随机介质成像图像重建技术及单光纤成像探索
随机介质中光波的传播和散射一直以来都是电磁理论中最为活跃、发展最快的方向之一,并且已经成为通信、生物医学成像、遥感、环境监测等不同学科研究内容的交叉热点.在成像领域,介质对光波的随机散射作用一直被看做是造成成像质量降低的重要因素,所以,如何消除传输介质对图像质量的影响,也一直是人们研究的重点.但是,最新研究表明,如果能够预先测得随机介质的光传输特性,就能够从含有目标信息的散射光中提取出目标图像,并且,可获得较传统成像系统更优的分辨率.因此,在一些应用场合,随机介质也可以被看做是一种高质量的光学成像元件.本论文以透过随机介质实现成像为目标,着重研究随机介质的信息传输特性,并研究传输矩阵的测量方法以及实现图像重建所需的相位提取方法.在此基础上,将单根多模光纤视为一种随机介质,对其构成的内窥成像系统作初步探索.首先对随机介质作系统概述,并介绍其在超衍射聚焦和成像方面的应用,分析了随机介质给光学系统成像质量所带来的改善及原因.同时研究了光波在随机介质中传输的机理和特性,采用格林函数描述随机介质入射光和出射光之间的关系,并基于随机介质入射端和出射端光传输通道的离散化处理,建立了光传输矩阵模型.其次,研究了空间域和空频域下传输矩阵的测量原理与方法,并详细介绍了相应的成像系统;对本文的实验系统及其控制系统进行了详细阐述.第三,研究基于条纹极值的无插值相位提取算法,二维傅里叶变换相位提取算法,以及希尔伯特变换相位提取算法等常用的相位解调方法.针对随机介质成像中空频域传输矩阵测量系统的特殊性,提出了一种改进的基于希尔伯特变换的相位提取算法,能够从散斑干涉强度图中提取相位信息,并通过实验研究验证了其可行性以及有效性,实现了由CCD记录的强度图提取出光场复振幅的目的,从而完成了空频域下随机介质传输矩阵的测量.在获取了传输矩阵的基础上,采用投影运算的方法实现了由散射物光场还原出目标的角谱信息,完成了待测目标图像的重建.最后,由于随机介质成像技术可用于单根多模光纤成像,因此论文对单光纤内窥成像的优势以及应用前景作系统介绍,同时提出了一种实现单光纤内窥成像的系统结构和实现方案.
- 作者：
- 杜新超
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
- 专业名称：
- 通信与信息系统
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 贺正权
- 中图分类号：
- O436；TP391.41
- 关键词：
- 随机介质；传输矩阵；相位提取；角谱还原；图像重建；光纤内窥
- random medium； transmission matrix； phase extraction； angular spectrum restoration； image reconstruction； fiber endoscopy