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。     

光学合成孔径成像技术发展概况

介绍了光学合成孔径成像技术的发展现状。简要阐明了合成孔径成像技术的原理和分类以及在光学波段的主要应用。归纳出了光学合成孔径成像技术的发展趋势:地基合成孔径系统向长基线方向发展;天基系统向超轻量化方向发展;图像处理正在成为系统不可分割的一部分;技术重点是从地基系统向天基系统转移,并被应用于更多领域。概括了光学合成孔径成像系统的各种应用方案及特点。与传统的光学系统相比,合成孔径成像技术具有如下特征和优点:可降低光学元件的加工难度和天基光学合成孔径成像系统的发射体积和重量,可节约发射费用。     

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.     

大口径镜面的多孔径拼接技术

提出了完成大口径镜面的多孔径拼接技术，即利用实时相位探测技术实现尺寸小，精度高的子孔径镜面之间的位相合成，从而获得性能优越的大口径镜面，然后对多孔径拼接技术原理进行了较为详细的数学描述，并完成了原理性实验，最后获得了实验结果。     

大口径光学望远镜拼接镜面关键技术综述

随着天文探测的不断发展,望远镜的口径越来越大,拼接镜面技术为大口径望远镜主镜的设计提供了一种比单镜面形式更简单可行的替代方案,现已成为大口径望远镜主镜设计的重要途径。本文以詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)和三十米望远镜(TMT)等典型拼接式望远镜的主镜设计为参考,总结了当前拼接镜面技术的发展现状;并阐述了在大规模子镜背景下,不同子镜拼接方案的性能差异,以及镜面支撑技术和共相检测技术的未来发展趋势,希望可以为我国下一代极大口径光学望远镜的自主研制提供参考。     

稀疏子孔径采样检测大口径光学器件

针对大口径光学器件在抛光加工过程中子孔径拼接检测效率低的问题,提出并分析了用稀疏子孔径采样法对大口径光学器件抛光加工过程进行过程检测。通过软件仿真分析稀疏子孔径不同的采样分布,并拟合出不同采样分布的全口径面形,与实际测得全口径面形进行比较。结果表明：当稀疏子孔径采样分布合理时,稀疏子孔径采样检测法检测出的全口径面形与实际测量的全口径面形相当,所以稀疏子孔径采样检测法可以在抛光过程中进行检测,从而提高检测效率。     

光学合成孔径成像技术计算机仿真与实验验证

首先阐明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,并且合成孔径成像系统的信息获取在方向上具有可选择性。然后对合成孔径成像系统的点扩散函数和光学传递函数进行了计算机仿真,仿真结果与合成孔径系统的成像原理一致。最后通过对辐射靶标的成像实验,再次对合成孔径成像系统的特性进行了验证。     

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。     

基于混合算法的光学合成孔径成像系统孔径优化

结合模拟退火算法和遗传算法的优点,在遗传算法中加入模拟退火算子,运用这种混合算法对子孔径结构进行了优化。以阵列的子调制传递函数覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,实现了单圆周孔径阵列和双圆周孔径阵列的优化排列。使用仿真程序对优化阵列的光学传递函数进行了分析,将优化结果与相同子孔径数目的单圆周结构进行仿真实验和比较。结果表明,采用这种混合算法是可以很好的解决光学合成孔径结构的优化问题,优化结果接近全局最优解,优化后的双圆周阵列接近Golay阵列,具有更大的实际空间截止频率。     

合成孔径激光成像雷达的二维傅里叶变换成像算法

提出了合成孔径激光成像雷达(SAIL)的二维傅里叶变换成像算法,即对回波信号进行顺轨向相位二次项共轭补偿后直接实施二维傅里叶变换。归纳了啁啾光源侧视SAIL,平移二次项波面直视SAIL和偏转平面波面直视SAIL的数据收集方程,采用连续变量和函数说明了算法的成像过程,并分析了矩形和圆形天线孔径下的成像分辨率,最后给出了离散傅里叶变换的表达形式。算法中交轨向和顺轨向的时间域数据均直接变换到频率域成像,给出了圆形孔径天线SAIL的随交轨向变化的顺轨向成像分辨率的解析解。     

光学合成孔径成像技术的uv覆盖与孔径排列研究

从地平坐标系和时角坐标系出发,运用坐标旋转公式推导出光学合成孔径成像技术中干涉阵排列和uv覆盖之间的几何关系式,以特定观测天区为例,在南京模拟三孔径Y型阵,并运用蒙特卡洛法对2个目标函数分别优化,将其优化结果进行比较,找到比较适合该文的目标函数。     

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。     

光学综合孔径成像技术实验研究

根据光学综合孔径成像系统的成像质量与点扩散函数和光学传递函数的关系,以G o lay-3阵列结构为例,从空间域和频率域对光学综合孔径成像技术进行理论仿真和实验研究。在空间域从理论上分析光学综合孔径成像系统的点扩散函数,对复杂目标的成像通过目标函数与点扩散函数的卷积求得,点扩散函数决定了成像质量。通过数值仿真和模拟实验取得了点扩散函数强度分布图,两者分布规律一致证明理论分析正确。在频率域研究光学综合孔径调制传递函数,理论仿真和实验取得的调制传递函数表明,空间域和频率域内光学综合孔径成像技术的理论分析与实验结果具有较好的一致性。     

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″。     

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。     

光栅干涉二维合成孔径的实验研究

本文对一种成像系统——光栅干涉合成孔径成像系统进行了研究,证明这种频域成像系统具有高分辨,甚至超分辨的性能.用计算机控制的模拟点目标以及同步光栅扫描,完成了二维孔径合成实验,证明这种大瞬时光谱带宽的频谱孔径不受衍射极限限制,对空间点目标有极高的位置分辨率,存在超分辨的可能性.     

轴对称综合孔径光学系统的调制传递函数和成像性质

综合分析目前各种综合孔径光学系统的结构和成像特征,并对它们作了比较。使用数值模拟方法,对单环轴对称综合孔径光学系统和双环结构的轴对称系统进行分析,研究了轴对称综合孔径光学系统的结构形式及其调制传递函数(MTF),并对其成像性质作了评估与比较。讨论了一种4+2双环结构的轴对称综合孔径系统的结构形式,对其成像特点作了详细描述,最后运用图像复原维纳滤波器对系统成像图做了处理,以使这种轴对称综合孔径系统具有更理想的成像效果。