拼接望远镜成像系统的理论模型分析及仿真研究

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径,尤其是对10m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发,以10m左右口径望远镜为例,推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式,建立了数学仿真模型,并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明:拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积;分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽,使远场峰值能量下降;分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数,从而降低望远镜系统的斯特列尔比;分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移,因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数,降低望远镜系统的斯特列尔比.     

拼接误差对拼接式大口径反射镜成像质量的影响

以由七片边长为0.5 m的正六边形子镜组成的拼接式大口径反射镜为例,理论分析和数值模拟各种拼接误差对成像质量的影响.利用傅里叶变换的特殊性质简化求解大反射镜的点扩散函数过程并推导各种误差下的解析表达式.采用快速傅里叶变换数值模拟边缘失配误差、平移误差及倾斜误差情况下的点扩散函数,并根据光学系统的成像原理模拟成像效果.结果表明,边缘失配误差对成像质量无影响,而平移误差影响较大,倾斜误差影响相对较小.     

视场拼接复眼成像系统结构及装调方法EI北大核心CSCD

提出了以高分辨率、小视场的子眼镜头为中心,曲面阵列化排布多个分辨率较低、视场大的边缘阵列子眼镜头的人工仿生复眼的结构形式.基于物方视场空间应该保证无缝拼接并尽量缩小重合区域的原则,分析并得到子眼镜头在X方向和Y方向上视场角与复眼系统总体视场角的数学关系式,推导出了边缘阵列子眼镜头的周期阵列数n的数学模型,确定了子眼镜头在曲面上的阵列排布方式.依据曲面阵列排布形式设计了子眼镜头曲面固定本体,提出了利用自带光源的自准直经纬仪及计算机图像处理技术的装调方法.在实际装配和调整过程中,完成了中心子眼镜头和边缘第一阵列子眼镜头的安装,利用该系统采集图像数据,结果表明:物方视场空间的实际重合区域与理论设计一致.     

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。     

基于混合智能算法的激光雷达数据拼接技术EI北大核心CSCD

双通道数据拼接技术能有效地增大激光雷达系统的动态探测范围,改善大气回波信号的信噪比。提出了一种基于非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)与邻域粗糙集(NRS)的大气遥感激光雷达数据拼接智能算法,即NRSWNSGA-Ⅱ,提高了数据拼接的准确性和稳定性。该算法以三个判断双通道数据拟合优度的评价函数为优化目标,通过NSGA-Ⅱ获得评价函数的Pareto最优解集,进而利用NRS训练数据样本得到的权重进行线性规划,实现了最优拟合范围内的全局随机搜索。实验结果表明,所提算法拼接效果良好并在全天性数据拼接工作中有较好的稳定性。     

有像差情况下的全息光栅拼接研究EI北大核心CSCD

激光约束核聚变系统需要大口径脉冲压缩光栅。全息光栅拼接法是制造大口径光栅的重要手段。针对有像差的全息曝光系统,提出了一种拼缝处光栅对准拼接方法。为研究像差对光栅拼接特性的影响,用随机波面进行了光栅模拟拼接,计算了远场衍射能量分布与拼接误差的关系。实验拼接了(150+150)×200 mm2口径光栅,其拼接均方根误差值为0.034λ,峰-峰误差值为0.110λ。利用光栅±1级衍射波面,计算得到了曝光系统像差,并模拟了拼缝处最小拼接误差,其均方根误差值为0.016λ,峰-峰误差值为0.105λ。结果表明,拼接误差与理论模拟结果相近。该误差不会造成远场衍射光斑能量明显下降。由此证明了该方法的可行性。     

一种光学遥感卫星多相机成像系统的高精度影像拼接方法EI北大核心CSCD

提出一种基于虚拟大相机的光学遥感卫星多相机系统成像数据的拼接方法,实现多相机影像的高精度拼接。该方法根据各单相机的几何成像模型,构建虚拟大相机的几何成像模型;利用坐标正算、反算过程对各单相机影像进行间接法几何纠正,得到虚拟大相机图像坐标系下的各虚拟单相机影像;将各虚拟单相机影像基于影像坐标信息拼接处理后得到最终的虚拟大相机影像。该方法利用虚拟大相机实现多相机影像的高质量拼接,为后期处理提供了与之相对应的高精度有理函数模型,可用于不同数量、不同分辨率的多相机系统实现全自动智能地面预处理。     

红外扫描过采样系统点目标检测性能分析与仿真EI北大核心CSCD

过采样是为提高遥感扫描图像分辨率而提出的一种新的成像体制,为将其应用于红外搜索与跟踪系统,需研究过采样对系统点目标检测性能的影响.从扫描成像原理角度对比分析常规采样和过采样的特点;基于高分辨率图像退化方式给出扫描图像仿真方法;通过仿真扫描图像进行单帧目标检测处理,对比分析两种采样体制下的系统点目标检测性能.结果表明,在相同条件下,过采样系统点目标检测性能优于常规采样;常规采样扫描图像中目标一般呈现1×1点状,而过采样扫描图像中目标呈现斑点状,利用该特性可进一步提升过采样系统目标检测性能.     

一种基于远场图像的稀疏光学合成孔径系统共相探测新方法的仿真研究

稀疏光学合成孔径系统中,共相探测环节检测子孔径间的相位平移误差,为系统高分辨力的实现提供重要支持. 文章从基本的物理原理出发,分析了系统远场与相位平移误差的关系,并以此为基础,从数学上阐明了 相位平移误差对系统远场图像的影响机制.进一步,针对典型的两孔径系统,提出了一种新的基于远场相似度 的共相探测方法,并对其可行性、原理性偏差和动态范围进行了仿真分析.结果表明,该方法在原理上可实现 对两孔径系统相位平移误差的良好标定,且避免了一些既有方法可能存在的2π模糊性及无法判断符号的问题,具有一定的动态范围,为共相探测新技术的进一步研究提供了有效参考.     

基于运动模糊复原技术的红外弱小目标检测方法EI北大核心CSCD

在红外对空探测系统中,由于探测器时刻处于运动状态使得目标图像产生剧烈的运动模糊,给红外小目标检测造成困难。为了解决运动模糊条件下红外小目标检测的问题,提出将运动模糊复原技术和图像增强技术引入红外探测系统。先将探测器采集到的原始图像经过维纳滤波,对运动模糊进行处理并抑制噪声干扰,再利用梯度法对处理后的图像做锐化处理,增强目标边缘。实验验证和仿真分析结果都表明,该方法运动模糊复原效果明显,并在一定程度上抑制了噪声,提高了目标对比度,使目标在背景中更加凸显,并且能够显著提高目标图像质量。引入的评价参数峰值信噪比和均方差表现良好,该方法可以增强探测系统的使用性能。     

基于地理位置信息的图像配准方法及精度分析EI北大核心CSCD

针对传统图像配准技术难以对海洋、沙漠、草原等特征不明显区域航空遥感图像进行配准的问题,提出了一种基于地理位置信息的航空遥感图像配准算法。依据载机定位定向系统测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息,利用齐次坐标变换的方法求解配准点在大地坐标系下的投影。利用世界大地坐标系-84坐标系定义的地球椭球模型确定匹配点的经纬度信息,将相同地理位置信息的配准点进行配准。采用蒙特卡罗法仿真分析了载机姿态位置信息及框架角位置信息对配准精度及定位精度的影响。采用实际的航空遥感图像进行实验,结果表明,在载机飞行高度低于2000m,拍摄倾斜角小于18°时,配准精度可优于3m,遥感图像中的海上控制点的定位精度优于35m。     

30m望远镜三镜系统运动学接口设计及分析EI北大核心CSCD

光学系统中,为防止像差的引入造成成像质量下降,光学元件的准直与间距必须严格保证。所以,在光学仪器接口设计过程中,提高接口的重复性定位能力和降低接口的接触应力水平是非常重要的。在30 m望远镜(TMT)三镜系统设计过程中,三镜作为Ritchey-Chirtien(R-C)式光学系统中重要的光学元件,需严格保证其位置和姿态。三镜系统寿命周期中,由于清洗、镀膜的要求,需要多次拆装,为保证装配精度,需设计了一套定位用运动学接口。从运动学定位原理出发,使用赫兹接触理论以及IBM磨损理论对运动学接口进行了相应校核,并分析了影响运动学接口重复性定位精度的相应误差源,使用蒙特卡罗方法进行了相应仿真。另外,以三镜面形作为评指标,使用Ansys软件模拟了运动学接口,研究了接口参数对于三镜面形的影响。分析结果显示,在现有的设计及精度下,接口的接触应力水平满足使用要求,三个方向的重复性定位精度以及支撑效果能够达到设计指标。     

拼接式合成孔径光学系统的失调误差分析研究

拼接式合成孔径光学系统对系统误差分配有特殊要求,子镜失调将严重改变波前分布,影响系统成像。对一个拼接镜面的卡式原理演示系统进行了误差分析论证,并使用ZYGO干涉仪进行实测。结果表明,拼接镜面的波前误差RMS值和PV值有特殊关系,但在一定范围内仍可获得较好的MTF曲线。     

相干激光雷达中望远镜的优化及探测性能分析EI北大核心CSCD

利用脉冲能量为110μJ、重复频率为20 k Hz及脉冲宽度为300 ns的光纤激光器设计了一套工作波长为1.55μm的相干测风激光雷达,给出了系统的性能参数。根据后向传播本振的原理计算出当望远镜对发射高斯光束的截断比为最优值0.823时,激光雷达的天线效率达到最大值0.422。在最优截断比条件下分析了望远镜口径对相干激光雷达载噪比的影响,优化了望远镜设计。从理论上计算出激光雷达的探测性能指标:探测距离大于3 km,风速测量范围为±62 m/s,距离分辨率为84 m,风速测量精度优于0.1 m/s,时间分辨率为0.5 s。     

卷帘快门对数字域TDI成像的影响分析EI北大核心CSCD

数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)成像以其成本低、功耗小、操作灵活等优势,近几年逐渐引起研究关注。然而CMOS传感器的卷帘快门存在运动失真,为了深入研究其对数字域TDI的影响,结合卷帘快门工作原理,建立了卷帘快门效应对数字域TDI引起的像移及调制传递函数(MTF)下降的数学模型。并结合推导模型开展了预估分析和验证实验。结果表明:卷帘快门效应会对数字域TDI算法带来较大的影响;读出时间越长像移量越大、MTF下降越严重;另外行周期越短影响也越严重,其中行周期从200 us变为100 us时,对应的数字域TDI图像MTF从0.6144下降为0.4807。     

点扩散函数选取对波前编码图像复原影响的实验研究北大核心CSCD

波前编码系统由于其离焦不敏感和像差抑制特性被广泛应用于光学系统中来延拓景深。景深的拓展是以牺牲图像像质为代价,通过数字复原方法获得正常水平的图像质量。通过对比分析两种复原方式,一种是焦点处的点扩散函数复原全部离焦位置的模糊图像,另一种是点扩散函数分别复原对应离焦位置的模糊图像,通过仿真模拟和显微实验成像对比分析得知点扩散函数复原对应离焦位置的模糊图像的复原方式可以有效削减振铃效应。该复原方式可以减弱图像二次模糊,复原结果更适合人眼观察。     

用于提高成像灵敏度的区域DOT/FMT混合成像方法EI北大核心CSCD

当前荧光分子层析(FMT)技术因假设背景光学结构均匀而导致其灵敏度、定量性和空间分辨率等主要指标与实际应用要求存在一定的差距,而基于区域标识的"粗粒度"扩散光学层析成像(区域DOT)重建算法在目标体结构先验信息的支持以及光学特性分区均匀性自然假设下能够有效获取目标体的光学结构,展开了提高FMT技术成像灵敏度的稳态测量模式下区域DOT/FMT混合成像方法的研究。数值模拟中以含有区域标记的光学数字鼠模型为背景,分别在已知数字鼠精确光学结构、利用区域DOT重建算法获取的数字鼠光学结构以及假设数字鼠各区域光学参数均匀三种背景情况下基于FMT技术重建荧光产率图像,并利用简化的仿体模型进行实验验证。结果表明,该区域DOT/FMT混合成像方法使FMT技术成像灵敏度有了显著提高,荧光产率图像具有更好的定位及量化精度。     

高维非厄米系统奇异点的多样性研究EI北大核心CSCD

不同于传统的厄米系统,非厄米系统存在奇异点。当某一参数演化到奇异点时,非厄米系统发生相变,即两个本征态合并成一个。利用耦合的超材料人造原子,研究了二态和四态的非厄米系统。通过记录电磁波开放系统相干吸收峰频率随损耗的变化,研究了非厄米系统本征值的各种演化轨迹。理论和电磁场仿真结果表明,四态非厄米系统的本征态通过不同的方式合并,可以形成五种奇异点;其中,由两个以上本征态合并产生的奇异点,称为高阶奇异点。     

基于多视差函数拟合的集成成像深度提取方法EI北大核心CSCD

集成成像系统采用微透镜阵列记录空间场景信息,只有一次成像过程,在获取场景深度时,不存在相机的参数设置和校准问题,简化了深度测量过程,具有很大优势。但是由于该系统采集的元素图像分辨率低,容易受记录噪声影响,元素图像之间匹配困难。基于集成成像系统能够计算重构出多幅视图的优势,充分利用多幅视图提供的冗余信息来改善立体匹配情况。采用颜色相似性的自适应窗口在参考视图与其他视图之间进行立体匹配,得到参考视图与其他视图之间的视差信息,利用视差与视图对之间的抽样距离满足正比函数关系的性质,对多个视差值进行函数拟合,减少了由于记录噪声等因素产生的误匹配,物体深度层次的分辨更加准确。     

迈克耳孙干涉仪中的镜面面形误差研究分析EI北大核心CSCD

从迈克耳孙干涉仪干涉原理出发,分析了圆形镜面抛光面形误差对干涉调制度的影响。由于存在镜面面形误差,干涉调制度不能达到理想情况下的100%,但其干涉调制度不能低于理想情况下的90%。通过分析和讨论,镜面面形误差最好控制在λ/14以内,干涉调制度才可能不低于90%,这样干涉仪才能保持比较满意的性能。同时,使用Zygo干涉仪对5组平面镜的平面度进行了测量,得到了这5组平面镜的峰-峰值和其他一些参数,通过分析测量结果,这5组平面镜的平面度都能达到干涉调制度的要求。通过对迈克耳孙干涉仪中平面镜面形误差的研究,这对于干涉光谱仪的设计、研制和性能的分析都具有一定的指导意义。