傅里叶望远镜外场实验与结果分析

为了分析外场环境因素对傅里叶望远镜成像质量的影响和验证成像过程不受下行链路大气扰动影响的特点,开展了傅里叶望远镜外场实验研究.外场实验在室内实验的发射光学系统的基础上增加了主镜、次镜和会聚透镜组对目标散射光进行3次会聚仿真实际系统的成像过程,同时将目标与主镜、主镜与次镜分别拉开100 m距离验证成像系统不受下行链路大气...     

傅里叶望远镜外场实验与结果分析

为了分析外场环境因素对傅里叶望远镜成像质量的影响和验证成像过程不受下行链路大气扰动影响的特点,开展了傅里叶望远镜外场实验研究.外场实验在室内实验的发射光学系统的基础上增加了主镜、次镜和会聚透镜组对目标散射光进行3次会聚仿真实际系统的成像过程,同时将目标与主镜、主镜与次镜分别拉开100 m距离验证成像系统不受下行链路大气扰动影响的特点.实验利用胶片打印的2种不同的卫星图片作为目标,获得了Strehl值分别为0.44、0.39的无大气扰动的外场重构图像和Strehl值分别为0.43、0.38的含大气扰动的外场重构图像.通过比较外场重构图像与室内重构图像的Strehl值,得出发射光学系统中光束的振动对成像有较大影响.分析发现无大气扰动外场重构图像与含大气扰动外场重构图像的Strehl值相近,从而验证傅里叶望远镜成像过程不受下行链路大气扰动的影响.     

傅里叶望远镜光学系统装调及外场成像实验

提出傅里叶望远镜外场成像实验的光学系统组成,详细介绍光学系统的装调和检测过程,并对模拟目标进行成像实验。采用3束不同频率的激光照射模拟目标并在目标表面形成干涉条纹,利用拼接主镜接收散射回波能量,再经次镜汇聚,最后进入压缩透镜组被光电倍增管探测。实验结果表明:主镜支撑结构稳定性优于0.075 mrad,子镜指向调整精度优于0.05 mrad,对安装的61块子镜进行共焦试验,光斑质心重合精度小于20 mm。最后,对3 mm的模拟目标进行外场成像实验,结果表明:室外环境下傅里叶望远镜的成像效果与实验室内成像效果及计算机仿真结果吻合较好,为后续反射模拟目标的成像提供了参考。     

傅里叶望远镜重构图像虚像分析

研究了采用T型激光发射阵列情况下傅里叶望远镜重构图像的虚像问题, 基于系统成像基本原理, 明确了虚像的来源. 分析认为, 发射光束在x和y轴扫描时, 在俯仰角误差的作用下, 抽取目标的空间频率和设定值之间存在一定的偏差; 当进行轴向和象限相位闭合、计算目标的单一傅里叶分量时, 该偏差会对频谱的频移造成随机的相位影响, 反映在空域上使得重构图像存在虚影现象. 在不同扫描方式情况下, 采用下一步外场实验参数, 通过计算机模拟证实了上述分析的正确性.     

基于迭代的傅里叶望远镜图像重构方法

为了提高最终图像的质量,结合传统的直接重构算法和相位重构算法,提出了一种基于迭代的傅里叶望远镜图像重构方法。对反演得到的傅里叶频谱进行逆傅里叶变换得到直接重构图像,取直接重构图像的阈值图像作为相位重构算法的初始输入,通过迭代能够获得质量更高的图像。成像仿真实验结果表明,成像信噪比为50倍时,与直接重构图像相比,迭代重构图像斯特列尔比从0.82提高到0.88,峰值信噪比从17dB提高到19dB;在成像信噪比为100倍时,迭代重构图像斯特列尔比从0.89提高到0.93,峰值信噪比从20dB提高到22dB。     

多光束傅里叶望远镜的关键技术

为了实现对远距离暗弱快速运动目标的高分辨率成像,基于多光束傅里叶望远镜的组成,对光学分系统、机械分系统、电子分系统和软件分系统涉及的关键技术进行了分析和讨论。针对光学分系统主要分析了激光光源、相位延迟器,声光移频器和光电倍增管所涉及的主要技术指标;机械分系统讨论了发射望远镜指示和跟踪精度、发射光束的快速切换和主镜的拼接支撑结构等;电子分系统介绍了同步控制、电磁屏蔽和配电等需要注意的问题;而针对软件分系统则讨论了光束快速切换、位置和角度变化的同步控制和图像恢复等。对上述关键技术的分析和讨论为多光束傅里叶望远镜系统的研制提供了参考。     

准相位闭合在傅里叶望远镜图像重构算法中的应用

为了采用T型激光发射阵列的傅里叶望远镜对深空暗、弱、小目标进行高分辨率成像探测,研究了T型发射阵列情况下的图像重构算法.借鉴点面激光发射阵列,提出了准相位闭合概念,分别得到了T型发射阵列的最小二乘法(LMS)和加权噪声的Wiener滤波图像重构算法,完善了T型激光发射配置的傅里叶望远镜成像系统,为实际工程系统的实施奠定了技术基础.在不同成像信噪比条件下对整体系统数值模拟发现:相比直接傅里叶逆变换方法,重构图像成像质量有所提升,特别是当成像信噪比较低时,如SNR为50时,LMS和加权噪声的Wiener滤波方法重构图像的斯特里尔比分别提高了7%和8.4%,证实了该方法的可行性和正确性.     

基于空域非均匀傅里叶变换的傅里叶望远镜

为了在稀疏发射阵列下清晰重构目标图像,提出了一种基于空域非均匀傅里叶变换(NDFT)的傅里叶望远镜信号处理方法。依据傅里叶望远镜的发射器位置与抽取的目标空间频率关系,结合MATLAB程序特点,完成了空域非均匀傅里叶逆变换,重构了目标图像。稀疏发射阵列配置方式为：T型阵列单臂放置11个发射望远镜,连续抽取目标的8个低频信息,再抽取3个高频分量。选择不同形状和灰度分布的4个卫星作为成像目标。与补零均匀快速傅里叶变换(FFT)方法重构的图像对比发现：信噪比为100 dB时,相比补零均匀FFT方法, NDFT方法重构图像的Strehl比都有所提升,最高提升了0.159 8。     

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.     

基于空域非均匀傅里叶变换的傅里叶望远镜

为了在稀疏发射阵列下清晰重构目标图像,提出了一种基于空域非均匀傅里叶变换(NDFT)的傅里叶望远镜信号处理方法。依据傅里叶望远镜的发射器位置与抽取的目标空间频率关系,结合MATLAB程序特点,完成了空域非均匀傅里叶逆变换,重构了目标图像。稀疏发射阵列配置方式为:T型阵列单臂放置11个发射望远镜,连续抽取目标的8个低频信息,再抽取3个高频分量。选择不同形状和灰度分布的4个卫星作为成像目标。与补零均匀快速傅里叶变换(FFT)方法重构的图像对比发现:信噪比为100 dB时,相比补零均匀FFT方法, NDFT方法重构图像的Strehl比都有所提升,最高提升了0.159 8。     

傅里叶望远镜中激光频移误差对成像质量影响的分析

傅里叶望远镜成像技术,综合了激光主动成像技术、光学合成孔径技术和相位闭合技术是一种新的高分辨率成像探测技术。激光频移的效果是影响傅里叶望远镜成像质量的重要因素,特别是使用大功率、宽光束和宽调制带宽激光的系统。构建了不同的误差模型,推导了频移误差在系统中的传递函数,利用仿真实验分析其对系统成像的影响,得到了对应的误差影响分析。结果表明,频移精度和稳定度严重影响到系统的成像效果,部分情况下含有误差的反演图像与理论反演图像的施特雷尔值已降到0.2,因此合理的设计和选择声光频移器是改善系统成像的一个关键因素。     

三种降采样成像策略的性能优化以及与传统傅里叶望远镜的比较

为了获得成像质量较好且成像时间较少的新型傅里叶望远镜成像策略,本文比较了三种降采样成像策略(压缩感知方法 (CS)、低频全采样方法 (LF)和变密度随机采样方法 (VD))与传统傅里叶望远镜(FT)在图像质量和成像时间上的差异.分析方法如下:利用传统FT外场实验所获得的目标频谱数据作为基础,三种降采样方法 (LF, VD和CS)分别按照各自的采样模式和重构方法实现目标图像的重构;通过直观观察和Strehl比两种方法比较三种降采样方法与传统FT在图像质量上的差异;通过分析成像时间的组成要素,初步比较三种降采样方法与传统FT在成像时间上的差异.分析表明:1)压缩感知方法的图像质量优于其他两种降采样方法 (LF和VD),但略低于传统成像结果; 2)压缩感知方法在成像质量上略低于传统FT,但在成像时间上却明显小于传统FT; 3)分析中采用的外场数据均含噪声,这说明上述三种降采样重构过程对噪声有较好的鲁棒性.综合上述分析结果可以看出,基于压缩感知的傅里叶望远镜(CS-FT)是在实际含噪情况下可大幅减少成像时间的优良成像策略.     

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。     

湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响

针对傅里叶望远镜系统激光在湍流大气中传输造成的成像质量下降,分析了湍流对光束传输特性的影响,指出成像质量的下降主要来自于上行传输链路中湍流造成的光束漂移与光束扩展,从而产生光束指向误差。分析了指向误差影响成像的机理。通过数值计算得出了不同强度湍流造成整条上行链路光束指向误差,并通过系统仿真,得到了不同强度大气湍流条件下的成像结果。结果显示：在弱湍流与中湍流条件下（大气折射率结构常数小于10-14 m-2/3）,随机指向误差较小(偏移比小于0.06),复原图像有较好的识别性;在强湍流条件下,成像质量下降严重。因此系统应选择避开强湍流地理位置与时段进行工作。     

湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响

针对傅里叶望远镜系统激光在湍流大气中传输造成的成像质量下降,分析了湍流对光束传输特性的影响,指出成像质量的下降主要来自于上行传输链路中湍流造成的光束漂移与光束扩展,从而产生光束指向误差。分析了指向误差影响成像的机理。通过数值计算得出了不同强度湍流造成整条上行链路光束指向误差,并通过系统仿真,得到了不同强度大气湍流条件下的成像结果。结果显示:在弱湍流与中湍流条件下（大气折射率结构常数小于10-14 m-2/3）,随机指向误差较小(偏移比小于0.06),复原图像有较好的识别性;在强湍流条件下,成像质量下降严重。因此系统应选择避开强湍流地理位置与时段进行工作。     

利用相位差法测量望远镜像差

大气湍流引起的动态波前畸变和望远镜的像差是限制望远镜分辨力的主要因素,如何准确地测量望远镜的像差是进一步提高望远镜分辨能力的关键问题。相位差法利用在焦面和离焦面上同时采集到的短曝光图像,恢复出瞬时波前相位分布,然后根据大气湍流的统计特性进行平均,可以实现对望远镜像差的估计。通过计算机模拟实验,对利用相位差法恢复光瞳上的波前相位和测量望远镜像差进行了研究。模拟研究结果表明,利用相位差法能有效地估计出望远镜像差,估计均方根误差约为0.08个波长。     

傅里叶望远镜部分周期信号解调及对成像的影响

为了解决傅里叶望远镜高功率短脉宽激光只能包含部分周期信号的难题,本文提出多脉冲拼接技术并对其基本原理和应用范围进行深入研究.首先介绍高功率短脉宽激光与声光移频器移频带宽之间的矛盾,进而引出利用傅里叶望远镜传统时间解调公式进行部分周期信号解调存在的困难.然后给出多脉冲拼接技术的基本理论,推导出理想情况下移频频率、脉冲重复率和脉宽满足的拼接条件.进而详细分析移频频率稳定性和脉冲重复率稳定性对多脉冲拼接成像结果的影响,并通过计算机仿真研究一般情况下脉宽变化对多脉冲拼接成像结果的影响.最后得出移频频率和脉冲重复率对成像无影响,激光脉宽变化小于25%仍可识别目标轮廓的结论.