【摘要】：視場(chǎng)和分辨率是用來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)重要的指標(biāo),大視場(chǎng)高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)在密集場(chǎng)所人流監(jiān)控、國(guó)土測(cè)量等方面有著廣泛的應(yīng)用。但是,對(duì)于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō),在不使用分辨率更高的探測(cè)器或者性能更好的成像系統(tǒng)情況下,無(wú)法從根本上解決大視場(chǎng)與高分辨率兼顧的問(wèn)題。因此,借助近年來(lái)迅速發(fā)展的計(jì)算光學(xué)手段,結(jié)合傳統(tǒng)的成像光學(xué)系統(tǒng),可以在僅提升少量的成本下兼顧大視場(chǎng)和高分辨率的性能~([1])。本文從多孔徑成像技術(shù)出發(fā),借助棱鏡偏折視場(chǎng)的能力,設(shè)計(jì)出了可見(jiàn)光波段多孔徑棱鏡陣列光學(xué)系統(tǒng),借助圖像拼接配準(zhǔn)等手段,可以實(shí)現(xiàn)重疊區(qū)域超分辨、未重疊區(qū)域不損失原有分辨率的大視場(chǎng)變分辨率的目標(biāo)�，F(xiàn)階段多孔徑成像系統(tǒng)依據(jù)探測(cè)器的相對(duì)位置可分為共心結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu),本文中選用棱鏡陣列多孔徑平面結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)的多孔徑系統(tǒng)并未能較大幅度的增加視場(chǎng)角,借助棱鏡對(duì)視場(chǎng)的偏折能力,即增加一側(cè)的視場(chǎng)角同時(shí)減小另一側(cè)的視場(chǎng)角,選取合適的楔角可以使得偏折后的視場(chǎng)大小和原視場(chǎng)大小近似,保證引入棱鏡不會(huì)降低分辨率。同時(shí),還可以利用復(fù)合棱鏡組合消色差原理對(duì)引入的色差進(jìn)行控制。在參考其他已經(jīng)設(shè)計(jì)出的多孔徑光學(xué)成像系統(tǒng),本文對(duì)可見(jiàn)光波段的多孔徑系統(tǒng)采用3?3陣列排布方式,設(shè)計(jì)指標(biāo)要求最終的成像視場(chǎng)達(dá)到140??105?,實(shí)物尺寸不超過(guò)200mm?200mm?200mm。前期光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行加工裝調(diào)工作,利用優(yōu)化好的系統(tǒng)實(shí)物進(jìn)行實(shí)景的圖像采集,將9個(gè)孔徑獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理以校正棱鏡引入的畸變,將9張無(wú)畸變的圖像進(jìn)行插值并投影至高分辨率物空間網(wǎng)格,本文基于改進(jìn)的SURF算法,利用亞像素級(jí)的圖像配準(zhǔn)重構(gòu)出重疊區(qū)域超分辨、未重疊區(qū)域不損失原有分辨率的大視場(chǎng)成像效果。最終的結(jié)果滿足系統(tǒng)規(guī)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
【圖文】：

1.2 多孔徑光學(xué)系統(tǒng)及圖像變分辨技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.2.1 多孔徑光學(xué)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀20 世紀(jì) 30 年代，隨著二戰(zhàn)的爆發(fā)，雷達(dá)技術(shù)也開(kāi)始興起，經(jīng)過(guò)二三十年的高速發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)已不僅僅只限于軍用方面，但是，一直發(fā)展到 20 世紀(jì) 50 年代所有雷達(dá)都是單雷達(dá)形態(tài)，50 年代后期，通過(guò)使用合成孔徑技術(shù)的雷達(dá)有效的提升了角分辨率并很快裝備于戰(zhàn)略偵察機(jī)執(zhí)行任務(wù)。受合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的啟發(fā)，在 70年代，Meinel 及 Shack 等人率先提出將多孔徑技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)中提高分辨率的理論[31]，，然而受限于彼時(shí)其他技術(shù)的限制，無(wú)法迅速將該理論應(yīng)用于實(shí)際。得益于美國(guó)政府和軍方的支持，在短時(shí)間內(nèi)便搭建了多座地基多孔徑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這一舉措為光學(xué)多孔徑系統(tǒng)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。早在 1979 年，亞利桑那大學(xué)的研究人員在某一山頂處建造了一個(gè)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（Multiple Mirror Telescope），如圖 1-1 所示。

望遠(yuǎn)鏡都有一個(gè)直徑為 1.8m 的主鏡和其配套的副鏡。通過(guò)將這 6 架小望遠(yuǎn)鏡線結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于口徑為 4.5m 的望遠(yuǎn)鏡所能達(dá)到的分辨能力，使為那時(shí)世界上第三大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，相對(duì)于同級(jí)別的望遠(yuǎn)鏡，該套設(shè)備的價(jià)格和難度均較低，但是在經(jīng)歷 19 年的服役后，這臺(tái)系統(tǒng)的成像精度以及復(fù)雜繁瑣動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程不宜繼續(xù)使用，再加上亞利桑那大學(xué)在大型透鏡的生產(chǎn)工藝方面步，使得該系統(tǒng)于 1998 年被拆除并替換成主鏡為 6.5m 的單孔徑系統(tǒng)。1995 年美國(guó)空軍成功搭建出名為多孔徑望遠(yuǎn)測(cè)試平臺(tái)（Multipurpose MultipelescopeTestBed，MMTT）的可用于多用途的觀測(cè)系統(tǒng)[32-34]，MMTT 第一次利驗(yàn)手段測(cè)試出多孔徑光學(xué)系統(tǒng)的 PSF，如圖 1-2 所示。這套系統(tǒng)由 4 個(gè)相同的構(gòu)成，每個(gè)孔徑的直徑為 200mm，MMTT 使用的光源為激光點(diǎn)光源，整個(gè)系終的有效視場(chǎng)角為 0.25°，但是，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)視場(chǎng)角度大于 0.029°時(shí)，統(tǒng)的成像質(zhì)量便開(kāi)始急劇下降，盡管如此，MMTT 系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)仍舊是第一個(gè)場(chǎng)多孔徑望遠(yuǎn)系統(tǒng)。然而，這套系統(tǒng)僅限于在實(shí)驗(yàn)室中做某些測(cè)試，并未量產(chǎn)模使用。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O439;TP391.41

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本文編號(hào)：2618132