摘要
光学成像是人们获取信息的重要方式之一。传统方法都是基于弹道光对目标物体进行成像，所以只适用于无散射或者弱散射环境。当有生物组织、墙壁、抑或是自然环境中常见的雾、霾、云等散射介质存在于目标与探测器中间时，光场的传播会被干扰，原本有序的波前相位和传输方向发生改变，导致传统成像方法失效。然而，普遍的认识是目标信息并没有随着光场的紊乱而丢失，随着科技的发展，一些新型的成像方法逐渐被研发出来。时间和空间门控技术基于飞行时间或相干性等特性，筛选出保留原始信号的弹道光，从而对目标进行成像，这种技术可以在受到散射干扰的情况下依然保证较高的成像分辨率，不过由于弹道光能量随着穿透深度而指数式衰减，导致成像质量与光学厚度息息相关，所以其只能在散射厚度较小时应用。迭代波前整形技术通过反馈式的迭代优化来获得加载在空间光调制器上的最优相位分布，用来抵消散射介质造成的波前畸变，从而成功实现聚焦或成像;矩阵测量技术是通过测量散射介质的传输矩阵来将入射光场和出射光场联系起来，从而可以结合相位共轭技术或者通过矩阵计算来实现成像;相位共轭技术通过记录光场信息并生成相位共轭光，从而复现原始光场信息。后面这三种方法都有一定的应用价值，但是操作复杂，对系统稳定性要求很高，同时穿透深度一般不超过一个传输自由程。 近年来，基于光学记忆效应的散斑自相关方法发展迅速，研究人员利用该方法先后实现了单帧散斑自相关成像，明亮背景场中的运动目标成像，运动目标的相对运动探测以及旋转测量等。由于目标光场在经过散射介质后形成的散斑的自相关结构包含了目标的自相关信息，所以目标的功率谱可以从散斑图中提取出来，结合相位恢复算法就可以重建目标。该方法不需要繁琐的标定过程，不需要侵入散射介质内部，对被动照明场景也有很好的适应性。不过现有的散斑自相关成像方法都无法同时获得目标的尺寸和位置信息，对目标运动的量化也仅仅限于相对运动比例，不够明确和具体，并且要求探测器与散射介质之间的距离都相对较小以保证足够的空间独立散斑数，照明带宽也相对较窄，这极大的限制了该方法的应用范围。为了解决这些问题，本文所作的主要研究工作如下: (1)提出了一种利用双向曝光来对隐藏目标进行成像、尺寸量化以及定位的方法。该方法充分利用系统的光学放大规律，基于散斑自相关方法来对双向曝光所探测到的目标散斑场进行计算，从而既可以获得目标的结构图像，又可以获得目标的尺寸和轴向位置，进而还可以分别计算得到目标的横向位移和轴向位移。本论文理论分析了方法原理，并通过模拟和实验验证了方法的有效性。该方法不但克服了以前的散斑自相关方法无法同时获得隐藏目标的大小以及位置的问题，还能够定量衡量目标的运动位移，对探测被散射介质包裹的未知空间具有巨大潜力。 (2)提出了一种透过动态散射介质的远距离散斑散斑自相关成像方法。该方法借助动态散斑系综平均的空间和时间等效性，通过对多帧不相关的散斑进行数字拼接，获得可以等效于大面积空间采样的散斑图案，克服实际探测器有效探测面的限制，从而可以提取出更加精细的功率谱用于对目标图案的重建。文中的理论、实验和模拟部分分别对该方法的原理、有效性以及与拼接数和采样比有关的规律性变化做了分析和验证。该方法降低了散斑自相关方法对探测距离以及采样面积的依赖性，操作简单、耗费低、在大探测距离下依然保有对隐藏目标的重建能力。 (3)提出了一种利用散斑的波长依赖性实现远探测距离成像的方法。方法利用系统的点扩展函数的波长相关性，通过对不同波长的光照明目标所得的散斑进行自相关平均，弱化了采样噪声以及相关操作产生的背景噪声的影响，从而实现对目标的成功重建。文中通过理论分析说明了该方法的可行性，并通过成像模拟和成像实验验证了方法的有效性。该方法降低了散斑自相关方法对探测距离以及采样面积的依赖性，并且既可以应用于静态系统中，也可以应用于动态散射系统中，增大了透过散射介质成像从实验室走向实际应用的可能。 (4)提出了一种可以在宽光谱照明下实现透过散射介质成像的方法。方法利用系统点扩展函数的距离相关性，通过对目标所形成的散斑进行多个像距下的探测采样，结合频域上的统计平均，来克服散斑辐射状结构对获取信息的阻碍，获得更多有效信息，从而成功重建出目标图案。文中在理论和模拟方面证明了方法的可行性。该方法降低了对照明光源的带宽要求，并且操作简单，成本低廉，进一步扩大了散斑自相关成像方法的应用范围。
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