激光光强扰动对相干场成像降质影响理论研究

激光相干场成像系统发射多束激光,经大气传输对远程目标成像,大气湍流引起的激光束光强扰动是影响成像质量的一个关键因素.本文从湍流引起的激光束光强扰动对回波解调信号的影响关系入手,建立了激光回波光强扰动因子对相位闭合系数和成像频谱分量的降质传函理论模型;基于三光束激光相干场成像系统仿真验证了理论模型的有效性.研究表明激光相干场成像频谱分量和成像像质主要受三光束相位闭合求解算法中第二光束光强扰动影响.该研究揭示了激光回波光强扰动对成像像质的影响机理,对于分析大气湍流等引起的光强扰动降质效应和合理分配多光束光强稳定性以提高成像质量具有理论指导意义.     

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。     

上行链路大气波前畸变对剪切光束成像技术的影响

剪切光束成像（sheared-beam imaging,SBI）技术是一种利用三束剪切相干激光照明的非传统成像技术,该技术通过探测器阵列接收目标反射回波的散斑图进行计算成像,在对远距离暗弱目标高分辨率成像方面有着独特的优势.大气湍流引起的光束波前畸变是影响SBI成像质量的一个关键因素,因此本文从湍流引起的激光波前畸变对目标频谱信息提取的影响入手,建立了光束波前畸变对成像影响的理论模型.利用多层相位屏模型模拟了近地25 km大气对SBI光束传输的影响.通过计算机仿真,得到了不同激光发射孔径和不同成像距离时SBI的成像结果.仿真结果表明,选取合适的发射孔径尺寸可以有效缓解湍流对光束波前质量的影响,从而提升成像质量.在Hutchin的研究基础上,对孔径选择范围的已有研究成果进行了扩展与深化.给出了SBI系统发射孔径尺寸选取的建议,为SBI对不同高度目标成像的像质差异分析提供了参考.     

相干场成像四光束相位闭合算法研究

依据相干场成像相位闭合实现原理, 在T型多光束发射阵列下推导出一种新的四光束相位闭合算法.定义了基于四重积的闭合比率求解公式, 推导出在消除大气随机相位误差的同时能抑制光强闪烁对成像质量的影响.数值模拟结果证明其有效性, 为多光束相干场成像系统消除大气扰动误差提供了新的途径.     

相干场成像技术接收镜精度对传递函数的影响

根据相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)接收镜的特点, 研究了接收镜偏差对相干场成像技术光学传递函数的影响, 推导了光学传递函数与接收光路光程均方差的关系式. 该式表明相干场成像技术的光学传递函数是接收光路光程均方差与频差乘积的平方的负指数函数. 为确定接收系统精度提供了理论依据. 关键词： 相干场成像 傅里叶望远镜 误差 光学传递函数     

压缩感知在合成发射孔径医学超声成像中的应用

为了解决合成发射孔径技术在医学超声成像实现中面临的数据量大及接收通道多的问题,提出一种超声成像系统频率域稀疏性模型的压缩感知成像算法。首先对超声系统频率域稀疏性模型进行了验证;然后根据稀疏性模型利用压缩感知理论对回波信号进行压缩采样,并使用最优化方法完成回波信号重建;最终通过合成发射孔径技术完成超声成像。针对医学成像中常用的点目标及模拟胎儿目标进行成像仿真实验,对重建图像在均方误差、分辨率及成像质量等方面与常规成像结果对比分析。实验结果表明在保证成像质量的同时,仅使用30%原始数据量及50%总接收通道数目可完成成像;频率域稀疏性模型的压缩感知成像算法可以大幅度减少合成发射孔径成像所需数据量及接收通道数,极大地降低了系统复杂度。      

激光相干场成像散斑噪声复合去噪方法

噪声是影响激光相干场高分辨成像系统像质的重要因素,激光相干场成像系统既受背景光加性噪声影响,又受激光乘性散斑噪声影响.为解决激光相干场成像系统受激光乘性散斑噪声和背景光加性噪声叠加引起的成像像质退化效应问题,从噪声抑制角度提高激光相干场系统高分辨成像像质,研究建立了激光散斑乘性噪声和背景光加性噪声对大气下行链路激光回波场信号影响干扰模型,并基于该模型提出了一种基于同态滤波和稀疏基追踪级联复合去噪算法.首先基于同态滤波理论将激光乘性散斑噪声转化为加性噪声,再由高通滤波器滤除散斑噪声,最后采用基追踪稀疏理论方法抑制背景光等加性噪声对像质的影响.研究表明,较现有单一去噪方法,该级联复合去噪方法可一次性消除激光乘性散斑噪声和背景加性噪声两种不同性质的噪声,有效改善了激光相干场成像质量.     

傅里叶望远镜激光发射系统性能分析EI北大核心CSCD

傅里叶望远镜发射系统的性能直接影响图像的分辨率和质量。分析了激光器的参数和性能要求,提出了光纤激光器的设计要点,并指出激光相干长度应至少为光程残差的1.6倍;对激光器的功率和频率稳定性进行了仿真,从设计、算法和使用角度给出了保证激光器稳定性的一些方法;而且结合仿真和实验结果,从发射孔径布局、孔径数量、位置精度和光束瞄准误差等方面,分析了发射器性能对成像质量的影响。指出了基线冗余度、图像分辨率、目标频谱分布和图像质量等因素在布设发射阵列应综合考虑。基于二维抽样定理和统计分析结果,得出计算发射孔径数量的公式,计算了傅里叶望远镜对1000 km低轨道目标达到5 cm分辨率时所需的发射孔径数目。此外,还得出发射孔径位置误差应小于最小孔径间距的5%的结论。     

远程多光束激光相干场成像拍频误差校正研究

多光束激光相干成像技术是地基观测空间目标的重要方式,各光束的稳定性和性能一致性直接决定着系统成像质量,目前针对系统频率稳定性对成像质量的影响以及激光源频漂的补偿已有一定研究,然而针对多光束发射系统,由驱动放大噪声及声光移频噪声引起的各光束间独立的频漂还需进一步抑制.基于此,本文提出了动态解调和置信区间解调两种抑制方法,理论仿真了动态解调对缓慢频漂抑制的可行性,同时实验证明了置信区间解调法对成像效果的提升,并在200 m和1.2 km的湍流环境中对该解调方法进行了验证.研究表明,置信区间解调法对于各拍频间独立漂移有较好的实时补偿效果,能够有效抑制发射阵列中由声光调制及驱动放大引入的频率噪声,对水平距离1.2 km外的25 mm目标成像角分辨率达到4μrad.本研究为未来远程大功率发射阵列成像中的频率噪声抑制提供了较好的技术方案.     

傅里叶望远镜激光发射系统性能分析

傅里叶望远镜发射系统的性能直接影响图像的分辨率和质量。分析了激光器的参数和性能要求,提出了光纤激光器的设计要点,并指出激光相干长度应至少为光程残差的1.6倍;对激光器的功率和频率稳定性进行了仿真,从设计、算法和使用角度给出了保证激光器稳定性的一些方法;而且结合仿真和实验结果,从发射孔径布局、孔径数量、位置精度和光束瞄准误差等方面,分析了发射器性能对成像质量的影响。指出了基线冗余度、图像分辨率、目标频谱分布和图像质量等因素在布设发射阵列应综合考虑。基于二维抽样定理和统计分析结果,得出计算发射孔径数量的公式,计算了傅里叶望远镜对1000 km低轨道目标达到5 cm分辨率时所需的发射孔径数目。此外,还得出发射孔径位置误差应小于最小孔径间距的5%的结论。     

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。     

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.     

二维圆周光综合孔径阵的优化排列及其成像特性研究

光综合孔径成像的原理是应用干涉原理在空间频率域中进行采样,并通过傅里叶反变换或其他数值变换方法得到空间分辨力远高于单个孔径成像系统的目标图像。由若干个相同的小孔径在二维圆周上优化排列组成的综合孔径成像系统可以在二维空间频率域中实现较为均匀分布的、具有无冗余度的采样点覆盖,为高质量实时成像提供了一个有效的途径。运用模拟退火算法对由7～16个子孔径组成的二维圆周综合孔径阵列进行优化排列。并依据光学衍射成像原理,从空域和频域两个方面详细分析了二维圆周上优化排列与均匀排列光综合孔径阵的成像特性。对7～16个子孔径组成的光综合孔径的仿真结果表明：无论是在空域还是频域上,子孔径直径增大、孔径数目增多以及综合孔径阵的优化排列都是有利于提高成像质量的。但综合后的子孔径的直径的增大,虽然能获得极高的角分辨力,却并不利于成像质量的提高。     

相干场成像全相位目标直接重构法

回波信号处理和目标重构算法是相干场成像中的核心数据处理技术, 直接影响系统的成像质量. 基于全相位谱分析理论, 提出一种新的系统融合处理算法, 对接收端回波信号直接提取全相位谱相位及幅值信息实现目标图像重构, 能够有效抑制各种因素带来的频率误差. 经室外实验系统验证, 成像能力大大优于传统重构算法, 重构目标分辨率接近理论极限值.     

部分相干光通过强湍流对通信系统误码率的影响

为研究部分相干光通过强湍流对系统误码率的影响,借助对激光在大气湍流场中的传输方程进行解析求解(忽略系统中其他噪声,仅考虑由大气湍流引起的系统误码率),得到不同湍流内尺度、传输激光波长和光源相干参数条件下,系统误码率和传输距离的关系.结果表明:在强湍流条件下,当发射天线数目达到一定时,随着传输距离的增加,系统误码率逐渐增大,但增大到一定程度后趋于饱和;光源相干参数越大,系统误码率越低;湍流内尺度越大,系统误码率越高;传输激光波长的变化对系统误码率无明显影响.     

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。     

基于空间滤波的光纤激光被动相位锁定技术研究

基于空间滤波的被动相位锁定,对掺Yb光纤激光阵列的相干组束进行了理论和实验研究.分析了基于空间滤波光反馈相位锁定的原理,研究了远场相干光斑Strehl比与激光波长及光谱带宽的关系.建立了二维四路掺Yb光纤放大器阵列的被动相位锁定实验系统,实现了稳定的相干耦合激光输出,远场光斑Strehl比为0.77.测得输出激光光谱中单个纵模的带宽约为9.1 GHz,与理论计算符合较好. 关键词： 光纤激光 相干合成 环形腔