光学合成孔径系统成像性能优化与分析

发布时间：2017-05-30 20:04

  本文关键词：光学合成孔径系统成像性能优化与分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光学合成孔径系统有望突破孔径限制,实现静止轨道高分辨率持续对地观测,但光瞳的稀疏性和相位误差的存在使它的成像性能受到限制。本文针对光学合成孔径系统的成像性能优化问题,先后在性能指标设计、光瞳结构优化、活塞误差检测、多帧成像与复原、振铃探测消除以及像素位移分析等方面展开研究,主要工作包括以下几个方面:(1)成像性能指标设计。在填充因子范围内,分别利用特征指标与客观评价指标对典型阵列的成像性能进行比较,揭示了成像质量与频谱分布之间的相关关系。综合频率高低和频谱均匀性两方面因素,设计加权频段能量曲线指标,可准确反映任意阵列结构和特征参数的合成孔径系统成像性能,为成像系统研制提供设计依据。(2)光瞳结构优化。提出中低频谱能量最大化准则,并依此对三种六孔径阵列排布形式进行优化,得到中心聚合型的阵列结构形式。新的光瞳结构被证明在成像像质、图像复原质量、相位误差容限和配准精度等方面均优于典型阵列,成像性能得到显著提高。(3)活塞误差检测。设计度量多孔径随机活塞误差及倾斜误差大小的量化指标,得到保证近似无损复原的相位误差容限。提出并证明了沿基线中垂线方向,系统点扩散函数和活塞误差之间的关系与坐标无关,从而避免了定位精度对误差探测的影响。提出利用远场图像在基线方向上的分布特性确定误差范围,得到唯一确定的误差值。利用直接盲解卷积和总变分去噪方法消除湍流和噪声影响,提高了探测精度。(4)多帧成像方案设计。提出通过旋转阵列获取频谱不同的多帧图像,利用多帧维纳滤波进行复原,以消除相位误差的影响。基于统计实验确定最优的多帧成像方式,提高了合成孔径系统相位误差容限。将该方法拓展到一维非冗余阵列,提出增加旋转次数以实现频谱的重复覆盖,能够有效弥补了光强分布方向性引起的频谱覆盖缺陷,通过实验验证了方法的适用性,并确定了填充因子的有效范围。(5)振铃效应探测与消除。提出结合视觉感知特性的振铃探测方法:利用梯度方向随机度和局部方差值两项指标综合衡量像素邻域内的纹理复杂度,得到像素级精度的纹理区;将主边缘邻域内的全边缘视为可能的边缘振铃,结合纹理掩盖效应得到振铃区和平坦区。基于图像分区选择不同参数,利用双边滤波消除振铃,实现消除振铃效应的同时保持边缘纹理,克服相位误差对合成孔径系统图像复原质量的影响。(6)像素几何位移分析。利用特征点匹配分析了填充因子、阵列结构、成像方式、相位误差和图像后处理等因素对合成孔径对地观测与复原图像像素几何位移的影响。证明中心聚合型阵列、旋转成像与多帧复原技术以及振铃探测消除方法在优化合成孔径阵列成像性能的同时,也有助减小图像像素几何位移。
【关键词】：光学合成孔径 成像性能 相位误差 光瞳优化 旋转阵列 振铃效应
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 合成孔径望远镜及传感器介绍12-18
• 1.2.1 地基拼接望远镜与干涉仪12-15
• 1.2.2 光学合成孔径传感器与测试床15-18
• 1.3 光学合成孔径关键技术研究概况18-22
• 1.3.1 光瞳结构优化18
• 1.3.2 成像特性18-19
• 1.3.3 相位误差19-20
• 1.3.4 图像复原20
• 1.3.5 成像系统设计20-22
• 1.4 研究内容与章节安排22-24
• 第2章 光学合成孔径成像系统24-38
• 2.1 技术分类与特性24-26
• 2.2 点扩散函数和光学传递函数26-28
• 2.2.1 单孔径系统26-27
• 2.2.2 多孔径系统27-28
• 2.3 相位误差28-29
• 2.4 特征指标29-35
• 2.4.1 阵列结构29-30
• 2.4.2 填充因子30-31
• 2.4.3 截止频率31-32
• 2.4.4 等效孔径32-34
• 2.4.5 峰值积分旁瓣比34-35
• 2.5 成像链路35-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第3章 增强中低频能量的光瞳结构优化方法38-51
• 3.1 光瞳结构优化技术38-39
• 3.2 图像质量客观评价方法39-42
• 3.2.1 基于统计特性的图像质量评价39-41
• 3.2.2 基于HVS的图像质量评价41-42
• 3.3 典型阵列的成像质量对比42-44
• 3.4 加权频段能量曲线44-47
• 3.5 中心聚合型阵列47-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第4章 基于远场图像的活塞误差探测方法51-66
• 4.1 相位误差对观测图像及复原质量的影响51-54
• 4.2 相位误差水平指标54-56
• 4.2.1 活塞误差均值54-55
• 4.2.2 倾斜误差均值55-56
• 4.3 基于基线中垂线的活塞误差探测方法56-60
• 4.4 探测精度影响因素分析60-62
• 4.5 图像恢复与去噪62-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第5章 提高相位误差容限的多帧成像与复原方法66-88
• 5.1 二维阵列旋转与多帧成像66-71
• 5.2 相位误差容限分析71-73
• 5.3 新旧阵列对比实验73-77
• 5.4 一维非冗余阵列构造77-80
• 5.5 基线旋转与多帧成像80-84
• 5.5.1 多帧成像方案选择80-82
• 5.5.2 相位误差影响消除82-84
• 5.6 一维旋转阵列适用性分析84-86
• 5.6.1 多帧成像方式对比84-86
• 5.6.2 填充因子权衡86
• 5.7 本章小结86-88
• 第6章 针对含相位误差复原图像的振铃探测与消除方法88-102
• 6.1 振铃效应88-91
• 6.2 人类视觉感知特性91-92
• 6.3 结合视觉感知的振铃检测方法92-95
• 6.3.1 纹理区92-93
• 6.3.2 振铃区93-95
• 6.4 自适应双边滤波95-96
• 6.5 实验结果与分析96-101
• 6.5.1 自适应双边滤波实验96-97
• 6.5.2 振铃探测与消除实验97-101
• 6.6 本章小结101-102
• 第7章 光学合成孔径图像的像素几何位移分析102-115
• 7.1 仿真成像与复原结果的配准精度102-105
• 7.2 填充因子与阵列结构对配准精度的影响105-107
• 7.3 相位误差对配准精度的影响107-112
• 7.3.1 活塞误差影响107-109
• 7.3.2 倾斜误差影响109-110
• 7.3.3 精度分析110-112
• 7.4 多孔径阵列后处理图像配准精度实验112-114
• 7.5 本章小结114-115
• 第8章 总结与展望115-117
• 8.1 总结115-116
• 8.2 展望116-117
• 致谢117-118
• 参考文献118-125
• 作者简历125

【参考文献】

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