基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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张丽娟，李东明，杨进华，王珺楠，李超然 著

图书标签:

• 自适应光学
• 大气湍流
• 图像复原
• 图像处理
• 光学工程
• 信号处理
• 退化图像
• 图像质量评价
• 数值模拟
• 算法研究

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302470885

版次：1

商品编码：12106781

包装：精装

开本：16开

出版时间：2017-06-01

用纸：胶版纸

页数：168

字数：219000

正文语种：中文

内容简介

　　大气湍流的随机扰动严重地影响光学系统的成像性能，《基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究》对湍流效应的自适应光学（Adaptive Optics，AO）图像复原问题进行了研究和探讨。张丽娟、李东明、杨进华、王珺楠、李超然著的《基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究》主要从两个方面研究自适应光学图像复原问题：一是研究自适应光学系统的构成及光学成像原理，提出了自适应光学系统改进及仿真，实现自适应光学图像波前畸变的实时补偿或校正；二是研究经AO校正后的自适应光学图像复原理论及算法。主要内容包括湍流对成像影响的分析与仿真、自适应光学系统与波前复原方法、基于小波域的Contourlet变换的自适应光学图像去噪算法、基于帧选择技术和极大似然估计的自适应光学图像多帧联合去卷积算法、与正则化相结合的改进期望值大化方法的多帧自适应光学图像复原算法以及基于双校正器的自适应光学系统的改进方法与仿真分析。
　　《基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究》可作为光学工程专业的研究生教材，也可供自适应光学领域的科研人员、从事光学仪器工作的工程技术人员参考。

内页插图

目录

第1章绪论1
1.1知识背景1
1.2自适应光学技术的研究和应用情况2
1.3自适应光学图像复原技术的研究现状与进展6
1.3.1图像复原技术概述7
1.3.2AO图像复原技术的研究进展10
1.4自适应光学图像复原基本模型11
1.4.1自适应光学图像退化模型11
1.4.2自适应光学图像噪声模型13
1.4.3经典图像复原方法14
1.5图像质量评价方法19
1.5.1图像主观质量评价方法19
1.5.2图像客观质量评价方法19
1.6本书的课题来源及组织结构23
1.6.1本书的课题来源23
1.6.2本书的组织结构23
1.7小结25
参考文献25第2章湍流对成像影响的分析与仿真33
2.1大气湍流的基本理论33
2.1.1大气湍流的参数描述33/基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究目录/2.1.2大气湍流模型35
2.1.3湍流的统计特性描述37
2.2湍流波前随机扰动的计算机仿真39
2.2.1傅里叶变换法39
2.2.2Zernike多项式法41
2.3大气光学性对AO成像的影响分析47
2.3.1大气光学特性的机理47
2.3.2大气介质的光学传递函数OTF49
2.3.3大气湍流光学参数分析51
2.4小结53
参考文献54第3章自适应光学系统性能分析与波前复原技术56
3.1自适应光学系统构成56
3.1.1自适应光学系统的基本结构56
3.1.2波前探测器58
3.1.3波前校正器60
3.1.4波前控制器62
3.2云南天文台61单元AO成像系统64
3.2.1改造后的AO系统的光学结构64
3.2.2改造后的H�睸波前传感器64
3.2.3跟踪系统67
3.3自适应光学系统的成像原理69
3.4基于斜率探测技术的波前复原方法70
3.5基于波前复原技术的自适应光学系统实验研究73
3.61000mm AO系统对畸变波前的校正仿真研究78
3.7小结80
参考文献80第4章基于小波域的Contourlet变换法的自适应光学图像去噪算法83
4.1小波变换83
4.1.1小波变换的定义84
4.1.2小波分解的矩阵表示87
4.1.3一维退化模型的小波表示88
4.1.4二维退化模型的小波表示89
4.2WBCT的基本原理90
4.3基于WBCT的WBCTbATD去噪算法95
4.4WBCTbATD算法实现步骤98
4.5WBCTbATD算法实验98
4.6小结105
参考文献105第5章基于帧选择技术和极大似然估计的自适应光学图像多帧
联合去卷积算法108
5.1自适应光学图像的PSF重建算法109
5.1.1AO图像PSF的先验模型109
5.1.2基于波前相位信息的PSF重建方法111
5.1.3基于非等晕成像效应的PSF重建112
5.2帧选择技术研究116
5.2.1AO图像退化性质117
5.2.2基于方差统计特性的帧选择技术118
5.2.3序列图像的帧选择实验120
5.3基于FS�睲LJD算法的多帧AO图像联合去卷积122
5.3.1PSF带宽有限约束122
5.3.2基于FS�睲LJD的多帧联合去卷积图像高清晰复原算法123
5.3.3FS�睲LJD算法的实现125
5.4实验结果及分析126
5.5小结130
参考文献130第6章基于正则化与改进期望值最大化算法的自适应光学图像复原132
6.1基于图像功率谱密度及约束图像支持域的去噪方法132
6.2期望值最大化方法原理简介135
6.3AO图像代价函数模型及参数估计137
6.3.1建立AO图像的代价函数模型137
6.3.2RT�睮EM算法的参数估计138
6.3.3建立多帧AO图像的代价函数模型141
6.4基于RT�睮EM算法的多帧AO图像高清晰复原142
6.5AO图像复原实验及结果分析144
6.5.1仿真图像复原实验144
6.5.2双星图像复原实验146
6.5.3天体观测实验148
6.6小结150
参考文献150第7章基于双校正器的自适应光学系统的改进与仿真分析152
7.1双校正器的组合方式分析152
7.2基于双校正器自适应光学系统像差解耦算法154
7.3基于双校正器的自适应光学系统的改进156
7.4实验结果和分析159
7.5小结163
参考文献163第8章总结与展望165
8.1本书所做的研究工作165
8.2本书研究的创新之处166
8.3今后的研究方向与展望168

前言/序言

本书针对我国空对地遥感观测成像、地对空观测成像和空中目标的光学成像探测系统的观测图像高分辨率复原和后处理的迫切需求，开展研究工作。在湍流流场形成机理和光波在高速流场中传输的机理等自适应光学技术研究的基础上，首先研制和建立自适应光学系统实验仿真模型以及对自适应光学(Adaptive Optics，AO)系统成像分析，然后研究自适应光学图像的复原算法，为实现高速飞行器成像制导系统上的应用提供理论和技术支撑。
大气湍流的随机扰动严重地影响光学系统的成像性能，本书对湍流效应的自适应光学图像复原问题进行了研究和探讨。本书主要从两个方面研究自适应光学图像复原问题： 一是研究自适应光学系统的构成及光学成像原理，提出了自适应光学系统改进及仿真，实现自适应光学图像波前畸变的实时补偿或校正；二是研究经AO校正后的自适应光学图像复原理论及算法。
全书共8章，各章的主要内容如下。
第1章绪论。本章主要介绍知识背景、自适应光学技术的研究和应用情况、自适应光学图像复原技术的研究现状与发展、自适应光学图像复原基本模型、图像质量评价方法、本书的课题来源及组织结构。本章是以后各章研究工作的基础。
第2章湍流对成像影响的分析与仿真。本章介绍本书所用到的一些基本原理，包括大气湍流的基本理论、湍流波前随机扰动的计算机仿真、大气光学性对AO成像的影响分析等内容。本章为后续章节的自适应光学系统波前重构及波前校正提供理论基础。
第3章自适应光学系统性能分析与波前复原技术。本章的研究内容包括自适应光学系统构成、云南天文台61单元AO成像系统、自适应光学系统的成像原理、基于斜率探测技术的波前复原方法、基于波前复原技术的自适应光学系统实验研究、1000mm AO系统对畸变波前的校正仿真研究。本章内容是本书的重点，是本书的核心内容之一。/基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究前言/第4章基于小波域的Contourlet变换法的自适应光学图像去噪算法。本章的研究内容包括小波变换、WBCT的基本原理、基于WBCT的WBCTbATD去噪算法、WBCTbATD算法实现步骤、WBCTbATD算法实验。本章把多尺度、多方向Contourlet变换的思想引入自适应光学图像去噪过程。
第5章基于帧选择技术和极大似然估计的自适应光学图像多帧联合去卷积算法。本章的研究内容包括自适应光学图像的PSF重建算法、帧选择技术、基于FS�睲LJD算法的多帧AO图像联合去卷积、实验结果及分析。本章内容也是本书的核心内容之一。
第6章基于正则化与改进期望值最大化算法的自适应光学图像复原。本章具体研究内容包括基于图像功率谱密度及约束图像支持域的去噪方法、期望值最大化方法原理简介、AO图像代价函数模型及参数估计、基于RT�睮EM算法的多帧AO图像高清晰复原、AO图像复原实验及结果分析。本章提出与正则化相结合的改进期望值最大化方法的多帧自适应光学图像复原算法，也是本书的核心内容之一。
第7章基于双校正器的自适应光学系统的改进与仿真分析。本章的研究内容包括双校正器的组合方式分析、基于双校正器自适应光学系统像差解耦算法、基于双校正器的自适应光学系统的改进、实验结果和分析。本章的研究内容能够有效地提高像差的空间校正能力。
第8章总结与展望。本章作为本书的结尾，总结全书的主要研究内容和结论，阐述主要创新点，并对后续工作进行了展望。
随着自适应光学成像技术的广泛应用，本书的适用领域包括空对地遥感观测成像、地对空观测成像、空中目标观测成像、激光传输、激光腔内像差校正、人眼像差的检测与校正、光束整形、激光相干层析等领域，并在各应用领域具有广阔的发展前景。
本书是在长春工业大学资助下，以及国家留学基金资助项目(No.201508220093)、吉林省教育厅十二五重点规划项目等支持下完成的。值此专著完成之际，诚挚感谢长春工业大学的资金支持，感谢长春理工大学信息化中心苏伟教师、澳大利亚联邦科学与工业组织数据61所(CSIRO Data61)孙长明科学家的热情帮助和指点，感谢云南天文台提供实验数据，对参考文献中的作者们表示衷心的感谢。
本书由张丽娟和李东明共同执笔，参加本书编写工作的还有杨进华、王珺楠、李超然等老师。
由于作者水平所限，加之自适应光学领域纵深宽广，书中难免有考虑不周之处，诚请读者和同行专家批评指正。
作者的电子邮箱： ldm0214@163.com

作 者2017年4月 于长春

《现代材料科学基础与应用：前沿进展与挑战》 内容简介： 本书系统梳理了材料科学领域的前沿进展与关键挑战，旨在为材料学、物理学、化学、工程学等相关领域的科研人员、研究生以及行业工程师提供一份全面、深入的参考资料。全书聚焦于新材料的理性设计、性能调控以及在尖端技术中的实际应用，内容涵盖了从基础理论到最新实验技术的广泛范畴。 第一部分：材料科学基础理论的深化与拓展 本部分致力于回顾并深化读者对材料科学核心概念的理解，并探讨当前理论框架的局限性与未来的发展方向。 第一章：原子尺度下的结构与性能关联 本章首先回顾了晶体结构、缺陷理论在理解宏观材料性能中的基础作用。重点探讨了短程有序与长程有序在非晶态材料和准晶体中的表现形式。随后，引入了第一性原理计算方法（如密度泛函理论DFT）在预测材料电子结构、能带结构以及力学性能中的精确性与局限性。详细分析了缺陷工程——位错、空位、间隙原子等——如何通过改变材料的本征性质，实现性能的定制化。探讨了电子-声子耦合、电子-磁矩耦合等微观相互作用对材料热学和电学性能的调控机制。 第二章：热力学与相变动力学的先进模型 本章深入探讨了复杂体系（如多组元合金、高熵材料）的热力学稳定性分析。阐述了相图构建中的新方法，特别是非平衡态热力学在描述快速凝固、烧结等过程中的应用。重点讨论了相变动力学中的形核与长大理论的修正，引入了非线性动力学模型来描述复杂微结构演化，例如扩散机制中的Cahn-Hilliard方程在界面演化中的应用。探讨了计算热力学工具（如CALPHAD方法）在预测复杂合金体系微观结构演化中的精度提升。 第二章：界面与表面科学的精密调控 材料性能在很大程度上由界面和表面决定。本章着重分析了不同类型界面（晶界、孪晶界、异质界面）的结构特征及其对电荷传输、机械强度和催化活性的影响。介绍了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、原子层沉积（ALD）等技术在界面结构表征中的最新突破。探讨了表面吸附、重构现象的量子化学模拟方法，以及如何通过界面工程来设计具有特定功能的异质结材料，例如在光电转换器件中的应用。 第二部分：功能材料的前沿探索与构筑策略 本部分聚焦于当前备受关注的功能材料体系，详细介绍其构筑原理、关键性能参数及其面向未来的应用场景。 第三章：能源存储与转换材料的革命 针对能源危机，本章系统介绍了下一代储能材料的研究进展。在锂离子电池领域，重点分析了固态电解质（如硫化物、氧化物）的离子电导率瓶颈及其界面阻抗问题。对于锂硫电池、钠离子电池，探讨了活性材料的体积膨胀抑制策略和电极结构设计。在光伏材料方面，深入解析了钙钛矿太阳能电池的载流子动力学、稳定性问题及其高效制备技术。此外，也涵盖了热电材料的ZT值提升策略，重点在于声子散射的有效控制。 第四章：先进磁性材料与自旋电子学 本章关注于基于自旋自由度的新一代信息处理技术。详细阐述了磁性拓扑绝缘体、反铁磁材料以及马格涅斯拓扑材料的物理特性。讨论了磁斯格明子（Skyrmions）的产生、稳定与操控机制，以及它们在超高密度存储器件中的潜力。介绍了自旋霍尔效应、反常霍尔效应在自旋电子器件（如MRAM）中的应用，并展望了室温量子磁性的研究方向。 第五章：生物医用材料的智能响应与集成 本章聚焦于材料与生命系统的交互作用。详细介绍了生物相容性、生物可降解性材料的设计原则。重点探讨了智能响应性材料（如pH、温度、光响应水凝胶）在药物控释系统中的应用。阐述了组织工程支架材料的力学性能匹配与孔隙结构优化，以及如何利用纳米材料构建具有信号传输能力的生物传感器。讨论了纳米颗粒在靶向治疗中的递送效率与体内毒理学问题。 第三部分：材料加工与表征技术的革新 材料科学的进步离不开先进的制造和表征手段。本部分探讨了实现复杂微纳结构精确控制的新技术。 第六章：增材制造与微纳加工技术 本章详细介绍了激光熔融、电子束束流等增材制造技术在金属、陶瓷和复合材料制造中的应用与挑战。特别关注于利用增材制造实现材料内部梯度结构和复杂拓扑结构的设计与实现。在微纳加工方面，深入分析了聚焦离子束（FIB）、纳米压印等技术在制备超构材料（Metamaterials）和二维材料异质结中的精确控制能力。讨论了实时监控技术在优化制造过程中的作用。 第七章：先进表征手段的深度解析 本章强调了实验表征在揭示微观机制中的决定性作用。系统介绍了同步辐射光源、自由电子激光等大科学装置在材料结构与动态过程研究中的最新应用，例如高时分辨的X射线吸收谱（XAS）对催化反应中间态的捕获。讨论了先进的表面分析技术，如二次离子质谱（SIMS）和正/负离子飞行时间质谱（ToF-SIMS）在痕量元素分析和三维成像中的应用。还包含了在极端条件下（高压、低温、高磁场）进行原位表征的技术要求与挑战。 第八章：计算材料学与人工智能的融合 本章探讨了计算工具对材料发现的加速作用。除了基础的分子动力学模拟外，重点介绍了机器学习（ML）和深度学习（DL）在材料数据库挖掘、高通量筛选以及构建材料性能预测模型中的应用。讨论了如何利用数据驱动的方法来弥补物理模型在处理复杂非线性体系时的不足，以及如何构建可解释性的材料AI模型，以指导实验设计。 本书结构清晰，内容涵盖了从基础理论到尖端应用的广阔视野，力求全面展现材料科学领域当前的研究热点、关键瓶颈以及未来的发展趋势。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计倒是挺引人注目的，那种深邃的蓝色和中间若隐若现的光束，很容易让人联想到科研的严谨和探索的神秘感。拿到书的时候，纸张的手感也相当不错，厚实而带有微微的纹理，翻阅起来有一种沉甸甸的实在感，这是我作为一名爱好者比较看重的细节。拿到这本书，其实是出于一种莫名的好奇心，因为“大气湍流”和“图像复原”这些词汇，虽然专业，但又带有一种科幻电影里才会出现的神秘色彩。我一直对那些能够“化腐朽为神奇”的技术很感兴趣，比如古籍修复、数字修复老照片等等，总觉得背后蕴含着一种智慧的魅力。这本书的标题，让我联想到那些在恶劣天气下拍摄的模糊照片，在经过一番“魔法”处理后，变得清晰起来的场景。我脑海中浮现出的画面是，在一个观测站里，科学家们盯着屏幕，通过复杂的算法和精密的设备，一点点地剥离掉影响图像质量的“杂质”，最终呈现出令人惊叹的细节。这种从“无”到“有”，从“模糊”到“清晰”的过程，本身就充满了吸引力，也让我对书中可能涉及到的具体技术充满了期待，想知道那些“幕后英雄”是如何工作的，究竟是怎样的原理让光线在经过扭曲后能够被重新“驯服”。

评分☆☆☆☆☆

我个人对光学和物理学中的一些基本原理一直抱有浓厚的兴趣，尤其是一些涉及到光线传播和干涉的现象。这本书的副标题“大气湍流退化图像复原技术研究”立刻抓住了我的眼球，因为“大气湍流”这个概念，我曾在一些天文学和气象学的科普读物中接触过，知道它是导致望远镜观测和远距离通信图像质量下降的一个重要因素。我一直很想深入了解，究竟是什么样的物理机制导致了这种“扭曲”和“模糊”，以及科学家们是如何理解并量化这种影响的。更重要的是，这本书标题中的“图像复原技术”，让我联想到那些高难度的科研项目，比如太空探索中对来自遥远星系的微弱信号进行处理，或者是在复杂环境下对目标进行精确识别。我很好奇，在“大气湍流”这样一个充满不确定性和随机性的环境中，是如何通过“自适应光学”这样一种主动的、动态的调整机制，来补偿并消除这些不利影响的。我期待书中能够详细阐述自适应光学系统的工作原理，比如波前传感器的作用、变形镜的控制方式，以及它们如何协同工作，实时地校正图像的畸变。对于我来说，这不仅仅是关于图像的清晰度，更是对人类智慧如何克服自然界挑战的一种探索。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，我是一名初入光学工程领域的学生，对于“大气湍流”和“自适应光学”这些概念，目前还停留在一些基础性的认知阶段。我的导师曾经向我推荐过一些相关的经典文献，但总觉得它们的理论性太强，有时候会显得有些枯燥。然而，这本书的标题，却意外地引起了我更深层次的兴趣。它似乎提供了一个更具体的应用场景，将那些抽象的物理原理与实际的图像处理问题联系了起来。我之所以对这本书感到好奇，是因为我渴望找到一种能够将我所学的理论知识，转化为解决实际工程问题的桥梁。我相信，这本书的“研究”二字，意味着它不仅仅是理论的堆砌，更有可能包含了大量的实验数据、仿真结果和案例分析。我非常期待能够从中学习到，在真实的、复杂的“大气湍流”环境下，是如何设计和实现一套有效的“自适应光学”系统的。例如，书中会不会详细介绍不同类型的大气湍流模型，以及它们对光学系统性能的影响？会不会提供一些具体的算法，用于在图像中估计和补偿湍流引起的畸变？这些都是我目前非常感兴趣，但又缺乏系统性了解的方面。我希望这本书能给我带来启发，让我对这一领域有更全面、更深入的认识。

评分☆☆☆☆☆

作为一名影像处理的爱好者，我常常会在各种社交媒体上看到一些经过“神乎其技”般处理的图片，从模糊不清到细节毕现，总让我惊叹不已。虽然我知道很多都是通过后期软件实现的，但内心深处，我一直对那些能够真正“修复”图像的技术充满好奇，尤其是那些声称能够克服自然障碍的。这本书的书名，“基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究”，就给我一种这样的感觉。它听起来就像是电影里的情节，能够让那些在恶劣天气、远距离拍摄而模糊不清的画面，重新变得清晰可见。我猜想，这本书的核心内容，很可能是围绕着“自适应光学”这个技术展开的。我对这个词组本身就很有感觉，它暗示着一种智能化的、能够根据环境变化进行自我调整的光学系统。我非常想知道，这个“自适应”究竟是如何实现的？是通过物理上的镜面调整，还是通过算法上的智能补偿？书中是否会提供一些直观的图示，来展示自适应光学系统是如何工作的？例如，它如何感知并测量大气湍流造成的波前畸变，然后又如何通过某种方式来“压平”这些畸变，从而使得最终成像能够更加清晰？我更关心的是，这些技术在实际应用中，能带来怎样的改变，例如在天文学、军事侦察，甚至是普通的摄影领域，会有怎样的突破？

评分☆☆☆☆☆

我对技术研究的论文和书籍，总是有着一种近乎痴迷的探索欲，尤其当它涉及到一些前沿的、听起来就充满挑战的领域时。这本书的书名，《基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究》，可以说直接击中了我对科学技术的那份好奇心。我首先联想到的是太空探索，想象着通过巨大的天文望远镜，在地面上，在充满干扰的大气层下面，依然能够捕捉到宇宙深处最微弱的光芒。这里的“大气湍流”听起来就像是一个巨大的“隐形障碍”，而“自适应光学”则像是克服这个障碍的“超级武器”。我非常期待书中能够深入探讨自适应光学系统是如何工作的，包括它的各个组成部分，例如波前传感器（ wavefront sensor）和变形镜（deformable mirror）是如何精确协同的。我猜想，书中会详细介绍不同的波前传感技术，以及它们在不同条件下的优缺点。同时，对于变形镜，我也很想了解它的制造工艺和控制方法，它是如何实现快速、精确地改变其表面形状的。而“图像复原”部分，我期待它能提供一些具体的算法和数学模型，说明是如何利用自适应光学补偿后的数据，来重建出高质量图像的。这本书的“研究”二字，也意味着它可能会包含一些作者在实验中的发现和创新，这对我来说，是最具吸引力的部分，能够看到前沿研究的最新进展。