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。     

光学合成孔径成像系统子孔径像差研究

根据波像差理论，推导了光学合成孔径成像系统单个子孔径存在各种像差时波面方差与子孔径数(N)的关系。推导结果表明，piston误差对系统的影响最大，其次是离焦误差、倾斜误差、球差、彗差和像散。运用离焦误差对piston误差、球差和像散进行像差平衡，其效果显著，特别是球差引起的波面方差下降90％。系统各项像差系数随子孔径数的增加而降低;当子孔径数大于6时，各像差系数变化缓慢。根据瑞利判据，计算N(N≤6)个子孔径合成系统的像差允限和相应的3孔径系统的斯特列尔比。     

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。     

机载合成孔径激光雷达全孔径成像算法

合成孔径激光雷达(SAL)是合成孔径与激光雷达的结合体。由于SAL的工作波长较短,可以在短时间内实现高分辨率成像,近年来发展较快。但短波长也会带来其他问题,对于机载SAL,其波长比载机振动幅度小1～2个数量级,所以载机的振动会给回波带来较大的相位误差,传统的惯导系统很难达到激光波长级的定位精度,需要进行基于数据的自聚焦才能实现SAL成像。针对这一问题,提出一种利用最小熵自聚焦(MEA)和deramp结合的全孔径成像算法,并利用该算法对SAL实测数据进行了成像处理,成像结果证明了该算法的有效性。     

光学稀疏孔径系统的成像及其图像复原

由多个小口径成像系统通过特殊排列综合而成的光学稀疏孔径系统是实现高分辨率天文目标成像观测的一种新方法.建立了光学稀疏孔径系统的衍射受限非相干成像模型,并针对某一具体的光学稀疏孔径系统,运用图像复原维纳滤波器完成了系统成像和图像恢复处理的计算机仿真实验.结果表明,光学稀疏孔径系统可以等效实现单个大口径成像系统的成像观测效果.     

方形孔径的宏观傅里叶叠层超分辨成像研究

随着成像系统小型化发展,透镜和光阑不再必须是圆形的,方形孔径更有利于收集微成像器件完整孔径的光场。研究了基于方形孔径的宏观傅里叶叠层成像技术,利用成像传感器及其傅里叶域自然的矩形结构,更有效利用方形孔径的合成来提高成像分辨率。数值模拟和实验验证表明：边长和直径相等的方形孔径与圆形孔径相比,方形孔径具有高光通量和宽传递函数的优势,可实现更高的成像分辨率、速度和信噪比。     

菲索式合成孔径望远镜光学系统设计

设计了菲索式合成孔径望远镜光学系统,用3个小口径子孔径合成大口径以获得等效大口径的分辨率。首先,兼顾空间频率u-v覆盖和结构简单化,选择子孔径排列方式为Golay-3阵列,填充因子F=0.44。然后,依据光学系统结构特性,将光学系统分成子孔径、光束控制器和光束组合器,分别进行光学设计。无焦式子孔径采用后接双胶合消色差透镜的卡塞格林结构,孔径为300 mm,视场为0.2°,角放大率为10。光束组合器为五片式结构,采用高折射率玻璃和特殊部分色散玻璃,焦距为600 mm,F/#=6,视场为2°。分析总系统点扩散函数和调制传递函数显示：总系统等效口径为子孔径口径的1.89倍,总系统角分辨率为0.24″。     

多光束激光相干成像孔径偏差对成像质量影响

多光束激光相干场成像技术突破传统概念，采用微小频移的光束组两两干涉提取目标的傅里叶分量，通过目标频谱傅里叶逆变换获得目标高分辨率图像。该技术仍处于实验室原理验证向实体阵列过渡的研究阶段。在这一过程中多种影响因素对成像质量产生着影响。其中发射阵列的孔径位置误差分布规律以及控制范围一直缺乏较为系统的理论支撑。从傅里叶望远镜发射阵列的光场传输特性入手，分析了在基线不同位置引入孔径误差时对成像质量的影响。并分析出孔径位置精度的要求与分布规律，同时针对这一分布规律提出了孔径位置的相对误差精度，计算机仿真分析得出相对误差精度应控制在5%以内不影响成像质量。该研究为傅里叶望远镜发射阵列的设计与装调提供了理论依据，为傅里叶望远技术的工程化实现奠定一定的理论基础。     

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.     

子孔径合成光学成像系统像质评价研究

由于子孔径合成光学成像系统出瞳波前离散,成像特征有异于常规光学系统.对比了两种子孔径合成光学成像系统的像质评价方法,其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参量,拟合成泽尼克多项式,通过快速傅里叶变换获得光学系统的调制传递函数;其二是对子出瞳波面在像面复振幅分布的衍射直接积分叠加计算系统调制传递函数.对于离散出瞳波前,拟合的泽尼克多项式不可避免有较大误差,由此计算获得的调制传递函数与实际测量值有较大区别.设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPI干涉仪验证并对比了使用两种方法对像质计算的特点.结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大,且要获得更高的像质评价精度,应使用更适于表达离散不规则形状子出瞳波前的波函数.     

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。     

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。     

大型光学综合口径望远镜的新方案

建议一台４．３ｍ光学红外新技术望远镜，并与北京天文台２．１６ｍ望远镜用真空管道联机集像作ＣＣＤ照相和光干涉测量，提高焦光能力达４．８ｍ口径，分辨率可接近１０余米口径。     

Design and energy analysis of interference imaging system with annular-aperture

An interference imaging system with annular aperture is presented having focal length of 6000 mm, aperture of 1000 mm, and ring width/semi-diameter of 0.2. The energy analyze is carried out to evaluate the optical performance of this system, and imaging restoration processing is also performed by the blind deconvolution algorithm with iteration number of 25. Results show that the quality is close to the diffraction limit and the weight has greatly reduced to 36% of the full-aperture system, which verifies the annular aperture system is a better choice for the space telescope with large-caliber and long focal length.     

Design strategy for broadband or dual-band ultrathin imaging system

Using reflective multiple-fold approach can reduce bulk and weight compared with large high-quality optical systems and improved resolution and light collection compared with miniature conventional systems. Air-spaced concentric multi-reflection (ACMR) systems, where two reflective surfaces surround a hollow cavity, are useful for extended focal distance, achromatic aberration, useful for inexpensive, lightweight IR imagers and may lead to convenient designs for broadband or dual-band imagers. Design a camera, which spectral response 2?12 μm, with a total thickness of 30 mm, 130 mm effective focal length, ±4.2° FOV, 0.022 mrad resolution and 68 mm effective aperture, 96 mm outer aperture. Application can fit into the hull or wing of a micro-UAV aircraft, which weight and thickness are tightly constrained, for long range surveillance.     

合成孔径成像的应用及发展

条带合成孔径成像自20世纪50年代提出,应用于雷达成像,并成功地应用于环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事等领域。近年来,随着科学技术的发展,合成孔径成像日趋成熟,并扩展到其他领域,得到了广泛的应用。该文简要介绍了条带合成孔径成像的原理及其在雷达、声呐、无损检测及医学影像等方面的应用及发展。