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相位差波前探测技术的研究及其在弱目标重建中的改进

于洪丽  
【摘要】:相位差波前探测技术(phase diversity techinique,PD)利用同时采集到的若干幅图像进行波前探测以及图像重建,其中若干幅图像间通过引入已知的相位差异建立起一定的成像关系。相位差波前探测技术已经广泛应用于自适应光学和主动光学等领域,本文围绕其波前探测和图像重建两大应用方向的关键技术进行了相关的理论和实验研究。首先,在空间域和频率域对非相干光学成像系统中的物像关系进行了详细分析,非相干成像系统的光学传递函数是广义光瞳函数的归一化自相关函数,分析了系统中的波前像差所引起的光学传递函数的变化。全面阐述了相位差波前探测技术的基本原理,依据极大似然估计理论推导了基于高斯噪声模型下的目标函数和原始物信息的表达式。其次,利用适当的最优化算法对上述目标函数进行求解从而得到系统中的波前像差信息和原始物信息,对最优化算法的选取进行了研究。详细介绍了几种常用的多维无约束非线性最优化算法,并给出最速下降法的计算结果,表明其在一定情况下不能满足要求。本文采用粒子群优化算法,数值模拟了多组随机波前像差,对于不同面形的波前畸变,在RMS值为0.1?~0.5?范围内探测波前的残余误差均小于2 107?-?,探测误差百分比不足4 105%-?,并且重建图像像质良好,粒子群优化算法能够满足当前事后图像处理技术的要求。再次,对相位差波前探测技术进行了定量化实验研究,搭建了基于液晶空间光调制器的实验光路,利用液晶空间光调制器定量施加不同大小的随机波前畸变,并进行探测,解决了利用湍流屏施加波前像差时难以量化研究的问题,验证了PD算法实验上了可行性与实用性。最后,针对相位差波前探测技术的应用领域的特点,弱目标的观测将更加常见,采集图像中将会受到大量泊松噪声的污染,影响了波前探测的精度,重建图像上依然保留采集到的噪声信息。本文提出了有效的改善方案,将BM3D应用于相位差波前探测技术,作为预处理过程对图片首先进行去噪声处理,再带入到传统的相位差算法。数值模拟中,改进PD算法得到的波前探测残余误差较传统PD算法提升了40%;改进PD算法得到的重建图像与原始图像之间的结构相似性始终维持稳定,整体下降幅度不到10%,而传统PD算法得到的结构相似性曲线下降显著,整体下降幅度在50%左右。实验结果与数值仿真结果高度一致,该改进方法在数值模拟和实验上都验证了其能够有效改善传统PD算法对泊松噪声的敏感性。


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