为发展远程拉曼探测技术, 自主研发了门控单光子相机, 结合低能量高重频亚纳秒脉冲激光器, 搭建了远程拉曼测试系统。对距离聚焦透镜0.5米处的氯苯溶液和硝酸钾粉末样品进行了拉曼探测, 在积分时间1s的情况下, 得到的拉曼光谱信噪比高、特征峰位清晰可辨, 展示了门控单光子相机在远程拉曼探测方面的优势和潜力, 该技术具有较强的应用拓展性, 在安检、矿石勘测等方面将有重要应用。

激光距离选通的扫描式成像技术具有低成本、能避免多次散射等特点,成像扫描与激光束扫描的同步配合是扫描成像技术的难点。设计了一个基于空间光调制器(SLM)的扫描式距离选通激光雷达系统,保证目标反射光的可靠接收,并在时间上和空间上屏蔽后向散射光。在具有不同衰减长度的光散射环境中对本系统进行了测量,实现二维和三维成像。实验结果表明,本系统能够有效地实现光束扫描与距离选通成像扫描的同步,适用于光散射环境中光学成像的可视距离扩展。

相比传统水下摄像机, 水下距离选通成像的作用距离可提高两三倍, 同时基于该技术可实现快速高分辨率三维成像, 在水底详查、避障导航、海洋科学研究、矿藏开发等方面具有广泛应用前景。虽然距离选通成像可通过空间切片的方式抑制水体的后向散射噪声, 实现感兴趣区较高质量的成像, 但是, 在选通图像中仍不可避免地存在空间切片水体的后向散射噪声, 导致图像信噪比和对比度降低, 尤其是对于远距离目标或低反射率目标。介绍了针对水下距离选通二维成像及三维成像去噪方面的技术研究。在二维成像方面, 一是采用双平台自适应增强算法提高图像对比度, 更好地满足人眼视觉要求; 二是采用参考水体去噪算法实现含目标图像的水体去噪, 提高信噪比。在三维成像方面, 针对距离能量相关三维成像, 一是利用参考水体去噪算法实现去噪三维重建, 二是采用双边滤波法对三维图像中数据空洞进行修复, 提高三维图像质量。所述四种方法可独立或联合用于水下距离选通成像的去噪增强, 提高水下距离选通成像技术的性能。

根据距离选通微光ICCD组件及水下高速成像组件中对于门控电路的需求, 本文解决了在外触发模式下, 系统输出脉冲与外触发之间的同步效果差与抖动大问题, 提出一种基于FPGA精细调节单元IODELAY的高精度低抖动的同步脉冲控制技术。此单元具有受温度影响小、时间分辨率高的优势, 充分满足了组件中像管对于门控时间精度与抖动的要求, 此技术在各类门控组件中有很好的应用价值。

水下超视距三角形距离能量相关三维成像是一种新型的快速非扫描三维成像技术, 可填补水下摄像机(空间分辨率高但作用距离近、无三维信息)与水下声呐(作用距离远但空间分辨率低)间的技术空白。介绍了水下距离能量相关三维成像国内外研究进展, 并重点介绍中国科学院半导体研究所在水下成像方面开展的三角形距离能量相关三维成像的研究工作, 提出了一种融合多脉冲延时积分的三角形距离能量相关三维成像, 梳理了多脉冲延时积分景深调节技术下的典型时域工作参数, 研制的水下激光选通三维成像系统“绿瞳”、“凤眼”和“龙睛”可实现探测距离大于4.8 AL的超视距百万像素三维成像, 已用于渔网等微小目标探测、海洋生物原位探测、水下光学详查等应用中。

高精度水下三维成像可以获取更多的目标信息,有利于提高水下目标的识别率,一直是水下光电成像的重要研究方向之一。距离选通成像技术可以获取目标的距离信息,但由于选通深度的限制,难以直接从多幅选通图像重构出高精度的三维图像。在基本距离选通成像技术基础上,以较小的选通延迟时间间隔获取多幅距离选通切片图像,对这些图像的像素灰度值进行统计分析和曲线拟合,可以获取每个像素的距离值,从而重构出高精度的目标三维图像。理论分析表明,该方法的距离解算精度可能达到厘米级。

传统的光学成像技术是通过探测器对视线区域内的场景成像, 而非视域成像技术是对观察者视线之外的区域进行成像, 它通过一个中介面, 对被其他物体遮挡住的隐藏物体成像(如拐角处、烟雾后等), 是近年来刚发展起来的一种新的光学探测技术。该项技术对于反恐、灾难救援、城市交通等都有重要意义。本文针对国内外非视域成像系统的特点进行总结分析, 根据成像系统的成像机制不同, 将目前非视域成像系统分为 4种主要类型, 分析其应用的优缺点, 并从成像装置、成像分辨率和重建算法几个方面分析其研究趋势。