多孔径变分辨率光学系统设计与图像重构技术研究

发布时间：2020-04-07 16:34

【摘要】：视场和分辨率是用来评价一个光学系统重要的指标,大视场高分辨率的光学系统在密集场所人流监控、国土测量等方面有着广泛的应用。但是,对于传统的成像系统来说,在不使用分辨率更高的探测器或者性能更好的成像系统情况下,无法从根本上解决大视场与高分辨率兼顾的问题。因此,借助近年来迅速发展的计算光学手段,结合传统的成像光学系统,可以在仅提升少量的成本下兼顾大视场和高分辨率的性能~([1])。本文从多孔径成像技术出发,借助棱镜偏折视场的能力,设计出了可见光波段多孔径棱镜阵列光学系统,借助图像拼接配准等手段,可以实现重叠区域超分辨、未重叠区域不损失原有分辨率的大视场变分辨率的目标。现阶段多孔径成像系统依据探测器的相对位置可分为共心结构和平面结构,本文中选用棱镜阵列多孔径平面结构。平面结构的多孔径系统并未能较大幅度的增加视场角,借助棱镜对视场的偏折能力,即增加一侧的视场角同时减小另一侧的视场角,选取合适的楔角可以使得偏折后的视场大小和原视场大小近似,保证引入棱镜不会降低分辨率。同时,还可以利用复合棱镜组合消色差原理对引入的色差进行控制。在参考其他已经设计出的多孔径光学成像系统,本文对可见光波段的多孔径系统采用3?3阵列排布方式,设计指标要求最终的成像视场达到140??105?,实物尺寸不超过200mm?200mm?200mm。前期光学系统的设计完成后需要进行加工装调工作,利用优化好的系统实物进行实景的图像采集,将9个孔径获取的图像进行预处理以校正棱镜引入的畸变,将9张无畸变的图像进行插值并投影至高分辨率物空间网格,本文基于改进的SURF算法,利用亚像素级的图像配准重构出重叠区域超分辨、未重叠区域不损失原有分辨率的大视场成像效果。最终的结果满足系统规定的设计指标。
【图文】：

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1.2 多孔径光学系统及图像变分辨技术的研究现状1.2.1 多孔径光学系统研究现状20 世纪 30 年代，随着二战的爆发，雷达技术也开始兴起，经过二三十年的高速发展，雷达技术已不仅仅只限于军用方面，但是，一直发展到 20 世纪 50 年代所有雷达都是单雷达形态，50 年代后期，通过使用合成孔径技术的雷达有效的提升了角分辨率并很快装备于战略侦察机执行任务。受合成孔径雷达技术的启发，在 70年代，Meinel 及 Shack 等人率先提出将多孔径技术应用于光学成像系统中提高分辨率的理论[31]，，然而受限于彼时其他技术的限制，无法迅速将该理论应用于实际。得益于美国政府和军方的支持，在短时间内便搭建了多座地基多孔径实验系统，这一举措为光学多孔径系统的发展做出了巨大的贡献。早在 1979 年，亚利桑那大学的研究人员在某一山顶处建造了一个多镜面望远镜系统（Multiple Mirror Telescope），如图 1-1 所示。

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望远镜都有一个直径为 1.8m 的主镜和其配套的副镜。通过将这 6 架小望远镜线结合起来，可以实现相当于口径为 4.5m 的望远镜所能达到的分辨能力，使为那时世界上第三大光学望远镜，相对于同级别的望远镜，该套设备的价格和难度均较低，但是在经历 19 年的服役后，这台系统的成像精度以及复杂繁琐动调节过程不宜继续使用，再加上亚利桑那大学在大型透镜的生产工艺方面步，使得该系统于 1998 年被拆除并替换成主镜为 6.5m 的单孔径系统。1995 年美国空军成功搭建出名为多孔径望远测试平台（Multipurpose MultipelescopeTestBed，MMTT）的可用于多用途的观测系统[32-34]，MMTT 第一次利验手段测试出多孔径光学系统的 PSF，如图 1-2 所示。这套系统由 4 个相同的构成，每个孔径的直径为 200mm，MMTT 使用的光源为激光点光源，整个系终的有效视场角为 0.25°，但是，在实验中发现当视场角度大于 0.029°时，统的成像质量便开始急剧下降，尽管如此，MMTT 系统在当时仍旧是第一个场多孔径望远系统。然而，这套系统仅限于在实验室中做某些测试，并未量产模使用。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O439;TP391.41

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