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青托人才成长故事—刘雪峰:计算成像,以计算突破极限
发布时间: 2022年4月26日

简介

刘雪峰,博士,中国科学院国家空间科学中心副研究员。主要开展智能化光学成像系统的理论研究和仿真工作,及高分辨率中红外相机的研制。

刘雪峰在托举期间承担国家重点研发计划重点专项“极限灵敏度超分辨全天时空间量子成像技术”子课题、某基金重点项目、国家自然科学基金青年基金等5个科研项目;发表SCI论文7篇;申请发明专利6项,并授权2项;任中国空间科学学会理事一职;协助培养硕士研究生2名。

计算成像,以计算突破极限

 

光学成像技术在我们的科研和生活中无处不在,望远镜、显微镜、照相机都属于光学成像设备。随着技术水平的不断提高,光学成像设备的性能也在不断完善,甚至接近极限。因此,光学成像技术的进一步发展也变得愈发困难。近年来,计算成像得到越来越多的关注,与传统成像相比,计算成像不再采用“所见即所得”的信息获取方式,而是在光学成像中引入计算过程,将物理问题转化为数学问题,通过对光场信息的调制、采集和计算,实现对光学成像性能极限的突破,为光学成像技术的发展开辟了新的方向。

刘雪峰从2008年进入中科院空间中心进行研究生学习时起就一直从事计算成像的研究,在国际上首次实现太阳光关联成像实验,之后又实现了基于光子计数的压缩感知成像和光谱成像。但在这些研究中,他始终有一个疑惑,那就是如何将这些新的技术与实际应用相结合,真正发挥出价值。

2018年,刘雪峰在中国空间科学学会的推荐下入选了中国科协第四届青年人才托举工程,科协青托不仅能够提供经费上的支持,而且为青年科研人员营造出更宽松的环境,指导他们过好“科研黄金期”,这也给了刘雪峰一个很好的机会,让他能够在将计算成像技术推向应用方向上做出进一步的工作。

在托举导师的指导下,刘雪峰带领研究团队开展了像素超分辨成像的研究。在中远红外、太赫兹等波段的成像中,由于探测器发展尚不成熟,阵列规模较低,制约了整个成像系统的分辨率;而在航天领域的应用中,高分辨率的探测器也会极大增加系统成本,降低工程可行性。因此,如果能够利用低分辨率探测器实现高分辨率成像,有望对红外成像相关领域产生重要意义。

在青托项目支持下,刘雪峰及其团队提出了基于并行压缩感知原理的像素超分辨成像方法,这一方法利用高分辨率的空间调制为成像系统提供所需的空间分辨率,从而降低了成像分辨率对探测器像素规模的要求。针对计算成像中普遍存在的成像质量和成像速度问题,提出了基于压缩采样的快速精确标定方法和全局重建算法,显著提高了超分辨成像的图像质量;开发了基于GPU的并行压缩感知重建平台,达到了实时的超分辨重建速度。在此基础上,研制了高分辨率中红外成像原理样机,该样机能够以320×256分辨率的探测器获得1280×1024分辨率的中红外图像,实现4×4倍的分辨率提高以及实时成像速度。利用该样机对实验室内分辨率靶标和外场真实目标分别进行了测试,均达到预期效果。这一技术有望在红外成像、对地遥感等领域产生广泛的应用价值。

在“青年人才托举工程”支持下,刘雪峰共发表SCI论文7篇,申请发明专利6项,其中2项已获得授权,作为负责人承担科技部重点研发计划重点专项子课题1项,某基金重点项目1项。

下一步,刘雪峰将继续在计算成像领域进行深入研究,充分利用深度学习等最新研究成果,通过不同技术的交叉融合提高计算成像的性能水平,解决计算成像在超分辨成像、量子成像等国家亟需领域应用中存在的技术性问题和工程实现问题,矢志奋斗,逐梦前行,为我国航天事业的发展贡献更大的力量。