湍流大气成像系统分辨率的研究

采用基于Kolmogorov 1941串级湍流模型建立的调制湍流折射率谱模型、简单透镜成像系统传递函数的高斯函数近似和平方近似,从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数,研究了有限湍流尺度(湍流内、外尺度)对湍流大气中成像系统光学分辨率的影响。给出了成像系统长曝光光学传递函数和积分分辨率的近似解析关系。结果表明在采用大孔径成像系统成像时,应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。     

非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷, 实现高精度的大气湍流相位屏的模拟. 但采用的直接求和运算计算复杂度高, 相位屏的模拟速度极慢. 将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟, 可以实现相位屏的快速模拟. 从随机过程的谱分解出发, 将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限. 通过一个高斯核函数的卷积, 将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间, 进而利用快速傅里叶变换, 降低计算复杂度, 加快大气湍流相位屏的模拟速度. 以大气湍流的Kolmogorov 谱为例, 利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏, 并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析. 结果表明, NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.     

傅里叶望远镜大气湍流模拟实验

傅里叶望远术是一种能对深空暗弱目标进行高分辨率成像的技术.为了验证大气湍流对傅里叶望远镜系统的影响,进行了实验室环境下大气湍流模拟实验研究.在三束光傅里叶望远镜实验系统上,通过控制射频驱动器的输出功率来模拟光强抖动,改变射频驱动器的瞬时频率来模拟相位抖动.给出了实验理论依据,推导了湍流强度与实验变量的关系.实验在弱湍流闪烁和相位抖动两种情况下,分别给单束光和三束光加随机扰动并计算其Strehl比.结果表明,只在单束光上加扰动时重建图像影响不大;在三束光上加扰动时,弱湍流光强抖动对傅里叶望远镜系统的成像效果影响具有较大的随机性,而相位抖动会严重影响系统成像质量.因此,消除光强抖动和相位抖动影响是图像重建算法改进应该考虑的一个关键因素.     

低阶模式校正自适应光学系统的补偿效果分析

引入规格化的相位谱「不一定为科尔莫戈罗夫（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ谱」,推导了大气湍流相位结构函数、低阶模式校正后的残余相位结构函数以及长曝光光学传递函数（ＬＴＦ）。分别给出了在各种不同大气湍流强度ρ０,不同相位谱空间频率的指数下降因子ρ时,大气湍流相位波前低阶模式完全校正后和倾斜部分校正时的长曝光光学传递函数（ＯＴＦ）、长曝光斯特列尔（Ｓｔｒｅｈｌ）比和半高全宽（ＦＷＨＭ）的数值计算结果。     

大气湍流下合成孔径激光雷达成像数值模拟及PGA补偿

为研究大气湍流对合成孔径激光雷达(SAL)的成像影响,采用谱反演法对符合Kolmogorov谱的大气随机相位屏进行了数值模拟,给出了单层及多层叠加的随机相位屏图像;然后以多层随机相位屏叠加方式模拟实际大气湍流,计算了无湍流、弱湍流、中等湍流和强湍流等情况下理想机载单站聚束式SAL对点目标以及扩展目标的成像,模拟成像表明大气湍流对SAL成像的方位分辨率有严重影响,湍流越强,图像方位向分辨率越差;针对湍流造成的SAL图像方位向分辨率降低,采用相位梯度自聚焦(PGA)算法对SAL图像进行了方位向补偿,结果有效地改善了图像的聚焦效果,提高了成像质量。     

强度调制偏振光谱仪傅里叶变换解调原理研究

针对强度调制新型偏振光谱仪,研究了基于傅里叶变换法实现偏振光谱信息解调的可行性.结合强度调制偏振光谱仪实现偏振光谱信息调制的机理,给出了采用傅里叶变换法实现偏振光谱信息解调过程的完整数学推导,并对解调过程进行了计算机仿真模拟.模拟结果表明:基于傅里叶变换的解调方法可以高保真获取待测光辐射的偏振光谱信息,将该方法应用于强度调制偏振光谱仪偏振光谱信息的解调是可行的.     

大气湍流对长曝光和短曝光条件下分辨率与像斑半径的影响

基于湍流中调制传递函数的数学模型,从理论上研究了大气相干长度和系统光瞳直径对积分分辨率和像斑半径的影响.采用内插值法,分别给出长曝光和短曝光条件下分辨率和像斑半径的近似代数解.结果表明,在系统光瞳直径小于大气相干长度时,分辨率主要受光瞳直径限制,增大光瞳直径可提高分辨率,然而随着其值的继续增大,对分辨率的改善不再明显,因为当光瞳直径大于大气相干长度时成像性能逐渐由湍流限制.光瞳直径与大气相干长度的比值趋于无穷大时,分辨率和像斑半径受大气相干长度的限制有一个极限值.短曝光条件下,去除了大尺度漩涡所产生的倾斜效应,系统的积分分辨率和像斑半径性能要好于长曝光条件.对于短曝光近场,与长曝光相比,其积分分辨率的最大值提高了3.5倍,像斑半径最小值减小了1/2.     

分数域滤波的分数傅里叶变换光学成像性能分析

将分数域滤波同光学成像相结合,提出了一种基于Lohmann Ⅰ型的带有滤波孔径的两级联分数傅里叶变换光学成像系统.根据分数傅里叶变换和菲涅耳衍射之间的关系以及分数傅里叶变换的分数阶可加性,结合分数域滤波分析了分数傅里叶变换光学成像的基本理论.以点扩散函数和调制传递函数作为评价成像质量的准则,详细分析了不同分数阶光学系统...     

用多焦点全息透镜实现多重谱分数傅里叶变换

提出用多焦点全息透镜实现多重谱分数傅里叶变换.利用全息方法通过一次曝光制作出多焦点的全息透镜,分析了用此全息元件实现这种变换的条件,并在实验上实现了多重谱分数傅里叶变换. 实验结果表明这种变换方法简便可行,可广泛应用于多通道光学信息处理系统及多目标图像识别系统中.     

新型航空镜间快门对光学传递函数的影响分析

光学传递函数是评价光学系统成像质量的重要指标。基于为数字航空摄影相机设计的一种新型航空镜间快门的工作特性,镜间快门在控制曝光过程中改变了相机光学系统的光瞳形状,意味着点扩展函数的改变,从而改变了光学系统的传递函数。将光学系统视为一个空间频率的滤波器,以傅里叶积分变换和光的标量衍射理论为基础,将孔径光阑的变化过程与光瞳函数建立关系,应用二次傅里叶变换法得到光学传递函数,分析快门在工作周期内对光学传递函数的影响。通过对计算结果与测量结果的对比分析可知,传递函数的最大绝对误差为0.196,最大相对误差为-0.274,有较好的准确度和重复性,并且缩小镜间快门开始和关闭阶段所用时间占整个曝光时间的比例,可以提高系统的综合传递函数,为中心快门的优化设计提供理论依据。     

应用CCD的投影物镜调制传递函数测量系统

调制传递函数是评价光学成像系统成像质量的重要方法,因而测量光学系统的调制传递函数在各种成像光学系统生产实践中具有相当重要的作用。但是长期以来,投影显示设备的生产中缺少能够定量的检测投影物镜性能的标准化方法。根据线性系统和傅里叶变换的理论,结合液晶投影机投影物镜生产、检测的实际需要,提出了应用CCD图像采集系统的投影物镜调制传递函数测量方法,为生产实践提供了可行的定量判断投影物镜性能的手段。给出了实际物镜的检测结果,并与物镜的设计参量进行了比较,同时对影响系统测量精度的一些因素进行了分析。     

天文望远镜像差对斑点成像技术的影响

着重研究了采用斑点成像技术处理天文望远镜图像时,光学系统固定像差对图像恢复结果的影响。在详细研究各种恢复天文图像振幅和相位的理论和方法的基础上,建立了一个包括Labeyrie振幅恢复方法和KnoxThompson相位重构方法的恢复扩展目标的斑点成像处理模型,分析了光学系统固定像差对系统传递函数相位分布和目标相位重构的影响：天文目标通过大气成像,固定像差将会被淹没在大气湍流随机起伏中,像差对相位重构没有显著影响。处理图像结果表明,斑点成像技术能同时消除大气湍流和望远镜系统固定像差的影响,得到高分辨力的扩展目标图像。还提出了一种消除光学系统像差的方法。     

傅里叶变换光谱成像仪光谱传递函数研究

根据光学传递函数理论,定义了光谱成像仪的光谱传递函数. 针对基于Michelson干涉仪的时间调制傅里叶变换（FT）光谱成像仪,基于Sagnac干涉仪、Fresnel干涉仪、Lloyd干涉仪的空间调制FT光谱成像仪,推导出相应的光谱调制传递函数和光谱相位传递函数解析表达式,并分析了其物理意义. 光谱传递函数为评价相应光谱成像仪在光谱域的性能提供了一种量化的判据. 与空间域的光学传递函数相结合,成为反映光谱成像仪综合性能的客观依据. 关键词： 傅里叶变换 光谱成像仪 光谱传递函数     

全景环形成像傅里叶变换光谱仪光学系统设计

提出了一种可以实现红外全景环形光谱成像的新型傅里叶变换成像光谱仪结构,该成像光谱仪以共焦双曲反射镜组作为全景环形集光器,利用Schwarzchild物镜进行准直,结合弹光调制干涉仪,成像透镜组以及HgCdTe红外焦平面阵列构成。介绍了全景环形成像傅里叶变换光谱仪基本工作原理及成像特性,讨论了双曲面反射全景环形集光器和Schwarzchild物镜准直器等各光学结构的设计方法,并给出了设计结果及优化方案。最后,采用Zemax光学设计软件对系统进行了光线追迹和优化,结果表明,成像光谱仪工作在8 ｍ~12 ｍ波段,有效焦距为-0.67 mm,侧向视场为40~80,F#0.9,像点弥散斑RMS半径为20.116 m,在一个像元直径内,MTF在16 lp/mm处均高于0.5,且各视场一致性较好,OPD像差在0.4范围内,成像质量良好。     

Implementation of an algorithm for detecting patterns in defocused scenes using binary joint transform correlation

An original method to detect images in defocused scenes by means of a binary joint transform correlation is presented. Defocused images are described in frequency domain as the product between the Fourier transform of the in-focus scene by the optical transfer function of the imaging lens. This function, which presents positive and negative values, introduces sign errors in the joint power spectrum. The goal of this study is to detect the sign of the optical transfer function starting from the defocused image by means of a digital algorithm. Information provided by the algorithm allows to compensate the sign errors in the binary joint power spectrum and to obtain invariant correlations with respect to defocusing. Theoretical analysis and digital experiments to test the procedure are provided.     

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。     

部分相干分数域滤波改善光刻分辨率新方法

基于部分相干成像和分数傅里叶变换,提出在投影光刻系统中,利用分数域滤波改善光刻图形质量的新方法.理论和模拟分析表明:在曝光成像系统中的适当位置加入分数域滤波器,能增强滤波操作的灵活性和效果,可更有效地改善光刻图形质量,为提高曝光系统的分辨力提供一种新的有效选择.     

Near-field ultrasound tomography

In this paper, a near-field tomographic solution is introduced to solve the imaging problem of fluid objects assumed to be weakly heterogeneous (Born approximation) and excited by spherical waves. The solution to the forward problem is based on the Huygens-Fresnel principle which describes the scattered field as the result of the interference scheme of all the secondary spherical waves. From the derivation of the scattered field, a new Fourier transform that has been called the elliptical Fourier transform is defined: It differs from the standard Fourier transform in that instead of a plane wave decomposition, a harmonic ellipsoidal wave decomposition is obtained. Based on this spectral analysis, a near-field Radon transform is designed that complements the "far-field tools" published in diffraction tomography literature. Then, assuming that the measuring distance is greater than one wavelength, the feasibility of reconstructing either the impedance or the velocity maps of an acoustical (perfect fluid) model is demonstrated. Numerical simulations were performed which confirmed the validity of the theory presented here; a theory which has many potential applications in future wave theory research.     

空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标方法研究

空间调制干涉光谱成像仪不同于其他类型光谱成像仪,其像面上得到一维空间信息和一维光谱信息。由于其原理特殊,定标方法尚不成熟。介绍了一种用于空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的方法,即干涉光谱成像仪和光谱辐射度计同时采集目标辐射强度,复原采集干涉图得到的光谱图,与光谱辐射度计采集绝对光谱进行比对,得到定标系数,并分析了该方法达到的精度。结果表明：该方法可以满足空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的要求,定标精度达到5．74％。     

Atmospheric transfer of radiation above an inhomogeneous non-Lambertian reflective ground—I. Theory

A method for solving the three-dimensional equation of transfer for a vertically inhomogeneous atmosphere bounded by a reflecting surface of non-uniform bidirectional reflectance is presented. The technique incorporates a two-dimensional spatial Fourier transform of the transfer equation and solution of the resulting expressions for each Fourier component of the radiation field using the method of Gauss-Seidel iteration. The intensity field in the spatial domain, which is calculated for a variety of altitudes, zenith angles, and azimuths, is reconstructed using the inverse Fourier transform. An empirical surface bidirectional reflectance function is employed, permitting the consideration of non-Lambertian reflective properties.