基于电子倍增CCD的计算鬼成像方法研究

Anti-turbulence characteristics of ghost imaging technology can solve many problems which traditional imaging method could not overcome. However, it still has limitations in low light conditions. We aim to achieve turbulence-free computational ghost imaging in low light level environment by introducing an electron multiplying CCD(EMCCD).Three scientific problems are included: transmission mechanism of signal optics field in atmospheric turbulence, low light level imaging characteristics of computational ghost imaging and noise suppression methods of imaging system. We propose correlation-degraded degree to reveal the degeneration of signal light field due to the target diffuse reflection. The model of atmospheric turbulence disturbing signal optics field in low light level environment is established, which describes the transmission mechanism of signal optics field in turbulence environment. The model of computational ghost imaging system which influenced by correlation-degraded degree, atmospheric turbulence, and photon detection fluctuation is built. Methods of designing and optimizing spatial light encoding are developed. The noise characteristics of computational ghost imaging system are studied. Main noise sources are analized and denoising algorithm is proposed. Combining Low light level imaging theory with ghost imaging technology is a key feature of the project. The research result is significant not only in theory but also in application.

鬼成像技术的抗干扰特性能解决很多传统成像方法无法克服的问题，但在微光条件下仍存在局限性。针对这一技术瓶颈，本项目以微光环境下克服大气扰动成像为目标，在计算鬼成像系统中引入电子倍增CCD作为微光探测器，通过解决扰动环境中信号光场的传输机制、扰动环境中计算鬼成像系统的微光成像特征和计算鬼成像系统的噪声抑制方法三个科学问题，实现抗大气扰动的微光鬼成像探测。提出“退关联度”的概念，揭示目标漫反射效应对信号光场的退化作用，建立微光条件下大气扰动对信号光场的作用模型；分析光子探测起伏，“退关联度”以及大气扰动对计算鬼成像的作用机制，研究微光环境中计算鬼成像系统对大气扰动的抑制特性及抗扰动工作模式，探索空间光编码的设计与优化方法；研究计算鬼成像系统噪声特性，分析起主导作用的噪声源，研究图像降噪算法。本项目将微光成像理论与鬼成像技术相结合，研究成果具有理论和应用价值。

近年来，鬼成像技术的抗大气扰动特性引起了广泛关注，但其成像质量与关联光场强度成正比，微光环境下，系统获取的光学信息量减少，导致重建后的图像质量较差。本项目针对这一缺陷，首先研究了扰动环境中的信号光场的传输机制，建立了散射介质中信号光场传输模型、 “退关联度”模型和基于强度传输矩阵的计算鬼成像模型，通过仿真和实验验证了模型的正确性，为实现扰动微光环境中计算鬼成像奠定了理论基础；其次研究了计算鬼成像的抗扰动特性，提出了基于局部哈达玛调制的信号光场编码方法，利用哈达玛矩阵的正交性对信号光场进行调制，减弱了大气扰动对光场关联性的破坏，结果表明，本项目提出的编码方式在扰动环境中能够较好的恢复目标，比传统的高斯调制编码有着明显的改善，提高了鬼成像系统的抗扰动能力；研究了计算鬼成像系统的噪声特性，提出了基于小波变换的鬼成像小波系数提取方法，在采样次数较少的情况下有效获取图像信息，结果表明，本项目提出的方法比传统计算鬼成像方法提取目标细节的效率更高，图像边缘更清晰，提高了鬼成像图像质量；最后完成了低照度下抗扰动成像对比实验，结果表明，在微光扰动环境中，计算鬼成像表现出了很强的抗干扰能力，随着采样次数和增益的增加，抗扰动能力逐渐增强，输出的图像越来越清晰，且成像效率明显提高，克服了传统成像方法无法在扰动环境中成像的缺点，达到了预期目标。本研究既是对现有微光成像理论的拓展，也是对鬼成像技术走向实用化的探索。