光学综合孔径望远镜成像分析及计算机仿真

阐述了光学综合孔径(OSA)望远镜成像原理以及综合孔径望远镜的几种实现形式；采用快速傅里叶变换(FFT)算法得到了任意子孔径综合模式下的点扩展函数(PSF)和光学传递函数(OTF)分布；从子孔径结构排列、共相位、图像恢复几个方面论述了光学综合孔径的成像特征。初步分析了稀疏率、填充因子、“实际截止频率”等因素对光学综合孔径望远镜成像的影响。分析和仿真结果表明：光学综合孔径通过相干成像不但可以突破传统单孔径系统的口径局限获得极高的成像分辨率，而且对于实现空间光学遥感系统轻量化和模块化都具有重要意义。     

基于倾斜刃边法的调制传递函数计算及图像复原

调制传递函数(MTF)是描述光学成像系统信息传递频率特性的一个关键指标。在成像系统满足线性和空间不变性的条件下,对于含有点、狭缝和边缘等不同特征的图像,可以使用相应的方法计算得到成像系统的MTF。采用了倾斜刃边法来计算得到成像系统的MTF,分析了成像器件和算法步骤对计算结果产生的影响,进行了相应的校正,提高了计算结果的准确性。运用MTF补偿(MTFC)技术,分别使用了镜头MTF的设计值、测量值和计算值对实际拍摄得到的图像进行了复原。通过对以上3种复原图进行对比,实验结果证明了MTF计算值的可靠性和用于降质图像复原时的有效性。     

色散型成像光谱仪整机成像质量研究

根据色散型成像光谱仪静态和扫描成像两种工作模式的特性,提出了通过狭缝法测试成像光谱仪系统静态的调制传递函数(modulation transfer function,MTF),通过刀口法测试系统扫描成像的MTF的完整的测试方案,并给出了测试实例。刀口法给出了系统扫描成像时沿扫描方向和垂直扫描方向的MTF;狭缝法采用虚拟狭缝代替成像光谱仪的自身狭缝测试了系统静态时的MTF,两者测试结果基本吻合。虚拟狭缝法对于其他存在狭缝的成像光谱仪系统成像质量的测试具有借鉴意义。     

航空相机像旋动态调制传递函数分析与研究

航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转,会导致图像模糊,成像质量下降,必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前,通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度,都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空相机成像质量与像旋补偿系统其他指标之间的直接关系,提出基于极坐标系的动态调制传递函数(MTF),并提出基于倾斜刃边法与模糊路径法相结合的方法测量航空相机旋转像移动态MTF。设计扇形靶标旋转动态成像实验,利用旋转动态MTF和倾斜刃边法得到图像动态MTF计算值,并基于图像模糊路径测量转台转动时图像动态MTF测量值。实验结果表明,转台以20~300(°)/s匀速转动时,空间频率在旋转动态MTF到达第一个零点频率前,动态MTF计算值和测量值曲线近似重合,验证了旋转动态MTF的正确性;空间频率在小于0.7零点频率范围内,两动态MTF曲线相对误差最大值和均值分别小于6%,2%,进而证明了测量方法的准确性。     

TDI CMOS图像传感器曝光时间优化方法研究

为了提高时间延迟积分互补金属氧化物半导体(TDI CMOS)图像传感器的成像质量,研究了TDI CMOS图像传感器中曝光时间的选取对成像质量的影响。基于行滚筒曝光读出原理,分别分析了曝光时间对信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)的影响机理,根据分析结果,提出在级数已选定的情况下,曝光时间的选取存在最优值,此时得到的图像质量较好。为验证结论,基于自主研发的TDI CMOS图像传感器芯片及现场可编程门阵列(FPGA)开发板,搭建了TDI CMOS图像传感器成像测试系统。实验中采用MTF×SNR作为评价图像质量的指标,实验结果表明,在选定的相机参数下,积分级数为8级,光强为20 lx时,TDI CMOS图像传感器曝光时间选取64 ms时所得到的图像质量最好,此时MTF×SNR最大。     

计算光谱成像技术的成像质量评价

计算光谱成像是一种新型的光谱成像技术,具有高通量、快照式成像等优点,但关于其成像质量评价的研究还很少。工作中探索了一种计算光谱成像系统成像质量的定量评价方法。该方法利用ISO 12233靶标作为目标源,进行成像、图谱信息重构,并通过测量重构图的调制传递函数(MTF)作为计算光谱成像系统的成像质量评价标准。结果表明,对于单帧采样,随着混叠谱段数的增加,重构图MTF迅速下降,当混叠波段的数目达到9个时,重构图MTF与目标场景图像相比已下降50%。该研究有助于理解计算光谱成像技术的优缺点,合理安排混叠谱段的数量,以精确地复原目标信息。     

动态MTF的数值计算与分析

受振动的影响,在积分时间内,光学系统成像是一个动态过程.对于动态成像,常采用动态调制传递函数(MTF)作为评价振动对像质影响的工具.针对动态MTF,提出一种适用于任意运动形式的数值计算方法,该方法还可以扩展到计算二维运动时的动态MTF.该方法可用于预估和评价动态成像系统的成像质量,计算的结果还可用于运动模糊图像的仿真与...     

分形结构稀疏孔径阵列的成像性能

根据分形的自相似性理论提出一种分形稀疏孔径阵列结构.该阵列是以Golay-3为分形结构单元,按自相似方式扩展构成的一种多层分形阵列结构.采用无量纲约化参数对其结构进行表征,给出光瞳函数和调制传递函数解析表达式.通过数值计算分形结构在不同填充因子和不同外层旋转角下的调制传递函数、实际截止频率和中频特性,比较分析了当孔径数分别为N=3,N=9,N=18阵列的MTF及特性参数.结果表明,当填充因子为0.0952F≤0.2246d0=1时,其变化对MTF曲线影响较小.外层旋转具有周期性,转角的变化对实际截止频率没有大的影响.当约化孔径参数,填充因子为22.46%时,N=18阵列的中频特性更加平稳,实际截止频率也更高.利用分形自相似性可以在相对保持中频特性的前提下有效地扩展系统孔径.由于采用约化孔径参数,数值计算结果具有标度不变性.     

基于多频段区域互信息的光学成像系统性能评价

提出一种基于多频段区域互信息(MRMI)的光学成像系统性能评价方法。由信息论出发,结合人类视觉系统(HVS)分频感知原理,利用小波变换将物面与像面图像分解为多个频段,分别计算各频段区域互信息(RMI),再由小波滤波器和MTF的空间频段积分比计算各频段RMI的权重系数,加权综合得到多频段区域互信息(MRMI)。实验分析了具有不同像散度的光学系统点光源成像,最终得到的评价参数MRMI随着光学系统像散度的不断增大而趋于减小,曲线拟合结果表明MRMI值与像散度呈幂函数关系,确定系数达0.981以上。与MTF等传统光学系统性能评价方法相比,MRMI值量化反映了光学系统的成像性能,且与人眼视觉感知相一致。     

光纤成像光谱仪中谱线畸变对调制传递函数的影响

将光纤传像束应用到色散型成像光谱仪中取代其狭缝,链接望远系统和光谱仪组成光纤成像光谱仪。它是二重采样系统,光谱仪的谱线畸变使光纤束采样像元的像与探测器像元之间产生对准偏差,从而对第二次采样过程产生影响,导致调制传递函数(MTF)下降。从线扩散函数角度出发推导出采样过程光学传递函数,分析了谱线畸变对系统MTF的影响,建立了一套评价光纤成像光谱仪MTF的模型。该模型比狭缝型成像光谱仪MTF计算模型多了一项光纤积分MTF因子和一项由谱线畸变引起的对准偏差MTF因子,最后用该模型评价了某机载可见近红外波段光纤成像光谱仪MTF。MTF计算模型的推导和建立方法对计算二重采样系统光学传递函数有参考意义,能指导光纤成像光谱仪的设计。     

CCD自扫描测量光电摄像系统MTF的方法

调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)是评价成像系统成像质量的重要指标。介绍了用MTF评价光电摄像系统成像质量的方法。采用电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)自扫描接收通过MSFC_IV中焦和短焦平行光管后的被测试样的星点图样,经数据采集、转换及处理,定量地给出了被测试样的MTF值。结果表明,该方法能够快速、准确地定量评价光电摄像系统的成像质量。     

一种新的光学合成孔径系统成像性能指标与光瞳优化方法

为探索能够准确反映合成孔径系统成像性能的特征指标,计算比较了三种典型的六孔径阵列的填充因子上下限、截止频率、截止能量比以及相关系数等参数,发现其成像质量主要与调制传递函数(MTF)中低频段的频谱分布有关。在此基础上,提出了综合考虑频率高低与频段分布均匀性的加权频段能量曲线,可以较准确地反映不同阵列在成像质量方面的差异。为实现MTF中低频段频谱能量最大化,对三种阵列的光瞳结构进行优化,得到对应的中心聚合型阵列。实验结果表明,新阵列在成像质量上明显优于原阵列,填充因子范围也能满足一般设计需求。     

红外光电成像系统MTF测试技术分析

调制传递函数是评价红外光电成像系统整机成像质量的重要指标之一。通常MTF的测试方法有狭缝法和刀口法等。详述了倾斜目标靶（斜狭缝和斜刀口）测试MTF的测试原理,并且对该两种方法进行了比对实验。提出一种改进刀口法,将多行数据刃边对齐并排列成一行数据作为刀口扩散函数,能增加采样点数和采样率并提高测试分辨率,进而得到刀口图像,对每行数据先微分得到各行LSF(线扩散函数),再对LSF多行数据构成的新图像按照斜缝法处理过程计算MTF。实验验证表明,该方法数据能够有效地降低在MTF测试过程中的噪声影响,与斜缝法MTF测试结果差值最大不超过7.5%。     

湍流环境中水下成像系统的调制传递函数研究

为了研究湍流对水下成像系统的影响,搭建了一套光学成像实验系统,利用水泵和水槽制造流速可控的湍流实验区域,使用CCD对正弦条纹目标成像,并分析图像质量。通过对实验环境的控制,得到不同浑浊度和不同流速下的成像结果,并提取调制传递函数(MTF)对结果进行分析。结果表明,悬浮颗粒散射在整个空间频率上造成调制对比度下降;而湍流散射更容易造成高空间频率域的MTF下降;随着进水口处流速的增加以及水体衰减系数的增大,其MTF曲线加快衰减;在湍流环境下的成像,图像失真和分辨率下降由颗粒散射和湍流散射共同造成。     

TDI-CMOS图像传感器多次采样叠加调制传输函数模型研究

提出了多次采样叠加下时间延迟积分(TDI)CMOS图像传感器沿扫描方向的调制传输函数(MTF)分析模型。基于行滚筒曝光读出原理,研究了一个行时间内采样次数、叠加次数、TDI级数和速度失配比对扫描MTF的影响机理。为验证扫描MTF模型,基于TDI-CMOS图像传感器将连续视场映射为离散图像的几何和能量传输关系分析,建立了成像仿真系统并利用刃边法计算MTF曲线。仿真结果表明,扫描MTF随着采样次数增加而增大;当采样次数固定,扫描MTF随着叠加次数增大而减小;扫描MTF随着速度失配比和TDI累加级数增大而减小。     

基于反射点源的高分辨率光学卫星传感器在轨调制传递函数检测

调制传递函数(MTF)可用来评估高分辨率光学卫星传感器像质,在轨MTF检测对于高分辨率卫星遥感数据的应用和未来卫星遥感器的发展具有重要意义。提出一种基于反射点源的直接检测方法,利用遥感影像数据计算得到成像系统的点扩展函数(PSF),进而获取系统的MTF值。根据成像关系和点光源图像数据,并利用非线性方程优化求解的方式得到被测光学卫星传感器成像系统的一维线扩展函数值,进而验证了可近似用高斯模型来表征高分辨率光学卫星传感器的PSF。实验结果表明,基于反射点源的光学卫星传感器在轨MTF检测结果与基于刃边靶标的在轨MTF检测结果的差异小于5%,能够实现高分辨率光学卫星传感器的在轨MTF检测。     

复合三子镜的成像研究

提出一种由九个子镜构成的复合三子镜稀疏孔径结构。给出该孔径的光瞳甬数以及三种不同型的结构形式,并导出它的调制传递函数的解析表达式。对三种不同型的调制传递函数进行了分析比较,阐明复合三子镜三种结构各自的特点。通过数值计算给出复合三子镜Ⅰ型结构的最大截止频率和不同填充因子的等效直径。对不同填充因子下的复合三子镜进行模拟成像、加噪与图像重构,并用两种指标对不同情况下的图像进行像质评价。结果表明,复合三子镜像的空间分辨率,基本接近包围孔径像的分辨率,成像质量和信噪比随着填充因子的减小逐渐下降。经过维纳去卷积滤波,图像质量有所提高。复合三子镜具有结构灵活、易于装调的优点。     

航空光电成像系统像移补偿技术研究

航空光电成像系统由于像移的存在导致成像分辨率下降,严重影响航空光电系统的整机性能。采用像移补偿技术可以提高航空光电系统成像质量。分析了移动探测器像移补偿技术原理与运动光学元件像移补偿技术原理,重点研究了基于快调反射镜(FSM)的高精度像移补偿技术。通过工程简化分析,分别推导了快调反射镜位于平行光路和会聚光路的像移补偿随动角度规律,并针对会聚光路中快调反射镜带来的离焦量进行分析,讨论了离焦量对光学系统波像差的影响。仿真结果表明,随着离焦量的增加,波像差呈线性增大趋势。通过分析光学系统波像差对其光学调制传递函数（MTF）的影响,结果表明F数等于8,在奈奎斯特频率处,当离焦量在0.1 mm以内,光学调制传递函数MTF的下降量在26.6%以内。     

采用CCD错位成像技术提高图像质量

为了克服现有电荷耦合器件(CCD)错位成像实现方法结构复杂、对移位精度要求苛刻等缺点,提出并实现了利用高精度二维平移台对单个CCD相机整体二维移位,对一定物距远处靶标成像。采用三次B样条插值、交错重组,对得到的具有既定相互位移关系的多幅相互错位半个像元的低分辨率图像进行重建,得到高分辨率图像。采用刃边法估算点扩展函数,对重建高分辨率图像进行图像复原,得到最终高分辨率图像。结果表明,采用错位成像,图像目视视觉分辨力提高了1.4倍,图像混叠效应降低,图像复原将调制传递函数面积(MTFA)由0.1577提高到0.2937。实验表明,错位成像技术能提高图像分辨力,降低图像混叠,增强图像质量,图像复原可以有效补偿重建的高分辨率图像的调制传递函数(MTF),解决了错们成像中重建图像分辨力提高但MTF下降的问题。     

一种红外成像制导中的图像分割算法

红外成像制导导弹的图像分割是图像处理中的重点和难点之一。针对飞机目标红外图像的特点,提出了一种有利于目标特征点识别的图像分割算法。它首先采用区域填充的方法对图像进行分割,然后在此基础之上利用形态学原理对分割过程中产生的"洞"区域进行填充,最后得到比较精确的分割图像。对于实现红外成像制导导弹的稳定跟踪具有一定的应用价值。