摘要
由于介质散射效应的存在，采用传统光学成像方法很难从完全杂乱的像面散斑中直接获取成像目标的结构信息，因此在近半个世纪的时间里，各种新的散射成像原理和改善成像效果的技术被不断提出并应用到散射介质成像中。其中，散射介质光学记忆效应的发现和光学散斑统计理论的提出，极大促进了散射介质成像研究的发展。研究表明，在光学记忆效应范围内，成像系统的点扩散函数具有空间平移不变性；而根据散斑光学的统计理论可知，介质的散射效应在像面所形成散斑的功率谱密度与成像目标的自相关函数成正比。因此，当成像目标的几何尺寸位于散射介质的光学记忆效应范围内时，利用散斑自相关技术结合相位恢复算法可以对隐藏在像面散斑图样中的成像目标进行重建。但是在实际的成像系统中，特别是散射效应十分严重的情况下，噪声项的存在将会对成像目标的重建产生很大的影响。本文分析了散射介质成像过程中噪声项对散斑重建的影响，并着重讨论了对非时变噪声项的处理方法。主要工作如下： (1)详细介绍有辅助参考物和无辅助参考物两种单帧散斑自相关重建技术。有辅助参考物的散斑自相关重建技术，是在成像目标的物平面引入一已知的近似点脉冲参考物体，直接使用像面散斑的自相关运算来获取成像目标的信息，并通过数值仿真实验进行验证。不过使用有辅助参考物体的散斑自相关重建是一种侵入式成像技术，而且对于复杂的成像目标，像面散斑的自相关运算不能有效地恢复成像目标的细节部分，重建成像目标的高频信息会被噪声项淹没，因此在实际应用中有一定的局限性。而对于无辅助参考物的散斑自相关重建技术，则是根据Wiener-Khinchin定理从像面的散斑图样中获取成像目标的傅里叶幅值信息，然后通过相位迭代算法计算成像目标的傅里叶相位信息实现对成像目标的重建。无辅助参考物的散斑自相关重建技术是一种非侵入式成像技术，虽然增加了重建过程中计算的复杂性，但是，通过数值仿真与有辅助参考物的散斑自相关重建结果对比可知，其重建质量相对较好，可以有效地提高散斑相关技术的实用性。 (2)针对散斑自相关重建过程中存在的特定非时变噪声项问题，提出一种基于数字离轴全息技术改善散斑自相关重建效果的方法。在成像目标的几何尺寸小于散射介质光学记忆效应范围时，利用数字离轴全息技术获取成像目标经过散射介质后的全息干涉图，通过空间光调制器使参考光束引入一次相位调制，得到另一幅全息干涉图，然后对相移前后的两幅全息干涉图进行差值运算，以消除成像过程中非时变噪声项的干扰，再通过衍射的逆运算直接重建无干扰的物面散斑光场，最后通过散斑自相关技术与相位恢复算法实现对成像目标的重建。在数值仿真实验中对比使用离轴全息去噪前后的重建效果，采用结构相似度对重建效果进行定量评估，证实所提方法能够有效地改善重建结果的质量。而且所提出方法的成像步骤简单，只需要记录两幅全息散斑图样就能够实现对噪声项的有效去除。
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