Scattering Imaging Technology

本重点实验室提出了利用光学散射成像技术实现光学全天候成像以及提升水下成像作用距离等设想，以解决低信噪比、低分辨率、强干扰及远距离成像探测的问题。针对光电成像探测中作用距离短、易受天候环境影响、成像分辨率低等问题，提出了基于白光照明、散斑全息、变换域分离等散射成像方法，解决了宽光谱光源照明下透过散射介质成像、云雾环境下增程成像、极低信噪比下的散射成像等诸多科学难题，为全天候光电探测感知奠定了理论基石，极大拓宽了散射成像的应用前景，在生物医学、遥感探测、安全监控、水下救援、反恐安防等领域具重要应用价值。研究成果受陕西电视台“精彩中国/陕西力量”栏目采访，被多家媒体报道，2019年接受中央电视台科教频道《创新一线》栏目专访。

图1 透散射介质成像效果图，(a)为散射成像实验光路图，(b)~(f)分别为散斑相关、灰度成像、动态成像、绕障碍物成像以及强干扰下成像所采集到的散斑图，(g)~(k)为其相对应的成像结果。

图2 外场透云雾成像结果，(a)为外场实验环境，(b)~(d)为采集的有雾原图，图(e)~(g)为相应的去雾后的结果。

图3 透云雾弱小目标成像效果图，第一行为原图，第二行为分离出的背景，第三行为分离出的目标

1. 针对现有散射成像技术视场受限，且在无先验信息的条件下成像质量普遍较差的问题。透过散射介质超光学记忆效应范围的非侵入式成像技术将散射介质后的隐藏目标视为众多独立点源目标的集合，整个目标透过散射介质形成的散斑图案可以看作是每一个点源形成的散斑图案的非相干叠加，这些点源散斑图案构成了“散斑指纹”。使用时变随机散斑照明的方式得到目标对应的一组散斑图案后，利用散斑指纹之间的相关性，通过散斑指纹成对去卷积方法即可实现隐藏目标的图像重建。相较于现有的其他方法，该方法无需测量表征介质传输矩阵，不需要对光线聚焦，也不需要使用自适应光学或波前整形系统，仅需在样本平面上生成时变的随机照明图案即可完成成像，极大拓展了散射成像技术的适用范围，解决了散射自相关成像技术中因光学记忆效应导致成像范围受限的难题，将在生物医学成像领域有着重要的应用前景，是计算成像领域的一大突破。其实验系统和实验结果如图所示。论文链接：http://doi.org/10.1038/s41467-022-29166-y

   

   图4 实验系统示意图

   

   图5 复杂荧光目标重建结果

   
   

2. 针对现有的散射成像技术通常受限于对窄带光谱光源的需求，在自然光等被动照明场景下，成像模型复杂，大多数成像技术都不适用的问题。提出两种单独的方法，在无先验和有先验条件下仅使用单帧散斑实现宽带照明下的散射成像。在无先验方法中，我们将宽谱散斑转化到傅里叶域，然后在复倒频域中细化，结合矩阵分解算法从宽谱散斑中提取目标傅里叶频谱，在傅里叶域中恢复丢失的低频信息，通过改进的相位恢复算法，在0.0823散斑对比度的情况下，清晰重建目标。无先验和有先验方法的主要区别是有先验方法需要预先校准散射系统的点扩散函数信息，而无先验方法不需要，且这两种方法都不需要对信号的光谱组成进行任何额外的假设。该方法有望应用在强散射环境中，也可以增强荧光成像、夜视检测和被动传感等领域的能力。论文链接：http://doi.org/10.1364/PRJ.466065

   

   图6 单帧宽谱散射成像原理图

   

   图7 不预先标定散射系统点扩散函数的实验结果

   

   图8 宽谱照明下标定点扩散函数的实验验证

3. 针对动态散射介质，传统散射成像技术只能望而却步，散射介质的时变性，使得大部分成像模型难以适用。本课题组提出通过完善成像相关模型，建立介质光学厚度与定量重建质量之间的关系，预测成像深度，实现透过不同厚度、浓度的动态散射介质成像，并且量化成像结果，探究了光学厚度与成像质量的函数关系，获得了确定波段下的成像方法适用边界条件。该方法具有普适性，显示了成像相关技术方法的广阔应用前景，为生物成像铺平了道路。论文链接：http://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.126894

   

   图9 不同光学厚度在1：4浓度下的实验结果

4. 针对散射成像技术适用性极低，成像要求苛刻的问题。提出通过细化自相关域中的散斑来实现高质量的目标重建，该方法适用于极低信噪比情况下的目标估计，利用基于zernike的背景拟合方法结合改进的低秩稀疏矩阵分解，连续减去一个条纹背景项和一个尖峰噪声项，从噪声重叠数据中获得清晰的目标自相关性，采用相位恢复算法后，实现目标的高精度重建。该方法突破了传统散射成像技术需要暗室条件的限制，在强背景干扰中精确提取弱目标自相关信息。论文链接：http://doi.org/10.1364/OL.438017

   

   图10 室内和室外场景中，对传统散斑自相关成像技术与所提方法的实验比较。(a1)室内条件下的原始散斑图案；(a2)滤波后(a1)的自相关；(a3)用所提方法从(a2)中分离出清晰的目标自相关；(a4)传统散斑自相关成像恢复结果；(a5)从(a3)使用所提方法恢复的结果；(b1~b5)对应的室外实验结果。

5. 透过散射介质针对多个目标的成像技术普遍具有成像质量差，成像效率低等缺点。本课题组提出一种基于独立成分分析的透散射介质成像方法。当具有多个目标时，探测器所探测的散斑可认为是多个目标产生散斑的混叠，基于不同目标散斑的独立性和空间去相关性，从混合散斑中提取单个目标散斑，并结合相位恢复算法，分别实现多个目标的精确重建。该方法突破了光学记忆效应的限制，显著增大了成像视场，且在无透镜成像、生物医学成像方面显示出巨大的潜力。

论文链接：http://doi.org/10.1364/OL.388552

图11 实验流程示意图

图12 实验结果图