光学合成孔径成像技术及发展现状

基于干涉成像理论介绍了合成孔径成像技术原理。分别从成像过程、成像特性、视场大小、适用范围等方面对迈克尔逊型和菲索型两种合成孔径成像系统做了对比,重点介绍了这两种类型合成孔径望远镜在地基系统和天基系统上的应用、发展现状及发展趋势,指出迈克尔逊型合成孔径望远镜将会向着长基线、复杂基线结构的方向发展,而菲索型合成孔径望远镜则会向着复杂孔径排列结构的方向发展,以组成等效孔径为其子孔径几倍甚至几十倍的系统。与传统光学系统相比,合成孔径系统具有分辨力高、镜面加工难度小、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨力光学成像的一种有效途径,幸运成像、分布发射与在轨装配、无支撑薄膜望远镜等各种新技术都可以引用到合成孔径技术中来。     

合成孔径激光成像雷达(Ⅴ):成像分辨率和天线孔径函数

基于合成孔径激光成像雷达(SAIL)二维数据收集方程和成像算法,研究了圆形孔径和矩形孔径光学望远镜天线的方位向成像分辨率,导出了点扩展函数的解析表达式,分析了理想成像点尺寸及其光学足迹中心偏离、相位二次项匹配滤波失匹、空间采样宽度、采样周期等的影响;也研究了距离向成像分辨率并分析了非线性啁啾补偿等的影响.对于各种影响因素都给出了数学判据,特别是发现了矩形孔径的光学望远镜可以产生适合于SAIL扫描方式的矩形光学足趾并消除方位向分辨率不均匀降低,可以设计最佳的矩形孔径的尺度分别控制光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度,得到大扫描宽度和高方位向分辨率;也发现了目标外差延时必须尽量小以克服非线性啁啾和初始光频不稳定性相位误差.     

大口径光学合成孔径成像技术发展现状

简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比,光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。     

从恒星强度干涉仪、星体散斑干涉仪到空间强度自关联合成孔径望远镜

随着天文观测对空间分辨率性能需求不断提升,迫切需要发展十米级、百米级甚至公里级光学合成孔径的望远镜。传统光学共位相的合成孔径成像技术面临着高精度相位技术的挑战,难以将长基线的合成孔径成像拓展到光学波段。强度干涉的测量方法对相位相对不敏感,为长基线的光学合成孔径提供了可能的技术方案。分别梳理了恒星强度干涉仪、星体散斑干涉仪的发展历程和关键科学问题,并分析了空间强度自关联合成孔径望远镜的技术特点和发展潜力。通过总结三种技术方案的特点,可为我国发展长基线光学合成孔径成像系统提供参考。     

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。     

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。     

相干场成像技术分辨率研究

根据光学传递函数的相关理论, 推导了相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)的光学传递函数和点扩散函数, 给出了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率计算公式, 为分析相干场成像系统能实现的极限角分辨率提供了理论依据. 在此基础上研究了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率之间的关系. 关键词： 相干场成像 傅里叶望远镜 分辨率 光学传递函数     

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。     

星载10 m合成孔径相干成像望远镜和波前估计

针对天文观测和深空探测需求，提出了星载10 m合成孔径相干成像望远镜概念和形式。给出了波长可调谐激光本振相干探测器形式，分析了大口径衍射薄膜镜的双波段实现方式和系统主要参数。提出了基于子镜结构的光学合成孔径相干成像算法，给出了基于相位恢复的阵列形变误差波前估计仿真结果，由于多个子镜所接收复信号的成像处理在计算机软件中完成，相比传统望远镜，可降低对微调机构等硬件的精度要求。该望远镜在短波红外1.45～1.65μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.15μrad；在中波红外4.55～4.75μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.46μrad，其探测灵敏度在原理上是传统10 m口径望远镜的约2.8倍。     

光学综合孔径望远镜中子望远镜平行性和光程差调整的研究

光干涉技术与天文望远镜技术的结合是提高天文观测分辨率的一种有效方法.采用望远镜阵代替单个大口径望远镜来集光观测,利用最大基线的概念来等效传统光学望远镜的最大口径,很大程度上解决了单个望远镜集光能力不足、角分辨率不高的问题.然而对于光干涉来说,在应用中,只有满足:两束光的相位差δ必须相对稳定、存在相互平行的振动分量、频率相同、两光波在相遇点所产生振动的振幅相差不悬殊和两光波在相遇点的光程差(OPD)应在相干长度之内等这些条件时才能部分相干.光学综合孔径(OAS)望远镜产生干涉条纹的前提条件是子望远镜之间必须两两相干.推导了双光束光干涉的要求,并从双光束干涉的平行性和光程差的要求出发,研究并得出光学综合孔径望远镜子望远镜的平行性和光程差的要求.结合双光束干涉的恒星光干涉仪的光束平行性和光程差的调整方案,研究并得到了光学综合孔径望远镜子望远镜的平行性和光程差调整的光学方案,并讨论了该系统的改进措施.     

斐索型光学合成孔径系统近轴成像条件研究

从几何光学理论出发，详细推导了斐索型光学合成孔径成像系统的近轴非相干成像条件，即子望远系统的角放大率等于系统的线性缩放因子。对于焦平面上的像点而言，合成孔径成像系统可等效为一个带有特殊形状孔径光阑的望远系统，这要求该孔径光栏的开口形状和位置分布与合成孔径成像系统各子系统孔径大小和位置分布相一致。我们由此得到了斐索型合成孔径成像系统的主要约束条件。     

菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达实验室验证

对菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达进行了实验室尺度条件下的原理验证实验。实验中利用不同曲率半径、垂直正交偏振的两个球面波通过二维(2D)扫描方式照明远距离处的目标,接收望远镜接收到的目标回波经过偏振分光镜分成两束作为信号光和本振光进入2×4 90°桥接器,桥接器输出的四路光信号被两个平衡探测器接收,平衡探测器输出电信号经模数转换后经过复数化、两维相位二次项匹配滤波算法处理后可以重构出目标图像。对4.3m处点目标和2D面目标进行了成像实验,取得了具有良好成像分辨率和对比度且带有散斑效应的预期成像结果,证明了该合成成像激光雷达概念的正确性。     

太赫兹综合孔径近场成像系统设计

根据太赫兹成像兼具微波穿透特性和红外线高分辨率成像的特点,在红外与毫米波成像系统的基础上,提出一种近场太赫兹波被动干涉合成孔径成像系统的设计方案,并对其实现方法进行了分析。系统采用二维波束扫描天线结构实现综合孔径成像,在保证高精度成像的同时降低了系统的复杂度。通过数值仿真对成像系统的成像性能进行分析,仿真结果表明系统具有较高的空间分辨率;并对系统的成像过程进行了模拟仿真,验证了系统的可行性。     

RGB三通道衍射望远镜光学成像系统设计

基于目前研究较热的大口径衍射望远镜技术，提出一种在可见光范围内进行成像的衍射望远镜光学系统方案。该方案解决了目前衍射望远镜存在的成像频谱范围较窄的问题，可以在可见光范围内获取彩色图像，设计方法是将衍射元件沿径向分为3个通道，分别对R、G、B三个颜色通道进行成像，每个通道的成像带宽为40 nm，通过控制系统参数使3个通道的像在像面处重合，获取彩色图像。设计了基于25 m口径衍射主镜的三通道望远镜光学系统，并对该系统进行建模仿真，仿真结果与设计理论相符。该方案可以增加成像的频谱范围，其像面光斑具有与单通道系统像面光斑近乎相同的主瓣宽度。     

聚束非相干合成孔径激光成像雷达研究

反射层析激光成像雷达只能获得目标的二维轮廓像,不能对平面目标进行成像。报道了聚束模式下的非相干合成孔径激光成像雷达实验,在这种成像模式下,可以对二维平面目标进行图像重构。采用侧视观察的模式获取目标的角度-距离-强度信息,然后通过滤波反投影实现平面目标的图像重建,并进行了计算机仿真,证明了实验结果的正确性。该系统作为非相干合成孔径激光雷达的一种,实现了区别于目标轮廓的二维成像,具有一定的实际意义和使用价值。     

折/反混合式长波红外成像光谱仪光学系统设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,满足目标探测对多信息量的需求,设计了高光谱分辨率长波红外(8~12 μm)成像光谱仪。前置望远系统采用离轴三反系统,以实现无遮拦、大口径及宽视场成像设计;光谱分光系统分别采用折射式和反射式结构进行优化设计。设计结果显示,采用折射式结构,可得到通光孔径为100 mm,F数为2,光谱分辨率16 nm,空间分辨率150 μrad,冷光阑效率100%,成像质量接近衍射极限的光学系统;采用反射式结构,为了保证光学系统无挡光,需采用多片离轴反射镜,增加了系统的非对称性,使得系统的像散、彗差和场曲难以校正到最佳状态。设计结果表明：折/反混合式成像光谱系统具有光谱分辨率高、成像质量好和结构合理等优点,点斑均方根直径与国内现有探测器像素尺寸匹配。     

高衍射效率衍射望远镜系统的设计/加工及成像性能测试

为提高衍射效率,设计并制作了口径为300mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率,实验结果表明:衍射物镜在波长632.8nm处的衍射效率为66.4%,达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路,分别采用10μm星点孔与分辨率板,测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44μm,分辨率板的极限分辨率达到84lp/mm,接近该系统的理论计算值,表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.     

超短脉冲激光瞄准装置光学系统设计

为了提高超短脉冲激光的瞄准精度,基于自准直原理提出瞄准装置光学系统。以670 nm光纤耦合激光器为光源,设计指示光准直、扩束光学系统,准直光的不平行度达到3.2,设计焦距为350 mm,相对孔径1/5,离轴量50 mm的主激光离轴抛物面镜,其成像质量达到衍射极限,基于准直束光学系统和离轴抛物面镜,设计可适应670 nm和800 nm两种波长的20和100的瞄准和监测成像光学系统。提出一种小孔准直的安装调试方法,以指示光进行实验验证,结果表明:设计的光学系统成像光斑均匀,其物方分辨率达到4.1 m。     

一种机载合成孔径成像激光雷达聚束模式成像算法

合成孔径成像激光雷达是一种新的主动式有源的成像系统,可以获得比合成孔径雷达更高的分辨率,和更接近光学图片的效果.首先,在理想条件下分析了调频连续波的信号模型,推导出在连续波系统聚束模式下一种适用于机载合成孔径成像激光雷达系统的频率变标算法.然后,使用傅里叶变换法对符合von Karman谱的随机相位屏模拟大气湍流,并分析了Fried参量和合成孔径长度之间的关系.最后,仿真说明真空中采用方位预处理可以消除图像重影,并且补偿多普勒频移项可以消除8.6～9.3dB的能量损失和使图像散焦的现象.而在有大气影响时,合成孔径长度的选择小于Fried参量时,图像方位向可以良好聚焦.