相干场成像图像重构技术研究

发布时间：2020-09-07 18:32

　　相干场成像技术,又称为傅里叶望远镜,是一种对远距离暗弱目标进行高分辨率成像的成像技术。其成像原理是利用相干光束产生的干涉条纹场对目标的频谱信息进行调制,从反射接收信号中解调出频谱并重构图像。该技术凭借着高分辨率与主动成像的优势,在空间目标识别与监测方面具有重要应用潜力。作为一种计算间接成像技术,后续的数据处理过程对最终重构图像的质量影响较大。为了更好地提高重构图像的质量,本文对相干场成像的图像重构技术进行了研究,主要研究内容包括以下几个方面： 1.从干涉场与目标频谱编码的数学原理出发,介绍了相干场成像的系统组成及成像过程,以T型等间隔发射镜阵列为例,重点阐述了其图像重构技术,包括频谱解调、相位闭合及图像重构算法等,为后续的图像重构技术研究打下基础；以发射镜的位置误差为例,对误差传递函数进行推导,以此为依据对发射镜位置误差影响进行分析。 2.基于现有图像重构算法的不足,引入在相干测量中的相位恢复算法,与传统重构算法结合,形成一种基于迭代的图像重构方法。其出发点是相干场成像解调频谱的幅值抗噪能力较强,畸变小,而相位抗噪能力较差,畸变相对大,传统重构算法对解调频谱进行逆傅里叶变换,没能够利用幅值畸变小的优势,迭代重构方法取解调频谱的幅值作基础,利用相位恢复算法逐步恢复相位信息,并辅之以直接重构算法获得图像信息作约束,最终得到优化解。对解调频谱的幅值和相位的抗噪声能力的差异进行了理论分析,对迭代重构方法进行了计算机仿真试验及室内实验、外场实验,结果验证了该方法的有效性。 3.基于O型发射镜阵列相干场成像解调频谱分布特点,引入频谱外推的超分辨率方法,形成一种针对O型发射镜阵列和其它类似发射镜阵列的相干场图像超分辨率重构方法。O型发射镜阵列相干场成像具有系统体积紧凑、频率抽样点数多的优点,但是系统等效口径小、频谱分布不均匀、频谱效率低。基于抽样定理的频谱外推方法能够将频率抽样点数多的优势转化为外推带宽,同时将分布不均匀、效率低的频谱转化为均匀分布频谱,在提高成像分辨率的同时可以提高图像的质量。对O型发射镜阵列的相干场成像进行了计算机仿真试验,并对该方法的实用限制进行了分析。此外,针对美国SAINT计划的成像系统进行了该方法的应用分析及仿真。 4.基于多光束相干场成像技术的特点及设计要求,设计一套多光束相干场成像地面验证系统。系统分为发射系统及接收系统两大部分。发射系统采用T型等间隔发射镜阵列,同时为了满足采样定理和增加频率抽样点数,利用高精度导轨模块对光束发射位置进行切换。接收系统采用单块大口径反射镜加二次聚光镜组的方式进行聚光。对系统参数和光机结构实现进行了详细设计,并加工装调了分光模块和导轨模块,测试结果验证了设计的合理性。 5.基于设计的多光束地面验证系统,进行多光束微弱信号解调及图像重构技术研究。采样时间内探测系统接收光子数服从泊松分布,一次发射光束数量太多,散粒噪声会很大,以致湮没微弱的高频信息。分析不同发射光束数量对高频微弱信息的影响,选择最优的发射光束数量,并采用滤波+相关检测法进行高频微弱信号解调,相比传统的滤波法,解调频谱精度得到提高。参考3光束相干场成像技术的相位闭合方法,’对多光束解调频谱进行相位闭合。计算机仿真结果验证了方法的有效性。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TP391.41
【部分图文】：

结构图,相干场,室内实验,成像

1999年MacDonald等人进行了室内二维目标成像实验[8]，首次通过实验方法获得了二维目标图像。实验系统结构如图1.1所示。iDeam power and{>olar)2a)ion a<l]us{men! g印的邮?》一-「._ /0-s—如==?\ I 幫0v| [o> 8——a<Ji?slmemJ ::RS232i I rt nn'*"** // 3: 2S$ HzOPB Zm \ s (+110 MHz)frame 讲命 b?r //^ .AOC nsa3WRS485 cwiv. // Vn、、、-—、j \ HHH 一.J \ c^-Z=> FT<mm ff \ _i. il "— 一^defector ,?ge, + 、■■、伽咖、、■■?—— 图1. 1相干场成像室内实验结构图同时期研究人员对大气端流的影响分析作了大量工作[9-15]。1999年TimBrinkley等人研究了大气端流及大气抖动效应对相干场成像的影响[9]。图1.2给出了大气抖动对相干场成像的影响，CT表征了抖动程度。图1.3给出了高阶大气瑞流扰动对相干场成像的影响，6 / r。表征了瑞流扰动程度。2002年Mikhail Helen等人研究了散斑、端流及散粒噪声对相干场成像下行链路的影响[11],图1.4给出了散斑、瑞流对解调相位的影响。结果表明瑞流对下行链路的影响很小，可以忽略不计。3

发射系统,接收系统,定日镜

第1章绪论的T型支架上。光束的发射孔径为40cm。激光器为Cr:LiSAF脉长为852nm。接收系统初步设计由40个定日镜组成，每个定日镜，跟猫精度为Imrad。每个定日镜对应一个探测器，探测器为光电光敏面为2.5011。发射系统每次发射3束激光，每次发射需要200冲，全系统完成一次成像过程需要6-8个小时。

频谱,外场实验,系统概念

图1.6 GLINT外场实验系统概念图:KS. ? ? w ? w tap I⑷ W图1.7 GLINT外场实验重构图像(a)室内实验结果；（b)光束大气中传输1.5km结果GLINT计划懫用每次发射3束激光的方案，要完成对目标的频谱扫描需量光束切换，耗时较长，不适用于对空间快速运动目标成像。美国空军启动了 SAINT (Satellite Active Imaging National Testbed)计划，利用多场成像技术对低轨道快速运动目标进行成像[20-21]。整个系统由发射系系统组成，其系统艺术植染图如图1.8所示。发射系统由激光器及发射

【参考文献】