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光学稀疏孔径成像系统关键问题研究

易红伟  
【摘要】: 空间分辨率是评价空间光学遥感器观测能力的重要技术指标。为了提高空间分辨率势必要增大空间光学系统的口径。但是,系统口径的增大受到材料、重量、成本和有效载荷舱体积等诸多因素的限制。光学稀疏孔径成像系统是解决上述问题的有效手段之一。本文主要对光学稀疏孔径成像系统基本理论及其若干关键问题进行了研究。特别是对稀疏孔径结构优化和光束合成误差传感两个重要方面进行了深入的分析,并提出了新的技术方法。 本篇论文的主要研究内容如下: 1.对光学稀疏孔径成像系统的基本理论进行了分析和仿真验证。 分析了光学稀疏孔径成像技术的基本原理,给出了稀疏孔径成像系统的定义和系统的主要结构形式。从理论分析和仿真实验两个方面对光学稀疏孔径成像系统的PSF和MTF进行了研究,给出了相应的函数表达式和评价稀疏孔径结构的特征指标。分析了几种典型的稀疏孔径结构及其MTF的分布特点。研究了利用光学稀疏孔径系统简化模型进行模拟成像以及图像复原问题。 2.对稀疏孔径结构设计和优化问题进行了深入的研究,并提出了一种稀疏孔径结构优化的新方法—孔径结构优化的蒙特卡罗反演方法。 稀疏孔径结构对系统MTF的分布具有直接的影响。孔径结构的设计和优化是光学稀疏孔径成像系统研究的关键问题之一。本文首先从一维线性孔径阵列的角度研究了稀疏孔径结构对系统MTF产生的影响和孔径结构设计时应该注意的问题。在此基础上提出了一种稀疏孔径结构优化的新方法—孔径结构优化的蒙特卡罗反演方法。该方法采用细化的正三角形网格对孔径结构模型空间进行了离散化,使待考察孔径结构模型的数量大大缩减,用随机搜索和系统搜索交替进行的方式对孔径结构模型空间进行搜索,提高了优化的速度和准确性。利用该方法对包含不同子孔径数目的二维稀疏孔径结构进行了优化计算,并测试了新方法的优化效率。结果表明新方法对孔径结构模型空间的离散化方式更为合理,具有较高的优化效率,其优化结果与相关文献的结论基本一致。最后,对一种二维稀疏孔径阵列—等边六孔径结构进行了分析。 3.对光学稀疏孔径成像系统存在的光束合成误差进行了分析。 本文以多望远镜结构作为系统的基本结构讨论了光学稀疏孔径成像系统主要存在的三种光束合成误差:活塞误差、倾斜误差和瞳映射误差。通过理论推导和仿真计算分析了它们对系统点扩散函数、调制传递函数以及视场角的影响。 4.对光束合成误差传感方法进行了深入的研究,并提出了一种光束合成误差传感的新方法—基于SOFM神经网络的PD光束合成误差传感方法。 子光束的同位相合成是利用光学稀疏孔径成像技术提高系统空间分辨率的关键环节。对光束合成误差传感方法的研究具有重要的意义。相位差异(Phase Diversity,PD)波前传感方法由于其自身的特点在稀疏孔径成像系统波前误差传感和校正方面具有很大的潜力和发展前景。本文详细分析了PD波前传感方法的基本原理,介绍了把人工神经网络引入PD波前传感技术的原因和现状。针对传统PD传感技术计算量大的缺点和在现实中难以构造大规模神经网络训练样本集的困难,提出了一种基于SOFM神经网络的PD光束合成误差传感方法。该方法可以提高对光束合成误差传感的速度,并大大缩减网络训练样本集的规模。为了测试新方法的性能,在MATLAB软件平台上实现了对Golay-3稀疏孔径系统光束合成误差闭环传感与控制的仿真实验。实验结果表明:新方法能够对系统存在的光束合成误差进行正确的估计。一般经过4次迭代后,系统RMS波前误差被减小到λ/14以下。从而证明了新方法在理论上是一种性能良好的快速波前传感方法,具有潜在的应用价值。 5.进行了相关验证实验。 本研究在光学稀疏孔径成像技术基本原理和简化系统模型的基础上,建立了原理性实验验证装置。对不同稀疏孔径结构下系统点扩散函数的分布形式、活塞误差对双孔径系统点扩散函数的影响和SOFM网络PD光束合成误差传感方法对Golay-3系统中一个子孔径的活塞误差进行估计的可行性进行了实验验证。实验结果证明了相关理论分析和计算机仿真实验的正确性,以及新方法在现实中的可行性。


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