【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統部司徒國海研究員團隊，基于外場被動散射環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，實現了厚散射環境下探測信干比的提升。相關成果以“Passive imaging through dense scattering media”為題，發表于Photonics Research。
真實環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，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角度選擇的液晶調制器件，其透過率隨著光的入射角度增大而減小。該成像系統能夠對小角度彈道光保持高透過率的同時，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的性能進行了驗證，對比了同樣的成像系統有無加裝角度選擇器件的區別。實驗結果表明原有成像系統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，該團隊根據短時間內信號衰減相同，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合優化方法恢復圖像，在不同等效能見度下獲得了比傳統方法更好的結果，探測深度達到1.5km的等效能見度。
該項研究利用基于角度選擇的光場前處理調控手段，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，有望實現遠距離被動散射環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。
圖 1 基于角度選擇器件的散射成像系統，其中ASD的透過率隨入射角增大而減小。圖片來源上海光機所
圖 2 外場實驗設置：成像距離為5.9km；(a)目標場景；(b)成像系統實物圖。圖片來源上海光機所
圖 3 單幀信干比提升結果：(a)傳統成像系統采集的原圖；(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。圖片來源上海光機所
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)傳統多幀疊加平均恢復結果；III)提出的融合方法恢復結果。圖片來源上海光機所
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