基于相位差异法的薄膜衍射光学系统波前反演方法研究

发布时间：2020-04-07 18:37

【摘要】：与传统的折反射式光学系统相比,薄膜衍射光学系统具有重量超轻、可折叠展开、低成本等优点,是未来超大口径超高分辨率空间光学载荷的重要发展方向。但受制于衍射成像的特殊机制,衍射光学成像表现出更严重的能量损耗、复杂的点扩散函数(Point spread function,PSF)空间变化等特性,再加之大气湍流、在轨力热环境的影响,薄膜衍射成像结果很可能无法满足最终图像解译应用的需求。波前信息是光学遥感全链路图像质量退化特性的直接反映,波前的精确反演可为图像质量的反演增强与恢复提供先验和输入。目前,针对衍射光学系统的波前反演方法的研究仍为空白。本文从衍射光学系统成像机理出发,研究了基于相位差异法的薄膜衍射光学系统波前反演方法。主要研究内容如下:(1)衍射光学成像特性及表征模型。与传统的折反射式光学系统不同,衍射光学系统成像过程受衍射效率、PSF空间移变特性的影响,图像质量退化机理复杂,最终的成像结果可能表现为:焦面成像图像能量低,边缘视场处的调制传递函数(Modulation transfer function,MTF)退化严重。本文基于标量衍射理论开展了衍射光学系统像质退化特性分析,并建立了融合衍射效率、视场、波前位相等多成像参量的衍射光学系统成像表征模型,为衍射光学系统波前反演的相位差异法研究提供理论基础。(2)基于衍射成像表征模型的相位差异波前反演方法研究。针对传统相位差异法未考虑衍射光学系统衍射效率与PSF空变等成像特性的问题,本文将衍射光学系统成像表征模型融入相位差异法目标函数。并结合等晕区分块思想,提出了衍射光学系统空变波前反演方法。针对相位差异法目标函数的非凸优化求解难题,利用基于模拟退火的粒子群算法实现了波前信息的全局高效求解。(3)相位差异波前反演方法的适应性及误差分析。首先,从衍射光学系统波前反演原理出发,将波前反演精度的影响因素归结为像质退化和输入误差因素;然后,针对像质退化因素,开展了相位差异法的适应性分析;针对输入误差因素,建立了误差理论分析模型,并基于误差理论提出了波前反演合成误差分析方法;最后,对某薄膜衍射光学系统开展了数值仿真实验,验证了误差分析模型与方法。(4)实验验证及分析。以薄膜衍射光学系统为应用实例,仿真获取了衍射空变退化图像,结合等晕区分块思想反演得到全视场的衍射波前信息,并对全视场波前反演方法开展了适应性分析。实验结果表明:衍射效率优于0.65,高斯噪声方差优于0.001的条件下,全视场平均波前反演RMSE可达到2.5×10~(-4)λ。本文提出的基于相位差异法的薄膜衍射光学系统波前反演方法可实现波前信息的高精度反演,能够为衍射成像退化图像的反演增强与恢复提供更加准确的输入,为未来超大口径薄膜衍射光学系统的空间应用奠定基础。
【图文】：

Eyeglass项目[1]

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文，如图 1-2 所示，，实验结果表明折叠与展开后的光学系统均表现出了相似的性能。然该项目对薄膜衍射主镜制备工艺及折叠与展开技术进行了深入研究，但由于项工程难度大，双星协作方式技术复杂，难以控制主衍射透镜的光能完全通过后端像子系统，后续项目中断，针对于超大口径薄膜衍射光学成像系统的研究转向单星方案。虽然 Eyeglass 项目最终未成功实现空间超大口径薄膜衍射光学系统的工应用，但其所完成的薄膜衍射主镜成像测试实验及镜体结构空间折叠与展开方案未来的衍射成像系统技术的空间应用提供了坚实的技术基础。
【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】：TP391.41;O436.1

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