基于混合算法的光学合成孔径成像系统孔径优化

结合模拟退火算法和遗传算法的优点,在遗传算法中加入模拟退火算子,运用这种混合算法对子孔径结构进行了优化。以阵列的子调制传递函数覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,实现了单圆周孔径阵列和双圆周孔径阵列的优化排列。使用仿真程序对优化阵列的光学传递函数进行了分析,将优化结果与相同子孔径数目的单圆周结构进行仿真实验和比较。结果表明,采用这种混合算法是可以很好的解决光学合成孔径结构的优化问题,优化结果接近全局最优解,优化后的双圆周阵列接近Golay阵列,具有更大的实际空间截止频率。     

二维圆周光综合孔径阵的优化排列及其成像特性研究

光综合孔径成像的原理是应用干涉原理在空间频率域中进行采样,并通过傅里叶反变换或其他数值变换方法得到空间分辨力远高于单个孔径成像系统的目标图像。由若干个相同的小孔径在二维圆周上优化排列组成的综合孔径成像系统可以在二维空间频率域中实现较为均匀分布的、具有无冗余度的采样点覆盖,为高质量实时成像提供了一个有效的途径。运用模拟退火算法对由7～16个子孔径组成的二维圆周综合孔径阵列进行优化排列。并依据光学衍射成像原理,从空域和频域两个方面详细分析了二维圆周上优化排列与均匀排列光综合孔径阵的成像特性。对7～16个子孔径组成的光综合孔径的仿真结果表明：无论是在空域还是频域上,子孔径直径增大、孔径数目增多以及综合孔径阵的优化排列都是有利于提高成像质量的。但综合后的子孔径的直径的增大,虽然能获得极高的角分辨力,却并不利于成像质量的提高。     

基于改进空间频率域采样的天文光干涉望远镜阵列优化

提出一种基于改进空间频率域(UV)采样的阵列评价函数,用于长基线天文光干涉望远镜阵列几何结构的优化。该评价函数将UV采样区域沿径向和角度方向分别进行划分,统计划分所得区域中UV采样点数目并计算UV采样点密度,以UV采样点密度偏离理想高斯分布的大小作为评价依据。在具体的优化技术上,利用遗传算法的全局收敛特性,降低了传统算法对初始结构的依赖,采用该评价函数对6孔径望远镜阵列进行优化设计,并与国际主流天文光干涉阵列CHARA进行了性能对比。分析结果表明:优化所得Array-6阵列UV采样点密度分布具有径向连续覆盖和低频强调的特点,有利于对轮廓信息的恢复;双星模拟成像实验中Array-6阵列重构图像相对于原始图像的误差为21.34,相比CHARA阵列降低了18.16%,具有更高的成像质量。该优化算法具备优化大孔径数目阵列的能力,对于射电波段望远镜阵列的优化设计亦有一定的参考意义。     

混入逃逸函数的实数编码遗传算法优化光学系统

为了得到超多参量光学系统的最佳设计,将标准遗传算法的二进制编码改为实数编码以提高算法的鲁棒性和计算效率,并在评价函数中混入逃逸函数避免优化过程陷入局部极值.用改进后的遗传算法和CODE V对鱼眼镜头光学系统和折反射全景成像系统的设计案例进行光学参量优化,并应用Zemax对两种优化结果进行光线追迹成像模拟.计算结果表明,应用改进遗传算法比混入逃逸函数的遗传算法或CODE V软件优化所得到光学系统的成像质量有明显提高,在优化超多参量光学系统时具有较为理想的鲁棒性和计算效率.     

应用分割矩阵全局优化算法设计用于编码孔径成像的二维阵列

二维编码阵列是编码孔径成像的关键部件,它直接决定着再现的层析图像的质量。目前仍没有一种理想的二维阵列既具有较高的量子收集率,又具有良好的层析成像特性。采用一种新的方法———分割矩阵(DIRECT)全局优化算法,设计二维阵列,该算法适用于多变量“黑盒”问题的求解,并且具有比其他优化算法更快的收敛速度。其目的是设计一类自相关函数旁瓣最大值为1,同时具有最大填充率的二维编码阵列。理论分析及实验结果表明:用该算法搜索得到的二维阵列既具有较高的量子收集率,又具有良好的层析成像特性。     

稀疏孔径双圆周阵列的成像性能研究

针对传统稀疏孔径均匀圆周阵列的调制传递甬数在截止频率区域内易出现零值而影响成像质量的问题,提出一种由两个均匀圆周阵列嵌套构成的无冗余的双圆周稀疏孔径结构.给出该阵列的光瞳函数以及调制传递函数的解析表达式.以5-3结构的双圆周阵列为例,以实际空间截止频率为像质评价准则,从子孔径直径、内环圆周半径以及内环旋转角度等几个方面详细分析了双圆周阵列的成像特性,给出不同情况下的实际截止频率值,并对双圆周阵列稀疏孔径系统进行模拟成像和图像复原.将该结构与均匀圆周阵列.Comwell优化圆周阵列进行比较.结果表明,相同条件下,该阵列具有更大的实际空间截止频率,并且成像质量随着填充因子的减小而逐渐下降.     

基于实际空间截止频率的稀疏孔径双圆周阵列的优化

提出了一种新的稀疏孔径光瞳结构—两个圆周阵内外嵌套而成的双圆周结构,并研究了该结构的调制传递函数.该结构以实际空间截止频率作为约束条件,保证调制传递函数在最小截止频率以内无零频,以阵列的u－v覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,并采用这种优化方法对3-3、5-3以及6-3双圆周阵列进行了优化排列.将优化结果与相同子孔径数目的均匀圆周阵以及Golay结构进行仿真实验和比较.结果表明,优化后的双圆周阵列,具有最大的实际空间截止频率和实际等效口径.     

基于实际空间截止频率的稀疏孔径双圆周阵列的优化

提出了一种新的稀疏孔径光瞳结构-两个圆周阵内外嵌套而成的双圆周结构,并研究了该结构的调制传递函数.该结构以实际空间截止频率作为约束条件,保证调制传递函数在最小截止频率以内无零频,以阵列的u-v覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,并采用这种优化方法对3-3、5-3以及6-3双圆周阵列进行了优化排列.将优化结果与相同子孔径数目的均匀圆周阵以及Golay结构进行仿真实验和比较.结果表明,优化后的双圆周阵列,具有最大的实际空间截止频率和实际等效口径.     

基于编码孔径的折反射全向压缩成像技术

为解决折反射全向成像分辨率低的问题,设计了一种基于编码孔径的折反射全向压缩成像原型系统。在分析点扩展函数和测量矩阵关系的基础上,提出了基于随机点扩展函数的编码孔径设计方式,并通过中继透镜和空间光调制器实现编码孔径的可编程控制。结合折反射成像特点,基于全向全变分算法实现全向图像稀疏重构,得到高分辨率的全向图像。研究搭建了光学成像硬件平台,通过仿真实验和实际装置实验两个方面验证了折反射全向压缩成像技术的有效性和可行性,有效地解决了折反射全向成像分辨率低的问题,对促进其在相关领域的广泛应用具有重要意义。     

直线阵光学综合孔径成像中的子孔径尺寸效应

光学综合孔径阵列中的子孔径的位置和直径的大小对成像质量有着重要的影响。详细分析了几种不同优化排列的光学综合孔径直线阵列的无像差点扩展函数、光学传递函数和衍射成像特性．结果表明,子孔径的位置不同．光学传递函数的空间频率覆盖有很大的差异。增大子孔径的直径可以增大空间频率覆盖程度．但子孔径直径过大时义会产生空间频率冗余度和增加制造成本。直线阵光学综合孔径的衍射成像是多重像,子孔径直径的增大还可以减小重影的程度,提高成像质量。结果说明,在进行光学综合孔径阵列优化排列时必须考虑子孔径的直径大小这个重耍的因素。     

光学综合孔径成像技术实验研究

根据光学综合孔径成像系统的成像质量与点扩散函数和光学传递函数的关系,以G o lay-3阵列结构为例,从空间域和频率域对光学综合孔径成像技术进行理论仿真和实验研究。在空间域从理论上分析光学综合孔径成像系统的点扩散函数,对复杂目标的成像通过目标函数与点扩散函数的卷积求得,点扩散函数决定了成像质量。通过数值仿真和模拟实验取得了点扩散函数强度分布图,两者分布规律一致证明理论分析正确。在频率域研究光学综合孔径调制传递函数,理论仿真和实验取得的调制传递函数表明,空间域和频率域内光学综合孔径成像技术的理论分析与实验结果具有较好的一致性。     

子孔径布局对拼接光学系统像质的影响

 由衍射理论模型出发,分析了子孔径布局对光学系统点扩散函数的影响,从而进行傅里叶变换计算出其对光学系统光学传递函数的影响|并由光学设计软件内嵌程序将子孔径布局实际地加入到设计的光学系统中,分析各种不同子孔径布局对光学系统像质的影响.通过由衍射理论出发的计算结果与设计软件内嵌程序的模拟仿真结果的对比,软件内嵌程序的模拟仿真结果得以验证.针对子孔径布局对具有相同相对孔径光学系统的影响进行了仿真计算,对与子孔径拼接原理样机具有相同相对孔径和中心遮拦比的反射式光学系统,针对相同孔径布局对其光学传递函数的影响进行了实际测试,通过仿真计算结果与测试结果的对比分析表明,孔径布局对具有相同相对孔径拼接光学系统的光学传递函数影响趋势一致的结论,从而为子孔径拼接原理样机研究的实用性及像质检测提供了理论依据.     

衍射受限光学合成孔径成像系统像质评价

简述了光学合成孔径成像系统的原理,合成孔径成像系统在获得高截止频率的同时,降低了系统的中频性能,在空域表现为点扩展函数次峰增加。然后运用两点分辨率和光学传递函数对衍射受限光学合成孔径成像系统的像质评价问题进行了分析,指出了瑞利判据、斯派罗准则和“门限”判据的不足,认为当点扩展函数次峰大于主峰的0．5倍时,合成孔径系统与单孔径系统相比将失去优势。以光学传递函数为标准。分析三孔径合成系统子孔径尺寸、相互间距与等效系统孔径尺寸之间的关系。当子孔径直径不变时,随着其所在圆半径的增大,实际截止频率先增大,然后减小。     

Genetic optical design for a compressive sensing task

We present a sophisticated optical design method for reducing the number of photodetectors for a specific sensing task. The chosen design parameter is the point spread function, and the selected task is object recognition. The point spread function is optimized iteratively with a genetic algorithm for object recognition based on a neural network. In the experimental demonstration, binary classification of face and non-face datasets was performed with a single measurement using two photodetectors. A spatial light modulator operating in the amplitude modulation mode was provided in the imaging optics and was used to modulate the point spread function. In each generation of the genetic algorithm, the classification accuracy with a pattern displayed on the spatial light modulator was fed-back to the next generation to find better patterns. The proposed method increased the accuracy by about 30 % compared with a conventional imaging system in which the point spread function was the delta function. This approach is practically useful for compressing the cost, size, and observation time of optical sensors in specific applications, and robust for imperfections in optical elements.