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摘要散斑衬比度测量准确性问题是激光散斑衬比成像方法研究中的重要问题,其涉及的影响因素众多而复杂。本文就局部散斑衬比度的统计特征进行研究。本文的主要内容和结果如下：采用傅里叶变换法，数值模拟出完全静态散斑。选取合适空间窗长度，计算了模拟散斑图像的局部衬比度，拟合发现其呈对数正态分布。改变空间窗长度，并计算不同窗口长度时的局域散斑空间衬比的中值及标准差，拟合发现长度与中值及标准差均呈幂指数分布。考虑到空间分辨率及准确性的双重影响因素，认为 7x7 像素窗最优空间窗。 27338
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毕业论文关键字 局部散斑，衬比度，空间窗
Title Statistical Features of Local Speckle Contrast Abstract The accuracy of speckle contrast measurement is an important issue in the study of laser speckle contrast imaging, and many complex factors involve in it. In this paper, the local statistical features of speckle contrast are studied. The main contents and results are as follows: By Fourier transform method, we simulate a complete static speckle.With the selection of the appropriate length of space window, we calculate the local contrast of simulated speckle images, and then we find that it is fitting a lognormal distribution. We change spatial length of window to calculate the median and standard deviation of local speckle with different length of space window.They both fit the distribution of exponent. Taking into account the dual factors of spatial resolution and accuracy,I find that the 7x7 pixel window is the best. Keywords Local speckle,Contrast,Space window
目 次
1 绪论 1
1.1 激光散斑概述 1
1.2 激光散斑的进展 1
1.3 激光散斑的应用 2
1.4 课题研究目的和意义 3
1.5 本文主要内容 3
2 散斑局部衬比度统计方法相关原理及分析 4
2.1 散斑衬比度 4
2.1.1一阶统计特性 . 4
2.1.2二阶统计特性 . 5
2.2 影响散斑衬比度的因素 6
2.2.1曝光时间 . 6
2.2.2颗粒运动状态 . 7
2.3影响衬比度测量准确性的因素 . 7
2.3.1散斑尺寸 . 7
2.3.2空间工作窗长度 . 8
2.4 本章小结 8
3 空间窗长度对衬比度测量精度的影响 9
3.1 散斑模拟 9
3.2选取空间窗计算局部衬比度 11
3.3 不同空间窗长度的衬比值 . 13
3.4本章小结 14
结 论 15
致 谢 16
参考文献 . 17
1 绪论 1.1 激光散斑概述 散斑（Speckle）是一种在光学成像中普遍存在的现象，Newton 早在 1730 年就已经注意到在被随机介质散射之后，自然光源发出的照射光束会在自由空间构成一系列的明暗相间的条纹。在 1960年红宝石激光器出现后不久，科学家们在使用激光器的时候观察到了一种现象：当激光在表面不平整的地方反射或当激光通过折射率不均匀的介质的时候，在散射表面及附近光场能够看到光强随机分布的呈颗粒状的图像，这种现象就是激光散斑[1]。 1.2 激光散斑的进展 激光散斑现象引起科学家的注意及关注归功于连续激光器的发明和激光日益广泛的使用。在激光使用的早期，激光散斑现象是被看作扰乱光学成像系统的噪声，它会较大程度地干扰激光在像面上成像时的分辨能力。科学家们试图着通过限制孔径大小及改变孔径的时间平均的方法来削弱散斑这种噪声,此外，利用时间以及空间部分相干光照明的方法也较为常见。但不久之后，科学家以一种乐观的角度开始探究散斑的一些特有性质，并将其发展成一种新奇的、独特的光学计量工具[2]。 早在1975年， Briers[3-4] 就开展了散斑光强波动的波长与生物组织样本关系的探索， 1978 年，他在测量植物的运动和生长时的通过全息技术采集到了散斑波动。Fercher 和J.D.Briers[5]在 1981年指出，可以利用一次曝光的方法进行激光散斑成像，从而可以较快地获得流速分布信息。它的优点是曝光时间比较长，可以对在有激光照射条件下的监测区域进行拍照，因此可以让波动性比较大的激光散斑变得模糊。这个成像法也适用于对一些组织的血流分布成创，例如视网膜眼底部位等等。以 Oulamara [6]为代表的科学家在 1989 年提出可以根据激光散斑所具有的特性，即时间去相关性，可以较为方便的测出植物的生物活性；90 年代 ，激光散斑衬比分析技术被 J.D.Briers [7]等提出，此技术优点在于可以在不进行扫描的情况下，能得到非全局性的流速分布情况。这种技术凭借着无需接触、不会造成伤口、成像速度快的优点，在生命领域渐渐增大了运用范围，引领着激光散斑成像技术的前进方向。在美国，英国，德国的许多高校和研究机构都在研究这一个课题，同时国内也有很多机构，例如武汉大学、上海交通大学、华中科技大学等等在探索这一领域，并且取得了较可喜的进展。 最近几年，Chen H，Luo Q[8-9] 等研究者认为，利用时变散斑的时间统计特性以及时间衬比的方法，来发展现有的散斑成像技术。Völker [10]等人使用动态散斑场对样本进行照射时，得到的散斑图像具有独立的时间序列，该方法对减小散斑衬比噪声有显著效果，并且增大了空间分辨率。在动态散斑场照射时，还可以对样本的每一层进行分析然后显示出其图像，Ventalon C, Mertz J [11-12]等科研工作者在这种情况下，进行了散斑类共聚焦显微镜的研发制造，该显微镜无需通过扫描，就能够实现类共聚焦成像。以上提及的技术都是对激光散斑衬比成像技术的发展，而且也为其实际应用奠定了坚实的基础。 1.3 激光散斑的应用 激光散斑被广泛应用于天文物理、工业测量、信息处理和生命科学等领域。 在天文地理方面，在星体散斑观测中干涉测量术使用得较为广泛。大气扰动的因素使得在长时间曝光的条件下，通过天文镜观察的天体图像的分辨本领远远达不到望远镜的衍射极值。例如有一个望远镜，其半径 2.5 米，衍射极限角度约为150秒,但是在长时间曝光条件下只有 1角秒的分辨率。在短时间曝光条件下（约 3-9秒）,在星体的像上能观测到有形如散斑的结构，并且散斑和望远镜的爱里斑的大小具有相同的数量级。以双星举例，每个星产生的散斑图像是一样的，而由于两者存在角距离，在两个完全相同的散斑图像之间会产生空间上的微小距离，因而会出现周期条纹，这些条纹与杨氏干涉很相似。在计算双星角距离的时候可以依靠该条纹信息，通过对此方法的进一步深化推广可以得到星体的图像[13]。 在工业测量方面，散斑特性在散斑干涉量度方面实现了充分运用。这种方法在量取非镜面反射物体具有比较灵敏的反应。在测量物体的位移、振动和形变时候利用散斑图样已经在无损检验的已是举足轻重。它的优点在于通过散斑大小的调节来适应检测器（例如胶片、电视等）的分辨率的时候并不会有减小准确性等不良后果。对物体表面粗糙度的测量也可以利用散斑的统计性质，如果照明光波的波长大于表面均方根粗糙度，则测定粗糙度可以由的反衬度来实现[14]。 在处理信息的时候，利用散斑图像，可以编码和解码图像信息并实现图像相减、对衬度反转等。 在生命科学领域，这也是近年来发展最为快速的方面。散斑衬比度成像法由于有着在实现大范围二文流速成像时快速、高分辨率、不用扫描的特点,广泛应用于脑组织、皮肤、关节、眼底视网膜以及肠系膜等生物组织的血流检测[15]。散斑衬比度成像这项技术作为科研工具在反映生物组织功能活动、揭示疑难杂症的患病机理以及药物效果评价方面有着重大的推动促进作用。同时,该方法因为你快速、非接触、系统结构简单这些特点应用在种子活力快速检测方面具有较为重大的发展价值,同时也是一种潜在的检测手段可以应用于农业生产的选种、育种及作物储藏[16]。 1.4 课题研究目的和意义 当使用激光照射成像表面，入射的相干光被组织中散射颗粒所散射，而散射光经过干涉便形成了明暗相间的图样，这样的图样被称之为散斑。散斑会随着散射颗粒的运动而产生去相关效应，在一定的曝光时间内，散斑的衬比度会随之降低。因而散斑衬比度与曝光时间、颗粒运动状态之间存在一定联系。散斑图样的空间采样以及用来计算衬比度的像素个数会影响估计精度， 因此本课题的主要目的是利用数值模拟的方法分析局部散斑衬比度的统计特征。 1.5 本文主要内容 激光散斑衬比度在应用广泛的激光散斑衬比成像研究举足轻重。本文针对激光散斑衬比度，主要从以下几个方面展开研究工作 1. 介绍激光散斑的实现过程以及散斑衬比的统计学基础，详细描述了激光散斑的一阶统计特性，介绍了激光散斑的二阶统计方法及其应用； 2. 介绍了影响散斑衬比度的因素，包括曝光时间及颗粒运动状态；还阐述了影响散斑衬比度测取精确度因素，包含散斑尺寸对静态、动态散斑测量大小的影响，以及引出本文主要研究对象，空间窗长度与散斑测量精准度的关系； 3. 利用 Matlab 进行激光散斑的数值模拟及局部区域的取样计算，计算出整体散斑衬比度及局部区域衬比度，然后利用 Origin 拟合出衬比度与空间窗长度之间的关系；
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