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超强激光科学卓越创新简报

(第五百零二期)

2024年4月7日

上海光机所在提升被动散射成像信干比上取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部司徒国海研究员团队，基于外场被动散射环境下的入射光角度特性，设计了一种基于角度选择的超长焦成像系统，实现了厚散射环境下探测信干比的提升。相关成果以“Passive imaging through dense scattering media”为题，发表于Photonics Research。

真实环境下依赖自然光被动照明的散射成像，其恢复效果受限于采集的原始图像信干比。研究团队基于全光函数中的角度特性分析：对于携带目标场景信息的弹道光，严格按照几何成像模型点对点成像，抵达探测器是按照固定的角度；但是对于大气散射光来说，其入射角度是随机的，且包括视场角外的非成像杂散光。

团队设计了一套2800mm焦距的超长焦成像系统，以保证目标场景成像的弹道光按照小角度抵达探测器。实验人员在镜头和相机传感器前设置一个可实现角度选择的液晶调制器件，其透过率随着光的入射角度增大而减小。该成像系统能够对小角度弹道光保持高透过率的同时，更大限度地降低大角度散射光的影响，从而提升采集图像的信干比。

研究团队还设置了外场5.9km的地基实验对成像系统的性能进行了验证，对比了同样的成像系统有无加装角度选择器件的区别。实验结果表明原有成像系统加装角度选择器件后，可以在同等甚至更低的能见度下能够获得更高信干比的原始图像，经同样的图像增强算法处理后恢复结果更好。

为了进一步提升穿透深度，该团队根据短时间内信号衰减相同，噪声随机叠加的估计，设计了一种时域最小化的多帧融合方法，能够获得比传统叠加平均方法更高信干比的融合图像。并采用对比度受限的自适应直方图均衡化和离散余弦变换去噪的联合优化方法恢复图像，在不同等效能见度下获得了比传统方法更好的结果，探测深度达到1.5km的等效能见度。

该项研究利用基于角度选择的光场前处理调控手段，提升了采集图像的信干比，能够进一步突破散射厚度下限。同时在后处理算法的设计上，取得了更好的融合和恢复效果，有望实现远距离被动散射环境下的全天候图像探测。

该项工作得到国家自然科学基金、上海市学术研究带头人计划、上海市科技重大专项、上海市扬帆计划的支持。

原文链接

图 1 基于角度选择器件的散射成像系统，其中ASD的透过率随入射角增大而减小。

图 2 外场实验设置：成像距离为5.9km；（a）目标场景；（b）成像系统实物图。

图 3 单帧信干比提升结果：（a）传统成像系统采集的原图；（b）和（c）基于角度选择器件的散射成像采集的原图；（d）、（e）和（f）为其上方原图的直方图均衡化结果。

图 4 不同等效能见度下多帧融合恢复提升结果：（a）时域最小化融合原理；（b）等效能见度变化；（c）多帧恢复结果；I)原始图像，II)传统多帧叠加平均恢复结果；III)提出的融合方法恢复结果。

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