段，提升了采集圖像的信干比，能夠進(jìn)一步突破散射厚度下限。同時(shí)在后處理算法的設(shè)計(jì)上，取得了更好的融合和恢復(fù)效果，有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離被動(dòng)散射環(huán)境下的全天候圖像探測(cè)。

該項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市學(xué)術(shù)研究帶頭人計(jì)劃、上海市科技重大專項(xiàng)、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃的支持。

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