2025年微光成像技術(shù)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.微光成像系統(tǒng)中，決定其最低可探測(cè)照度的核心參數(shù)是（）。A.量子效率B.暗電流C.信噪比（SNR）D.動(dòng)態(tài)范圍2.三代像增強(qiáng)器區(qū)別于二代的關(guān)鍵改進(jìn)是（）。A.采用微通道板（MCP）B.引入負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）光電陰極C.增加光纖面板耦合D.優(yōu)化熒光屏材料3.微光圖像中“雪花噪聲”主要來源于（）。A.熱噪聲B.散粒噪聲C.讀出噪聲D.1/f噪聲4.下列器件中，更適合低照度長(zhǎng)時(shí)間積分成像的是（）。A.CCDB.CMOSC.ICCD（增強(qiáng)型CCD）D.sCMOS（科學(xué)級(jí)CMOS）5.微光成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）在10lp/mm處值為0.3，表明該系統(tǒng)（）。A.能分辨10線對(duì)/毫米的細(xì)節(jié)，對(duì)比度保留30%B.能分辨3線對(duì)/毫米的細(xì)節(jié)，對(duì)比度保留10%C.最大可分辨10線對(duì)/毫米的細(xì)節(jié)D.噪聲抑制能力為30%6.非均勻性校正（NUC）技術(shù)主要用于解決微光成像中的（）問題。A.動(dòng)態(tài)范圍不足B.像素響應(yīng)不一致C.運(yùn)動(dòng)模糊D.色偏7.微光成像中，近紅外（NIR）增強(qiáng)技術(shù)的主要原理是（）。A.擴(kuò)展光電陰極的光譜響應(yīng)范圍至700-1000nmB.增加圖像亮度的數(shù)字放大C.降低探測(cè)器工作溫度D.優(yōu)化微通道板的增益均勻性8.下列參數(shù)中，直接影響微光成像系統(tǒng)探測(cè)距離的是（）。A.探測(cè)器像元尺寸B.光學(xué)鏡頭的F數(shù)C.圖像存儲(chǔ)格式D.數(shù)據(jù)傳輸速率9.微光圖像自適應(yīng)直方圖均衡（AHE）的核心目的是（）。A.提高全局對(duì)比度B.抑制局部過增強(qiáng)C.降低計(jì)算復(fù)雜度D.實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理10.與傳統(tǒng)微光像增強(qiáng)器相比，數(shù)字微光成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)不包括（）。A.動(dòng)態(tài)范圍更大B.可集成智能算法C.體積更小巧D.絕對(duì)靈敏度更高二、填空題（每空1分，共20分）1.微光成像技術(shù)的典型工作照度范圍是______，其核心是將______信號(hào)轉(zhuǎn)換為______信號(hào)并進(jìn)行增強(qiáng)。2.像增強(qiáng)器的基本結(jié)構(gòu)包括______、______和______三部分，其中______是實(shí)現(xiàn)電子倍增的關(guān)鍵器件。3.微光探測(cè)器的噪聲主要包括______、______、______和______，其中______是低照度下的主要噪聲源。4.微光圖像超分辨率重建的常用方法有______、______和______，其核心是利用______信息提升分辨率。5.微光成像系統(tǒng)的探測(cè)距離計(jì)算公式為______，其中關(guān)鍵參數(shù)包括______、______和______。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述微光成像中“信噪比（SNR）”的定義及其對(duì)成像質(zhì)量的影響。2.比較ICCD（增強(qiáng)型CCD）與EMCCD（電子倍增CCD）的工作原理差異，并說明各自適用場(chǎng)景。3.分析微光圖像中運(yùn)動(dòng)模糊的成因及常用校正方法。4.說明非均勻性校正（NUC）的兩點(diǎn)校正法原理，并推導(dǎo)其校正公式。5.簡(jiǎn)述深度學(xué)習(xí)在微光圖像增強(qiáng)中的應(yīng)用策略（至少列舉3種算法）。四、計(jì)算題（15分）某微光成像系統(tǒng)參數(shù)如下：光電陰極量子效率η=0.45，暗電流I_d=20pA，積分時(shí)間t=50ms，像元面積A=6μm×6μm，入射光子通量Φ=100光子/(s·mm2)，電子電荷e=1.6×10?1?C。（1）計(jì)算像元接收的總光子數(shù)N_p；（2）計(jì)算光生電子數(shù)N_s和暗電子數(shù)N_d；（3）若讀出噪聲N_r=15e?，計(jì)算系統(tǒng)信噪比SNR（以分貝表示）。五、綜合分析題（25分）設(shè)計(jì)一套應(yīng)用于夜間安防的低照度微光成像系統(tǒng)，要求：（1）明確核心器件選型（探測(cè)器、光學(xué)鏡頭、圖像處理器）；（2）分析系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)（如最低可探測(cè)照度、分辨率、動(dòng)態(tài)范圍）；（3）提出噪聲抑制與圖像增強(qiáng)的技術(shù)方案；（4）說明系統(tǒng)在雨霧天氣下的適應(yīng)性改進(jìn)措施。答案及解析一、單項(xiàng)選擇題1.C解析：信噪比直接決定系統(tǒng)能否從噪聲中提取有效信號(hào)，是最低可探測(cè)照度的核心指標(biāo)。2.B解析：三代像增強(qiáng)器采用NEA光電陰極，量子效率更高，響應(yīng)波長(zhǎng)更寬。3.B解析：散粒噪聲由光子入射的統(tǒng)計(jì)漲落引起，表現(xiàn)為“雪花”狀隨機(jī)噪聲。4.D解析：sCMOS結(jié)合了CCD的低噪聲和CMOS的高速讀出，適合長(zhǎng)時(shí)間積分。5.A解析：MTF表示特定空間頻率下的對(duì)比度保留能力，10lp/mm處0.3指該頻率細(xì)節(jié)的對(duì)比度為原對(duì)比度的30%。6.B解析：NUC通過校正各像素響應(yīng)差異，消除固定圖案噪聲（FPN）。7.A解析：近紅外增強(qiáng)通過擴(kuò)展光電陰極材料（如GaAs）的響應(yīng)范圍至近紅外波段。8.B解析：鏡頭F數(shù)越小（通光量越大），系統(tǒng)接收光子越多，探測(cè)距離越遠(yuǎn)。9.B解析：AHE通過局部直方圖限制，避免全局均衡導(dǎo)致的過增強(qiáng)（如噪聲放大）。10.D解析：數(shù)字系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍和智能性更優(yōu)，但絕對(duì)靈敏度（單光子探測(cè)能力）仍弱于傳統(tǒng)像增強(qiáng)器。二、填空題1.10?3lx~10??lx（或“低照度”）；光；電（或“電子”）。2.光電陰極；微通道板（MCP）；熒光屏；微通道板（MCP）。3.散粒噪聲；熱噪聲；讀出噪聲；1/f噪聲；散粒噪聲。4.插值法；重建法；學(xué)習(xí)法（或“深度學(xué)習(xí)法”）；多幀或先驗(yàn)。5.R=√[(L·τ·D2·η·t)/(4π·NEP)]（或其他合理形式）；目標(biāo)輻射亮度（L）；光學(xué)透射率（τ）；探測(cè)器噪聲等效功率（NEP）。三、簡(jiǎn)答題1.信噪比定義為信號(hào)電子數(shù)與噪聲電子數(shù)的比值（SNR=N_s/√(N_s+N_d+N_r2)）。SNR≥1時(shí)可分辨目標(biāo)，SNR越高，圖像細(xì)節(jié)越清晰；SNR<1時(shí)目標(biāo)淹沒于噪聲中，無(wú)法識(shí)別。2.ICCD通過像增強(qiáng)器（如MCP）先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子并倍增，再耦合至CCD成像；EMCCD則在CCD內(nèi)部通過倍增寄存器對(duì)信號(hào)電子進(jìn)行片上倍增。ICCD適合極弱光（單光子級(jí)）短曝光，EMCCD適合需要高幀頻的低照度場(chǎng)景（如熒光成像）。3.運(yùn)動(dòng)模糊由成像過程中目標(biāo)與探測(cè)器相對(duì)運(yùn)動(dòng)、積分時(shí)間內(nèi)光信號(hào)位置偏移引起。校正方法包括：（1）硬件層面縮短積分時(shí)間或增加電子快門；（2）軟件層面通過盲去卷積（如Richardson-Lucy算法）估計(jì)模糊核并反卷積；（3）多幀對(duì)齊與融合（如光流法估計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量后疊加）。4.兩點(diǎn)校正法假設(shè)像素響應(yīng)為線性關(guān)系：輸出電壓V=G·N_s+O（G為增益，O為偏移）。通過均勻光照下的高（H）、低（L）兩個(gè)照度點(diǎn)，計(jì)算每像素的G和O：G=(V_H-V_L)/(N_H-N_L)，O=V_L-G·N_L。校正公式為N_s'=(V_input-O)/G。5.深度學(xué)習(xí)應(yīng)用策略：（1）生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）：如Low-LightGAN，通過對(duì)抗訓(xùn)練學(xué)習(xí)低照度到正常照度的映射；（2）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）：如Retinex-Net，分解圖像為反射圖和光照?qǐng)D，分別增強(qiáng)；（3）Transformer模型：如LightFormer，利用全局注意力機(jī)制捕捉長(zhǎng)程依賴，優(yōu)化細(xì)節(jié)保留；（4）自監(jiān)督學(xué)習(xí)：利用無(wú)標(biāo)簽數(shù)據(jù)訓(xùn)練，解決標(biāo)注樣本不足問題（如通過合成低照度圖像）。四、計(jì)算題（1）像元面積A=6μm×6μm=36μm2=3.6×10??mm2總光子數(shù)N_p=Φ·A·t=100光子/(s·mm2)×3.6×10??mm2×50×10?3s=1.8×10??光子（注：實(shí)際場(chǎng)景中Φ單位可能為光子/(s·cm2)，若修正為100光子/(s·cm2)=10?2光子/(s·mm2)，則N_p=10?2×3.6×10??×50×10?3=1.8×10??，顯然不合理，故假設(shè)Φ單位為光子/(s·cm2)，修正后Φ=100光子/(s·cm2)=1光子/(s·mm2)，則N_p=1×3.6×10??×50×10?3=1.8×10??，仍過小，可能題目中Φ應(yīng)為10?光子/(s·mm2)，此處按合理假設(shè)Φ=10?光子/(s·mm2)計(jì)算）修正后N_p=10?×3.6×10??×50×10?3=18光子。（2）光生電子數(shù)N_s=η·N_p=0.45×18=8.1e?暗電子數(shù)N_d=I_d·t/e=20×10?12A×50×10?3s/(1.6×10?1?C)=6250e?（注：實(shí)際暗電流通常為pA級(jí)，此計(jì)算中暗電子數(shù)遠(yuǎn)大于光電子數(shù)，符合低照度場(chǎng)景特征）（3）總噪聲N=√(N_s+N_d+N_r2)=√(8.1+6250+152)=√(6250+225+8.1)=√6483.1≈80.5e?SNR=10lg(N_s/N)=10lg(8.1/80.5)=10lg(0.1)=-10dB（注：結(jié)果為負(fù)，說明此時(shí)信號(hào)淹沒于噪聲中，符合極低照度場(chǎng)景）五、綜合分析題（1）器件選型：-探測(cè)器：選用sCMOS（如索尼IMX585），兼顧低噪聲（讀出噪聲<2e?）、高量子效率（η>70%@500nm）和寬動(dòng)態(tài)范圍（>70dB）；-光學(xué)鏡頭：F1.0大光圈定焦鏡頭（通光量是F2.0的4倍），波長(zhǎng)覆蓋400-1000nm（兼容可見光+近紅外）；-圖像處理器：采用XilinxZynqUltraScale+MPSoC，集成FPGA加速（用于實(shí)時(shí)去噪、增強(qiáng)）和ARM核（運(yùn)行深度學(xué)習(xí)模型）。（2）關(guān)鍵指標(biāo)：-最低可探測(cè)照度：≤10??lx（依賴sCMOS低噪聲和大光圈鏡頭）；-分辨率：1920×1080（200萬(wàn)像素），配合MTF≥0.4@50lp/mm的鏡頭，可分辨5m外0.1m細(xì)節(jié)；-動(dòng)態(tài)范圍：≥70dB（sCMOS原生動(dòng)態(tài)范圍+數(shù)字?jǐn)U展），適應(yīng)夜間路燈與陰影的對(duì)比度。（3）噪聲抑制與增強(qiáng)方案：-噪聲抑制：①探測(cè)器制冷（Peltier降溫至-20℃，降低熱噪聲）；②相關(guān)雙采樣（CDS）抑制讀出噪聲；③多幀平均（3-5幀對(duì)齊后疊加，抑制散粒噪聲）；-圖像增強(qiáng)：①自適應(yīng)直方圖均衡（CLAHE）提升局