激光相干场成像回波降质影响机理及对策研究

发布时间：2017-07-07 05:04

  本文关键词：激光相干场成像回波降质影响机理及对策研究

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【摘要】：激光相干场成像技术通过发射多束激光,在目标域形成干涉条纹场,经目标反射的相干场回波信号经接收解调、相位闭合消除湍流扰动后,逆傅里叶变换重建高分辨图像,这是近十多年发展起来的一种无透镜新型高分辨计算成像理论,其有望解决大气湍流扰动难题,突破衍射极限高分辨成像,在针对远程暗弱目标高分辨成像方面具有突出的优势。该理论在国防事业和遥感高分成像领域具有重要科学意义和应用价值。目前国内外关于该技术的研究整体处于原理演示验证阶段,尚未工程化。对于相干场最常用的等间距采样成像模式,基于孔径间距相等的两组激光束提取的目标频谱分量相等原理,迭代求解各阶频谱分量重构成像,但该采样成像理论在技术应用转化过程中,由于发射孔径阵列定位误差、湍流光强闪烁效应和光束光强自身抖动、系统散斑噪声等误差因素影响,两组光束获取的目标频谱分量不再相等,并由此产生频谱迭代误差,从而降低成像质量,而该降质影响机理目前尚不清楚,也无公开文献报道。因此在实际工程应用中需对现有相干场成像理论模型加以修正,建立频谱分量不相等情形下的激光相干场成像修正模型,抑制上述像质退化因素的影响,以达到提高相干场成像质量的目的。本文主要从激光发射孔径定位误差、大气湍流光强闪烁和多光束光强抖动误差、系统噪声影响三个视角出发,研究揭示以上像质退化因素对相干场回波信号和成像质量的降质影响机理,并基于影响机理提出对应抑制方法提升成像质量,具体如下:1)针对相干场等间距采样成像理论在工程技术应用转化过程中,不可避免的激光发射孔径间距定位误差带来频谱误差,后续迭代重建频谱时引起误差累积放大效应,并由此带来成像质量下降的问题。本文基于回波解调和频谱迭代理论,建立了相干场成像孔径定位误差对回波信号影响的理论模型,首次得到了激光发射孔径定位误差对回波频谱分量和成像质量的零影响方程;基于该像质零影响方程,提出一种抑制孔径定位误差对像质影响的线性规划方法,通过求解孔径间距最优化分布矩阵,抵消了孔径定位误差对成像质量的影响。研究表明,该方法可提升成像质量评价指标斯特列尔比近1倍,具有便捷、高效的特点,应用在工程实践中可降低激光孔径阵列定位难度和工程实施成本。该研究为相干场系统成像质量提升和发射阵列孔径定位精度设计提供了理论指导。2)针对相干场成像理论在工程应用转化过程中,湍流光强闪烁效应和多光束自身光强抖动带来的误差,后续迭代重建频谱时引起误差放大效应,并由此带来成像质量下降的问题。本文基于相位闭合频谱重构理论,建立了大气湍流光强闪烁和多光束光强扰动因子对激光回波频谱信号影响理论模型;并针对弱湍流应用场景提出了解调比近似法、光强实测修正光强扰动抑制方法。提出一种基于半米字型阵列的采样成像模型,有效消除了相位频谱重构方程中光强扰动因子的降质影响,所提方法可有效解决大气湍流光强闪烁效应和光强抖动的降质影响问题,成像斯特列尔比最大可提升约30%,并可有效降低相干场成像对光束光强时间稳定性要求和发射阵列多光束光强空间一致性的要求,从而降低了工程实现难度。该研究为光束光强扰动抑制提供了有效的技术支撑。3)为解决相干场成像系统探测器噪声相对系统总噪声的占比权重定量化估计问题,以便后续为系统信噪比提升提供理论依据。本文基于相干场成像光电子数信噪比计算理论,提出一种探测器噪声相对系统总噪声的定量化占比估算分析方法,采用理论计算分析和实验测量相结合的方法,建立了相干场成像探测器噪声定量化占比计算方程组。基于室外具体的相干场成像实验平台获取了系统探测器噪声占比权重,并验证了方法的有效性。结果表明,本文所提方法可正确有效估算探测器噪声占比权重,该方法具有便捷、高效的特点,可推广应用于实际相干成像系统探测器噪声定量化评估测量分析。4)为提高系统信噪比改善成像质量,解决相干场成像质量受回波散斑噪声影响问题,推导建立了大气下行链路回波信号噪声干扰模型,并基于同态滤波和拉格朗日基追踪稀疏理论,提出一种级联复合去噪方法,较现有单一去噪方法,该复合去噪方法既可去除与激光回波信号相关的乘性散斑噪声,又可去除与回波信号无关的背景光和探测器等加性噪声,同时提高了重构图像对比度。仿真表明该方法可提高重构图像斯特列尔比17%,图像对比度最大可提高0.21。该方法对于相干场成像去噪和成像质量改善具有借鉴意义。本文系统研究揭示了激光发射孔径定位误差、湍流光强闪烁效应和光强抖动误差、系统噪声等因素对成像质量的降质影响机理,建立了成像误差修正模型并提出了对应解决方法和对策。本文所建立的相干场成像误差修正理论模型和方法丰富了激光相干场成像理论,为相干场成像理论的进一步工程化,提供了有效的理论基础和技术支撑。
【关键词】：激光相干场成像 计算成像 发射孔径定位误差 大气湍流光强闪烁 激光散斑噪声 信噪比 成像质量
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN24;TP391.41
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-8
• ABSTRACT8-14
• 1 绪论14-28
• 1.1 研究背景和意义14-16
• 1.2 国内外研究现状16-25
• 1.2.1 激光相干场成像发展概述16-18
• 1.2.2 像质影响机理与像质提升方法研究综述18-22
• 1.2.3 相干场噪声分析和去噪研究方法综述22-25
• 1.3 研究问题25
• 1.4 本论文结构25-28
• 2 相干场成像理论与回波降质退化因素分析28-44
• 2.1 引言28
• 2.2 相干场成像理论28-37
• 2.2.1 频谱采样调制理论30-32
• 2.2.2 回波信号解调理论32-33
• 2.2.3 相位闭合和频谱重构理论33-35
• 2.2.4 图像重建理论35-37
• 2.3 激光相干场回波降质退化因素分析37-40
• 2.3.1 激光发射孔径定位误差因素38-39
• 2.3.2 光强扰动误差因素39
• 2.3.3 回波信号噪声因素39-40
• 2.4 像质评价方法40-43
• 2.4.1 均方误差法41
• 2.4.2 峰值信噪比法41
• 2.4.3 成像传递函数法41-42
• 2.4.4 斯特列尔比法42
• 2.4.5 像质评价方法特点分析42-43
• 2.5 本章小结43-44
• 3 光束孔径定位误差降质影响机理及对策研究44-58
• 3.1 引言44
• 3.2 光束孔径定位误差理论建模分析44-48
• 3.2.1 激光回波信号频谱误差模型44-46
• 3.2.2 激光回波频谱误差传递模型46-48
• 3.3 抑制孔径定位误差影响的像质提升方法48-50
• 3.3.1 成像质量零影响条件方程的构建48-49
• 3.3.2 成像质量零影响方程线性规划求解模型49
• 3.3.3 抑制孔径定位误差影响的像质提升方法49-50
• 3.4 仿真实验和分析50-55
• 3.4.1 孔径定位误差对像质影响仿真实验50-52
• 3.4.2 抑制孔径定位误差降质影响仿真实验52-55
• 3.4.3 实验结果分析55
• 3.5 讨论55-56
• 3.6 本章小结56-58
• 4 相干场成像噪声分析及探测器噪声定量化占比建模研究58-74
• 4.1 引言58
• 4.2 相干场成像噪声源分析58-62
• 4.2.1 背景光噪声分析58-60
• 4.2.2 探测器噪声分析60-62
• 4.2.3 散斑噪声分析62
• 4.3 相干场成像回波信噪比计算方法62-63
• 4.4 探测器噪声定量化占比建模63-73
• 4.4.1 探测器噪声占比建模64-66
• 4.4.2 探测器噪声定量化占比计算方法66
• 4.4.3 室外实验验证和实验结果分析66-73
• 4.5 讨论73
• 4.6 本章小结73-74
• 5 散斑噪声分析及基于复合去噪的像质改善方法研究74-90
• 5.1 引言74
• 5.2 散斑噪声成因及对回波信号影响分析74-78
• 5.2.1 散斑噪声成因和影响分析74-75
• 5.2.2 散斑噪声对回波信号影响分析75-77
• 5.2.3 相干场成像下行链路回波噪声模型77-78
• 5.3 基于级联复合去噪方法的像质改善研究78-83
• 5.3.1 拉格朗日基追踪稀疏去加性噪声算法78-80
• 5.3.2 同态滤波去散斑乘性噪声算法80-82
• 5.3.3 复合级联去噪方法82
• 5.3.4 成像质量定量化评价指标82-83
• 5.4 仿真去噪实验分析83-85
• 5.4.1 不同去噪方法仿真结果83-84
• 5.4.2 仿真结果分析84-85
• 5.5 室外成像去噪实验85-88
• 5.5.1 室外成像实验条件和环境85-86
• 5.5.2 实验方法和步骤86
• 5.5.3 室外实验结果86-88
• 5.5.4 室外实验结果分析88
• 5.6 本章小结88-90
• 6 基于光强扰动因子抑制理论的像质提升方法研究90-116
• 6.1 引言90
• 6.2 光强扰动引起的回波误差理论分析90-95
• 6.2.1 光强扰动对回波信号的影响分析90-92
• 6.2.2 光强扰动对相位闭合系数影响分析92-93
• 6.2.3 光强扰动因子对迭代频谱影响建模和效应分析93-95
• 6.3 光强扰动因子降质影响理论和抑制方法研究95-104
• 6.3.1 光强系数实测法96-98
• 6.3.2 基于半米字型采样理论的光强扰动抑制方法98-103
• 6.3.3 解调比近似法抑制光强扰动103
• 6.3.4 光强扰动抑制方法总结103-104
• 6.4 大气湍流光强闪烁对像质影响仿真实验104-107
• 6.4.1 湍流仿真平台和原理104-106
• 6.4.2 湍流光强闪烁仿真实验结果106-107
• 6.4.3 湍流光强闪烁仿真实验结论107
• 6.5 半米字型方法抑制光强扰动仿真实验107-110
• 6.5.1 仿真实验条件和结果107-109
• 6.5.2 抑制光强扰动仿真结果分析109-110
• 6.6 室外光强扰动抑制实验110-114
• 6.6.1 光强扰动抑制室外实验条件110-111
• 6.6.2 实验方法和步骤111-112
• 6.6.3 室外实验结果112-114
• 6.6.4 实验结果分析114
• 6.7 本章小结114-116
• 7 总结与展望116-120
• 7.1 工作总结116-117
• 7.2 主要创新点117-118
• 7.3 展望118-120
• 参考文献120-128
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果128-129

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