相干場成像技術(shù),又稱為傅里葉望遠(yuǎn)鏡,是一種對遠(yuǎn)距離暗弱目標(biāo)進(jìn)行高分辨率成像的成像技術(shù)。其成像原理是利用相干光束產(chǎn)生的干涉條紋場對目標(biāo)的頻譜信息進(jìn)行調(diào)制,從反射接收信號中解調(diào)出頻譜并重構(gòu)圖像。該技術(shù)憑借著高分辨率與主動(dòng)成像的優(yōu)勢,在空間目標(biāo)識別與監(jiān)測方面具有重要應(yīng)用潛力。作為一種計(jì)算間接成像技術(shù),后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過程對最終重構(gòu)圖像的質(zhì)量影響較大。為了更好地提高重構(gòu)圖像的質(zhì)量,本文對相干場成像的圖像重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了研究,主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 1.從干涉場與目標(biāo)頻譜編碼的數(shù)學(xué)原理出發(fā),介紹了相干場成像的系統(tǒng)組成及成像過程,以T型等間隔發(fā)射鏡陣列為例,重點(diǎn)闡述了其圖像重構(gòu)技術(shù),包括頻譜解調(diào)、相位閉合及圖像重構(gòu)算法等,為后續(xù)的圖像重構(gòu)技術(shù)研究打下基礎(chǔ)；以發(fā)射鏡的位置誤差為例,對誤差傳遞函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo),以此為依據(jù)對發(fā)射鏡位置誤差影響進(jìn)行分析。 2.基于現(xiàn)有圖像重構(gòu)算法的不足,引入在相干測量中的相位恢復(fù)算法,與傳統(tǒng)重構(gòu)算法結(jié)合,形成一種基于迭代的圖像重構(gòu)方法。其出發(fā)點(diǎn)是相干場成像解調(diào)頻譜的幅值抗噪能力較強(qiáng),畸變小,而相位抗噪能力較差,畸變相對大,傳統(tǒng)重構(gòu)算法對解調(diào)頻譜進(jìn)行逆傅里葉變換,沒能夠利用幅值畸變小的優(yōu)勢,迭代重構(gòu)方法取解調(diào)頻譜的幅值作基礎(chǔ),利用相位恢復(fù)算法逐步恢復(fù)相位信息,并輔之以直接重構(gòu)算法獲得圖像信息作約束,最終得到優(yōu)化解。對解調(diào)頻譜的幅值和相位的抗噪聲能力的差異進(jìn)行了理論分析,對迭代重構(gòu)方法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、外場實(shí)驗(yàn),結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。 3.基于O型發(fā)射鏡陣列相干場成像解調(diào)頻譜分布特點(diǎn),引入頻譜外推的超分辨率方法,形成一種針對O型發(fā)射鏡陣列和其它類似發(fā)射鏡陣列的相干場圖像超分辨率重構(gòu)方法。O型發(fā)射鏡陣列相干場成像具有系統(tǒng)體積緊湊、頻率抽樣點(diǎn)數(shù)多的優(yōu)點(diǎn),但是系統(tǒng)等效口徑小、頻譜分布不均勻、頻譜效率低�；诔闃佣ɡ淼念l譜外推方法能夠?qū)㈩l率抽樣點(diǎn)數(shù)多的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為外推帶寬,同時(shí)將分布不均勻、效率低的頻譜轉(zhuǎn)化為均勻分布頻譜,在提高成像分辨率的同時(shí)可以提高圖像的質(zhì)量。對O型發(fā)射鏡陣列的相干場成像進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn),并對該方法的實(shí)用限制進(jìn)行了分析。此外,針對美國SAINT計(jì)劃的成像系統(tǒng)進(jìn)行了該方法的應(yīng)用分析及仿真。 4.基于多光束相干場成像技術(shù)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)一套多光束相干場成像地面驗(yàn)證系統(tǒng)。系統(tǒng)分為發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分。發(fā)射系統(tǒng)采用T型等間隔發(fā)射鏡陣列,同時(shí)為了滿足采樣定理和增加頻率抽樣點(diǎn)數(shù),利用高精度導(dǎo)軌模塊對光束發(fā)射位置進(jìn)行切換。接收系統(tǒng)采用單塊大口徑反射鏡加二次聚光鏡組的方式進(jìn)行聚光。對系統(tǒng)參數(shù)和光機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),并加工裝調(diào)了分光模塊和導(dǎo)軌模塊,測試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。 5.基于設(shè)計(jì)的多光束地面驗(yàn)證系統(tǒng),進(jìn)行多光束微弱信號解調(diào)及圖像重構(gòu)技術(shù)研究。采樣時(shí)間內(nèi)探測系統(tǒng)接收光子數(shù)服從泊松分布,一次發(fā)射光束數(shù)量太多,散粒噪聲會(huì)很大,以致湮沒微弱的高頻信息。分析不同發(fā)射光束數(shù)量對高頻微弱信息的影響,選擇最優(yōu)的發(fā)射光束數(shù)量,并采用濾波+相關(guān)檢測法進(jìn)行高頻微弱信號解調(diào),相比傳統(tǒng)的濾波法,解調(diào)頻譜精度得到提高。參考3光束相干場成像技術(shù)的相位閉合方法,’對多光束解調(diào)頻譜進(jìn)行相位閉合。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TP391.41
【部分圖文】：

1999年MacDonald等人進(jìn)行了室內(nèi)二維目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn)[8]，首次通過實(shí)驗(yàn)方法獲得了二維目標(biāo)圖像。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。iDeam power and{>olar)2a)ion a<l]us{men! g印的郵?》一-「._ /0-s—如==?\ I 幫0v| [o> 8——a<Ji?slmemJ ::RS232i I rt nn'*"** // 3: 2S$ HzOPB Zm \ s (+110 MHz)frame 講命 b?r //^ .AOC nsa3WRS485 cwiv. // Vn、、、-—、j \ HHH 一.J \ c^-Z=> FT<mm ff \ _i. il "— 一^defector ,?ge, + 、■■、伽咖 、、■■?—— 圖1. 1相干場成像室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖同時(shí)期研究人員對大氣端流的影響分析作了大量工作[9-15]。1999年TimBrinkley等人研究了大氣端流及大氣抖動(dòng)效應(yīng)對相干場成像的影響[9]。圖1.2給出了大氣抖動(dòng)對相干場成像的影響，CT表征了抖動(dòng)程度。圖1.3給出了高階大氣瑞流擾動(dòng)對相干場成像的影響，6 / r。表征了瑞流擾動(dòng)程度。2002年Mikhail Helen等人研究了散斑、端流及散粒噪聲對相干場成像下行鏈路的影響[11],圖1.4給出了散斑、瑞流對解調(diào)相位的影響。結(jié)果表明瑞流對下行鏈路的影響很小，可以忽略不計(jì)。3

第1章緒論的T型支架上。光束的發(fā)射孔徑為40cm。激光器為Cr:LiSAF脈長為852nm。接收系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)由40個(gè)定日鏡組成，每個(gè)定日鏡，跟貓精度為Imrad。每個(gè)定日鏡對應(yīng)一個(gè)探測器，探測器為光電光敏面為2.5011。發(fā)射系統(tǒng)每次發(fā)射3束激光，每次發(fā)射需要200沖，全系統(tǒng)完成一次成像過程需要6-8個(gè)小時(shí)。

圖1.6 GLINT外場實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概念圖:KS. ? ? w ? w tap I⑷ W圖1.7 GLINT外場實(shí)驗(yàn)重構(gòu)圖像(a)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（b)光束大氣中傳輸1.5km結(jié)果GLINT計(jì)劃懫用每次發(fā)射3束激光的方案，要完成對目標(biāo)的頻譜掃描需量光束切換，耗時(shí)較長，不適用于對空間快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像。美國空軍啟動(dòng)了 SAINT (Satellite Active Imaging National Testbed)計(jì)劃，利用多場成像技術(shù)對低軌道快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行成像[20-21]。整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)射系系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)藝術(shù)植染圖如圖1.8所示。發(fā)射系統(tǒng)由激光器及發(fā)射

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2813687