剪切光束成像像质影响因素及提升方法研究
发布时间：2021-01-31 15:36
剪切光束成像（Sheared-beam imaging,SBI）是一种采用相干激光照明和回波相干接收的计算成像技术。其成像原理上具有一定克服大气湍流的能力,并且通过对接收阵列的扩展,系统能够达到传统光学成像系统难以实现的大等效口径,在地基对远距离暗弱目标高分辨率成像方面有着独特的优势。本文以提高SBI成像质量的关键技术为主要研究内容,从成像原理、系统构成、成像质量影响因素和室内实验验证等多个方面,对该技术进行了系统的研究和讨论。本文主要工作和成果有:通过对剪切光束成像技术基本原理的研究,推导出成像系统分辨率与探测器阵列基线长度的具体限定关系,利用计算机仿真验证了分辨率理论的正确性。研究了目标频谱振幅信息在图像重构中所起的作用,得出了该成像技术成像质量主要受回波信号相位影响的结论,为后续成像质量影响因素研究指明了方向。同时,提出一种适合评价剪切光束成像图像质量的无参照图像质量评价方法。在对SBI系统内影响成像质量的因素的研究中,根据理论分析和仿真结果,提出了SBI高质量成像所需的光束能量配比方式。针对激光频率误差对目标频谱的影响,提出了相应的频率解调方法和频谱校正方案。此外,建立了SBI...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
轨道类型及其功能示意图
剪切光束成像像质影响因素及提升方法研究2同时，随着航天技术的日益发展和该领域进入壁垒的不断降低，越来越多的国家和商业公司能够参与到卫星制造、卫星发射、空间探索和载人航天等项目中。截止到2018年10月4日，地球轨道上已被美国太空监视网（SpaceSurveillanceNetwork，SSN）正式编目的人造物体总数达到19173个[5]，按照航天器、火箭残孩解体碎片等类别划分，其数量变化如图1.2[6]。图1.2地球轨道人造物体数量变化Figure1.2NumberofobjectstrackedinEarth’sorbitbyobjecttype随着一颗颗卫星的升空，空间环境的复杂性将增大，卫星出现故障、碰撞和解体的风险也随之攀升，从而形成更多的空间碎片等人造物体散布在空间领域。这些碎片处于高速运动的状态，在地球同步轨道上空间碎片的速度通常在2-3km/s，在低地球轨道上能达到15km/s[7]，严重增加了空间资产运作时受到损害的风险。对空间目标探测和识别的能力正成为一种日益增长的需求。空间目标泛指存在于距地球表面150公里以外空间的所有目标[8]。空间目标的探测与识别是空间态势感知[9]获取信息的重要手段和数据来源[10]，对获得制天权与制信息权起到至关重要的作用[11-12]。因此，十分有必要开展对空间目标高分辨率成像技术的研究。光学探测在空间目标探测识别和跟踪中占有重要地位。现有光学探测主要是利用光电望远镜探测设备（望远镜和光电探测器的集成设备）来实现[13]。传统地基光学成像系统多属于被动成像，自身不配备光源，依靠目标反射环境光或目标自身发光实现成像[14]。这种被动接收的特性使成像不可避免地受到天空背景辐射
剪切光束成像像质影响因素及提升方法研究4图1.3一种利用探测阵列接收激光回波散斑获取目标信息的激光雷达系统示意图Figure1.3Schematicdiagramofalaserradarsystemforobservingspeckle剪切光束成像技术的成像过程与上图十分类似，图1.4为其成像示意图。剪切光束成像技术采用三束从不同位置发射的同源分束激光同时照射目标，发射孔径在垂直方向上呈“L”形分布，成像时发射孔径间距xs和ys固定，xs和ys也被称为发射孔径在x和y方向上的剪切量，每束激光的频率之间都存在微小的差异，这样在目标表面将形成扫动的干涉条纹。图1.4剪切光束成像示意图Figure1.4Schematicofsheared-beamimagingprinciple受目标调制后，每束激光的反射回波都独立地携带着目标信息。在接收平面，探测器阵列中探测器单元间隔与发射孔径的剪切量完全相同。反射回波在接收面上以散斑场的形式呈现，不同光束产生的散斑场在探测器阵列上相干叠加并形成随时间变化的光强信号，利用高速探测器接收每个探测器单元上的光强拍频信号，计算出拍频信号的相位，该相位包含了目标频谱相位信息，最终根据计算的
【参考文献】：
期刊论文
[1]上行链路大气波前畸变对剪切光束成像技术的影响[J]. 兰富洋,罗秀娟,樊学武,张羽,陈明徕,刘辉,贾辉. 物理学报. 2018(20)
[2]剪切光束成像技术对纵深目标的成像[J]. 兰富洋,罗秀娟,陈明徕,张羽,刘辉. 物理学报. 2017(20)
[3]散斑噪声对基于特征点匹配的图像配准的影响[J]. 陈波,孙天齐,刘爱新. 激光与光电子学进展. 2017(12)
[4]四光束剪切相干成像目标重构算法研究[J]. 陆长明,陈明徕,罗秀娟,张羽,刘辉,兰富洋,曹蓓. 物理学报. 2017(11)
[5]基于全相位谱分析的剪切光束成像目标重构[J]. 陈明徕,罗秀娟,张羽,兰富洋,刘辉,曹蓓,夏爱利. 物理学报. 2017(02)
[6]空间目标地基光电探测与识别技术的发展[J]. 王建立. 飞行器测控学报. 2015(06)
[7]基于激光散斑角度相关法表面粗糙度测量[J]. 陈晨,郭晓明,马军,王文生. 激光技术. 2015(04)
[8]相干场成像全相位目标直接重构法[J]. 曹蓓,罗秀娟,陈明徕,张羽. 物理学报. 2015(12)
[9]傅里叶望远镜对实际有纵深目标成像的研究[J]. 董磊. 激光与红外. 2014(12)
[10]面向高轨目标的强度相干成像技术研究[J]. 李希宇,高昕,唐嘉,陆长明. 飞行器测控学报. 2014(04)
博士论文
[1]空间目标地基红外探测技术研究[D]. 黄智国.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]波前畸变对星间激光通信链路性能的影响研究[D]. 杨玉强.哈尔滨工业大学 2009
[3]全相位数字信号处理[D]. 黄翔东.天津大学 2007
[4]基于激光主动成像图像的多帧后处理算法研究[D]. 王智.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2006
[5]应用激光主动成像探测小暗目标的技术研究[D]. 徐效文.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
硕士论文
[1]光学相干层析系统中的图像后处理技术[D]. 唐一彪.电子科技大学 2017
[2]基于自适应光学的激光精跟踪技术研究[D]. 王保峰.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[3]基于激光多普勒效应的回转体直径测量技术研究[D]. 赵登.西安理工大学 2008
[4]随机光场入射时的猫眼效应研究[D]. 韩勇.电子科技大学 2008
[5]大气湍流中的激光传输数值模拟及其影响分析[D]. 徐光勇.电子科技大学 2008
[6]单幅电子散斑干涉条纹图相位提取方法的研究及其应用[D]. 李波涛.天津大学 2007
[7]图像配准与拼接方法研究[D]. 毛晓冬.西安电子科技大学 2006
本文编号：3011148
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
轨道类型及其功能示意图
剪切光束成像像质影响因素及提升方法研究2同时，随着航天技术的日益发展和该领域进入壁垒的不断降低，越来越多的国家和商业公司能够参与到卫星制造、卫星发射、空间探索和载人航天等项目中。截止到2018年10月4日，地球轨道上已被美国太空监视网（SpaceSurveillanceNetwork，SSN）正式编目的人造物体总数达到19173个[5]，按照航天器、火箭残孩解体碎片等类别划分，其数量变化如图1.2[6]。图1.2地球轨道人造物体数量变化Figure1.2NumberofobjectstrackedinEarth’sorbitbyobjecttype随着一颗颗卫星的升空，空间环境的复杂性将增大，卫星出现故障、碰撞和解体的风险也随之攀升，从而形成更多的空间碎片等人造物体散布在空间领域。这些碎片处于高速运动的状态，在地球同步轨道上空间碎片的速度通常在2-3km/s，在低地球轨道上能达到15km/s[7]，严重增加了空间资产运作时受到损害的风险。对空间目标探测和识别的能力正成为一种日益增长的需求。空间目标泛指存在于距地球表面150公里以外空间的所有目标[8]。空间目标的探测与识别是空间态势感知[9]获取信息的重要手段和数据来源[10]，对获得制天权与制信息权起到至关重要的作用[11-12]。因此，十分有必要开展对空间目标高分辨率成像技术的研究。光学探测在空间目标探测识别和跟踪中占有重要地位。现有光学探测主要是利用光电望远镜探测设备（望远镜和光电探测器的集成设备）来实现[13]。传统地基光学成像系统多属于被动成像，自身不配备光源，依靠目标反射环境光或目标自身发光实现成像[14]。这种被动接收的特性使成像不可避免地受到天空背景辐射
剪切光束成像像质影响因素及提升方法研究4图1.3一种利用探测阵列接收激光回波散斑获取目标信息的激光雷达系统示意图Figure1.3Schematicdiagramofalaserradarsystemforobservingspeckle剪切光束成像技术的成像过程与上图十分类似，图1.4为其成像示意图。剪切光束成像技术采用三束从不同位置发射的同源分束激光同时照射目标，发射孔径在垂直方向上呈“L”形分布，成像时发射孔径间距xs和ys固定，xs和ys也被称为发射孔径在x和y方向上的剪切量，每束激光的频率之间都存在微小的差异，这样在目标表面将形成扫动的干涉条纹。图1.4剪切光束成像示意图Figure1.4Schematicofsheared-beamimagingprinciple受目标调制后，每束激光的反射回波都独立地携带着目标信息。在接收平面，探测器阵列中探测器单元间隔与发射孔径的剪切量完全相同。反射回波在接收面上以散斑场的形式呈现，不同光束产生的散斑场在探测器阵列上相干叠加并形成随时间变化的光强信号，利用高速探测器接收每个探测器单元上的光强拍频信号，计算出拍频信号的相位，该相位包含了目标频谱相位信息，最终根据计算的
【参考文献】：
期刊论文
[1]上行链路大气波前畸变对剪切光束成像技术的影响[J]. 兰富洋,罗秀娟,樊学武,张羽,陈明徕,刘辉,贾辉. 物理学报. 2018(20)
[2]剪切光束成像技术对纵深目标的成像[J]. 兰富洋,罗秀娟,陈明徕,张羽,刘辉. 物理学报. 2017(20)
[3]散斑噪声对基于特征点匹配的图像配准的影响[J]. 陈波,孙天齐,刘爱新. 激光与光电子学进展. 2017(12)
[4]四光束剪切相干成像目标重构算法研究[J]. 陆长明,陈明徕,罗秀娟,张羽,刘辉,兰富洋,曹蓓. 物理学报. 2017(11)
[5]基于全相位谱分析的剪切光束成像目标重构[J]. 陈明徕,罗秀娟,张羽,兰富洋,刘辉,曹蓓,夏爱利. 物理学报. 2017(02)
[6]空间目标地基光电探测与识别技术的发展[J]. 王建立. 飞行器测控学报. 2015(06)
[7]基于激光散斑角度相关法表面粗糙度测量[J]. 陈晨,郭晓明,马军,王文生. 激光技术. 2015(04)
[8]相干场成像全相位目标直接重构法[J]. 曹蓓,罗秀娟,陈明徕,张羽. 物理学报. 2015(12)
[9]傅里叶望远镜对实际有纵深目标成像的研究[J]. 董磊. 激光与红外. 2014(12)
[10]面向高轨目标的强度相干成像技术研究[J]. 李希宇,高昕,唐嘉,陆长明. 飞行器测控学报. 2014(04)
博士论文
[1]空间目标地基红外探测技术研究[D]. 黄智国.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]波前畸变对星间激光通信链路性能的影响研究[D]. 杨玉强.哈尔滨工业大学 2009
[3]全相位数字信号处理[D]. 黄翔东.天津大学 2007
[4]基于激光主动成像图像的多帧后处理算法研究[D]. 王智.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2006
[5]应用激光主动成像探测小暗目标的技术研究[D]. 徐效文.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
硕士论文
[1]光学相干层析系统中的图像后处理技术[D]. 唐一彪.电子科技大学 2017
[2]基于自适应光学的激光精跟踪技术研究[D]. 王保峰.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[3]基于激光多普勒效应的回转体直径测量技术研究[D]. 赵登.西安理工大学 2008
[4]随机光场入射时的猫眼效应研究[D]. 韩勇.电子科技大学 2008
[5]大气湍流中的激光传输数值模拟及其影响分析[D]. 徐光勇.电子科技大学 2008
[6]单幅电子散斑干涉条纹图相位提取方法的研究及其应用[D]. 李波涛.天津大学 2007
[7]图像配准与拼接方法研究[D]. 毛晓冬.西安电子科技大学 2006
本文编号：3011148
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