Advanced Photonics Nexus 2024年第6期论文：

光学成像是现代科学的关键技术之一，被广泛用于遥感、天文学、军事监控、环境监测等多个领域。然而，当光线通过如雾、霾等大气散射介质时，其传播路径会受到空气中的颗粒物干扰，导致图像对比度和清晰度大幅下降，进而影响远距离目标的观测和识别。故提高恶劣天气条件下精确预测光学成像系统的性能是光学成像领域的挑战。

近日，中山大学刘忆琨副教授研究小组提出了一种全新的大气散射介质的物理模型。该模型全面考虑了光在大气中的传输行为、目标特征、成像系统的光学特性以及数字信号处理对图像的影响。理论分析及实验结果表明，该模型能精确预测光学成像系统在极端条件下的成像能力，量化其在散射介质中的角分辨率极限。这一模型提供了动态评估成像系统在大气散射介质中的能力的有力工具，为未来光学系统的设计提供了新的方向。相关成果以“Harnessing Optical Imaging Limit through Atmospheric Scattering Media”为题发表在Advanced Photonics Nexus 2024第6期上。

为了更准确地预测光学成像系统在大气散射介质中的极限，研究人员推导了一种全新的物理模型。与以往的模型不同，这一模型不仅考虑了光学系统的衍射极限和传感器灵敏度，还结合了目标物体特征、大气散射效应和现代信号处理技术对成像结果的影响。模型中引入了“ 感知因子”，该参数用于定量描述成像系统的信噪比（SNR）与人眼感知系统之间的关系，同时结合了信干比（SIR），用于评估数字化过程中信息的损失情况。

为了定量验证模型，研究人员设计了两组实验：一组是在实验室控制的雾仓中进行的，另一组则是在户外自然雾霾条件下进行的。通过这些实验，研究人员测试了不同的光学系统，包括红外和可见光相机，以及不同的镜头和信号处理算法。实验结果显示，物理模型与实际测量数据高度吻合，表明该模型能够准确预测大气散射条件下的成像极限。

图1 大气散射介质分辨率测量实验示意图

室内实验中，研究人员分别验证了SIR和SNR条件下的成像极限。通过与模型预测值的比较，我们能够准确得出不同条件下成像系统的角分辨率极限，并进一步理解影响图像质量的关键因素。

图2 室内雾仓实验结果（a）用于验证SIR条件的系统；（b）用于验证SNR条件的系统

在户外自然雾霾环境下，研究人员使用该模型预测了单帧成像（S-F）与多帧融合（M-F）成像系统的性能。实验结果表明多帧融合技术能够将成像距离延长1.2倍，并显著降低系统的感知因子。这说明，通过优化信号处理方法，可以在不更改硬件的情况下大幅提升成像系统的性能。

图3 室外实验结果

该研究提出的物理模型精确量化系统的角分辨率，可以动态评估大气散射条件下光学成像的极限。该模型可以有效预测在复杂介质中成像系统的分辨能力，并为理解在不同环境下的成像效果提供了理论支持。此外，研究还表明该模型在不同成像环境中具有广泛适应性，能够适用于静态或动态大气环境的复杂介质系统。作为一种全局特性，该模型为理解大气散射介质中光学成像的分辨能力提供了重要的理论基础，并有望应用于未来的成像系统设计和复杂环境中的成像效果预测，成为评估和优化光学系统在复杂介质中的成像能力的关键工具，尤其在国防、环境监测和天文学等领域具有广泛的应用潜力。未来工作将重点探讨模型在更多复杂介质条件下的适用性，并进一步优化模型的参数以提升其实用性。