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基于相位差异法的简易光学系统的图像复原方法

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光子学报 2019年第9期48卷 81-92页

作者：景文博邹欢欢张家铭赵致远王彩霞长春理工大学光电工程学院

简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差,导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析,在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下,建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型,根据焦面和离焦面图像以及精确... 详细信息

简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差,导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析,在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下,建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型,根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量,无需点扩散函数的先验信息,采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明:单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%,重构后图像质量均有明显提升.

关键词：简易光学系统图像复原相位差异法点扩散函数光学像差

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应用于稀疏孔径的滤波切趾相位差异法的研究

激光与光电子学进展 2015年第9期52卷 260-265页

作者：李勋武范君柳胡孟孟吴泉英苏州科技学院数理学院江苏苏州215009 苏州大学物理与光电.能源学部江苏苏州215006

采用相位差异法应用于稀疏孔径系统的波前相位传感,对图像噪声引起的波前相位估计的准确性下降以及迭代时间较长等进行研究。采用二阶巴特沃斯低通滤波器对退化图像进行降噪处理,同时对滤波后的图像频谱和光学传递函数应用切趾法截取高... 详细信息

采用相位差异法应用于稀疏孔径系统的波前相位传感,对图像噪声引起的波前相位估计的准确性下降以及迭代时间较长等进行研究。采用二阶巴特沃斯低通滤波器对退化图像进行降噪处理,同时对滤波后的图像频谱和光学传递函数应用切趾法截取高信噪比的低频区域和与之相应的光学传递函数作为约束条件,推导了滤波切趾处理后的相位差异法目标函数的表达式。仿真结果表明,所提出的方法在不同强度噪声情况下,都能有效地降低噪声影响提高相位估计精度,同时缩减算法迭代时间。

关键词：光学设计稀疏孔径相位差异法低通滤波器相位估计

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基于相位差异法的多帧遥感降质图像复原仿真

计算机仿真 2023年第5期40卷 257-261页

作者：展金梅祁冰琼台师范学院信息科学技术学院海南海口571127 海南大学网络空间安全学院海南海口570228

为降低大气湍流和光学系统对成像效果的干扰,提高画面可用信息质量,提出基于相位差异法的多帧遥感图像复原方法。构建多帧遥感图像模型,利用低通滤波器去除明显噪声,避免振铃现象发生。采用相位差异法反演遥感成像流程,凭借一对处于离... 详细信息

为降低大气湍流和光学系统对成像效果的干扰,提高画面可用信息质量,提出基于相位差异法的多帧遥感图像复原方法。构建多帧遥感图像模型,利用低通滤波器去除明显噪声,避免振铃现象发生。采用相位差异法反演遥感成像流程,凭借一对处于离焦面和焦面位置的CCD相机,连续采集短曝光图像,得到目标瞬时波前的相位数据。将数据代入极坐标下的泽尼克式中,获得焦面和离焦面的光学传递函数和光场分布,利用正则化约束复原目标函数和差异法代价函数,求解似然函数的最小值,即实现遥感降质图像复原。实验结果表明,所提方法复原后图像的灰度平均梯度、拉普拉斯梯度模、Fisher信息量均大于原始图像值,证明经过复原后图像的细节特征更丰富,分辨率更高,复原质量好。

关键词：相位差异法遥感图像大气湍流光学成像系统图像复原

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稀疏孔径轴外视场相位差异法的研究

稀疏孔径轴外视场相位差异法的研究

作者：陈宝华苏州大学

学位级别：硕士

稀疏孔径光学系统是由空间分布的、互相干的多个较小孔径合成的一个大口径成像系统,其具有体积小、重量轻、加工容易、成本低廉且分辨率与单口径系统相当的特点。但是由于每个子镜独立,自由度高,这就导致稀疏孔径望远镜系统在装调中产... 详细信息

稀疏孔径光学系统是由空间分布的、互相干的多个较小孔径合成的一个大口径成像系统,其具有体积小、重量轻、加工容易、成本低廉且分辨率与单口径系统相当的特点。但是由于每个子镜独立,自由度高,这就导致稀疏孔径望远镜系统在装调中产生较大的误差。子镜的装调误差会大大降低系统的分辨能力,影响最终成像质量,因此如何解决其装调误差成为关键问题之一。基于此人们提出将相位差异法运用到稀疏孔径光学系统中,利用光学图像对系统误差进行检测和恢复。其主要原理是:将子镜的装调误差用泽尼克多项式中的前三项系数表示,在高斯噪声的模型下,构建目标函数,通过对目标函数的最优化,得出子镜的装调误差。然而传统的泽尼克多项式只是在单个视场情况下对误差进行波前重构,由于缺少视场参数,其相应的泽尼克项不能代表真正的波像差函数。在实际成像中,存在不同的入射视场,导致检测出的波前畸变不准确,影响最后的子镜装调和图像恢复。本文基于三子镜稀疏孔径两反系统,分析视场和子镜误差对系统的影响,在相位差异法基础上推导含有视场因素的双泽尼克多项式,确定视场引起泽尼克多项式系数的变化;讨论不同视场对双泽尼克前三项系数的影响,构建子镜误差、视场与双泽尼克系数关联的矩阵,在多个视场下计算矩阵的各项参数,并加以验证;引入相对模糊度函数和峰值信噪比定量评价不同视场和子镜误差下成像图像的模糊程度;通过焦面和离焦面上取得的图像计算目标函数,运用遗传算法对目标函数最优化以恢复由视场和装调误差产生的波前畸变,并成功复原图像。

关键词：稀疏孔径视场相位差异法双泽尼克多项式

基于相位差异法的薄膜衍射光学系统波前反演方法研究

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基于相位差异法的薄膜衍射光学系统波前反演方法研究

作者：于頔哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

与传统的折反射式光学系统相比,薄膜衍射光学系统具有重量超轻、可折叠展开、低成本等优点,是未来超大口径超高分辨率空间光学载荷的重要发展方向。但受制于衍射成像的特殊机制,衍射光学成像表现出更严重的能量损耗、复杂的点扩散函数(P... 详细信息

与传统的折反射式光学系统相比,薄膜衍射光学系统具有重量超轻、可折叠展开、低成本等优点,是未来超大口径超高分辨率空间光学载荷的重要发展方向。但受制于衍射成像的特殊机制,衍射光学成像表现出更严重的能量损耗、复杂的点扩散函数(Point spread function,PSF)空间变化等特性,再加之大气湍流、在轨力热环境的影响,薄膜衍射成像结果很可能无法满足最终图像解译应用的需求。波前信息是光学遥感全链路图像质量退化特性的直接反映,波前的精确反演可为图像质量的反演增强与恢复提供先验和输入。目前,针对衍射光学系统的波前反演方法的研究仍为空白。本文从衍射光学系统成像机理出发,研究了基于相位差异法的薄膜衍射光学系统波前反演方法。主要研究内容如下:(1)衍射光学成像特性及表征模型。与传统的折反射式光学系统不同,衍射光学系统成像过程受衍射效率、PSF空间移变特性的影响,图像质量退化机理复杂,最终的成像结果可能表现为:焦面成像图像能量低,边缘视场处的调制传递函数(Modulation transfer function,MTF)退化严重。本文基于标量衍射理论开展了衍射光学系统像质退化特性分析,并建立了融合衍射效率、视场、波前位相等多成像参量的衍射光学系统成像表征模型,为衍射光学系统波前反演的相位差异法研究提供理论基础。(2)基于衍射成像表征模型的相位差异波前反演方法研究。针对传统相位差异法未考虑衍射光学系统衍射效率与PSF空变等成像特性的问题,本文将衍射光学系统成像表征模型融入相位差异法目标函数。并结合等晕区分块思想,提出了衍射光学系统空变波前反演方法。针对相位差异法目标函数的非凸优化求解难题,利用基于模拟退火的粒子群算法实现了波前信息的全局高效求解。(3)相位差异波前反演方法的适应性及误差分析。首先,从衍射光学系统波前反演原理出发,将波前反演精度的影响因素归结为像质退化和输入误差因素;然后,针对像质退化因素,开展了相位差异法的适应性分析;针对输入误差因素,建立了误差理论分析模型,并基于误差理论提出了波前反演合成误差分析方法;最后,对某薄膜衍射光学系统开展了数值仿真实验,验证了误差分析模型与方法。(4)实验验证及分析。以薄膜衍射光学系统为应用实例,仿真获取了衍射空变退化图像,结合等晕区分块思想反演得到全视场的衍射波前信息,并对全视场波前反演方法开展了适应性分析。实验结果表明:衍射效率优于0.65,高斯噪声方差优于0.001的条件下,全视场平均波前反演RMSE可达到2.5×10λ。本文提出的基于相位差异法的薄膜衍射光学系统波前反演方法可实现波前信息的高精度反演,能够为衍射成像退化图像的反演增强与恢复提供更加准确的输入,为未来超大口径薄膜衍射光学系统的空间应用奠定基础。

关键词：薄膜衍射光学系统波前反演相位差异法衍射成像特性误差分析

基于多光谱图像的相位差异法及在稀疏孔径光学系统中的应用

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基于多光谱图像的相位差异法及在稀疏孔径光学系统中的应用

作者：姜慧苏州大学

学位级别：硕士

稀疏孔径光学系统是将多个子镜按一定规律排列合成大口径的光学系统,能够获得与单个大口径系统相当的目标信息,达到高分辨率的要求,同时减少系统的体积、重量以及加工成本。但子镜在装调过程中存在的平移或倾斜误差会使得入射光束的波... 详细信息

稀疏孔径光学系统是将多个子镜按一定规律排列合成大口径的光学系统,能够获得与单个大口径系统相当的目标信息,达到高分辨率的要求,同时减少系统的体积、重量以及加工成本。但子镜在装调过程中存在的平移或倾斜误差会使得入射光束的波前发生严重的畸变现象,导致成像质量降低。相位差异法是一种基于图像的非相干探测技术,可以通过连续检测系统的波前畸变,实时为波前矫正器提供数据,使得成像质量接近衍射极限的状态。传统相位差异法一般是基于单色光情况下的研究,随着多光谱成像技术的成熟,人们在图像研究方面可以获得更丰富的信息,因而将单色光下的相位差异法研究拓展至多光谱图像的研究具有现实意义。本文从环形稀疏孔径光学系统出发,研究基于多光谱图像的相位差异法,利用多个不同波段的图像探测光学系统的波前误差。首先介绍稀疏孔径成像系统的两种结构,以环形稀疏孔径为例分析填充因子、调制传递函数特性以及两者之间的关系;在不同填充因子下,利用Matlab软件模拟成像。其次针对子镜装调过程中存在平移或倾斜误差的情况,利用相对模糊度定量分析误差对系统成像的影响。在单色光照明下利用相位差异法估算出系统的装调误差,得到的误差值进行图像恢复。最后,基于多光谱传递函数理论,将单色光相位差异法扩展到多光谱相位差异法的研究,利用多光谱相位差异法计算环形稀疏孔径的波前误差,恢复目标物的图像。本文结果表明,不同波段下经过相位差异法估算出的误差值均低于3%,进一步说明多光谱图像相位差异法探测波前误差的有效性。提出绿色波段下,估算的波前误差其相对误差值比较小,也为下一步研究相位差异法恢复精度与波长的关系提供了依据。

关键词：环形稀疏孔径相位差异法多光谱图像装调误差

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基于相位差异的激光光束质量测量技术研究

基于相位差异的激光光束质量测量技术研究

作者：罗秦长春理工大学

学位级别：硕士

激光光束质量测量技术指利用激光的传播规律,通过成像系统实现对激光强度信息的采集,完成激光光束质量的测量。然而,对于波动性大,稳定时间长的激光器,光斑强度信息的重复性采集耗时长,且采集的光斑强度图像不具备一致性,最终所得光束... 详细信息

激光光束质量测量技术指利用激光的传播规律,通过成像系统实现对激光强度信息的采集,完成激光光束质量的测量。然而,对于波动性大,稳定时间长的激光器,光斑强度信息的重复性采集耗时长,且采集的光斑强度图像不具备一致性,最终所得光束质量未完整表征激光特性。为解决以上问题,本文提出一种基于相位差异的激光光束质量测量法:多重传播法以最少成像次数,最短光斑信息采集时间,最小光束质量测量误差为特点,改善光束质量参数的测量问题;矩法测量法以高测量效率为特点作为补充测量法。(1)分析衍射的角谱理论,研究激光光场重构方法,结合焦面、离焦面的光斑强度图像给出反演激光光场的方法,建立相位差异激光光场重构模型,反演重构面的激光光场分布;(2)结合重构面的激光光场,研究光束束宽的计算、采样间隔的选取、激光传播廓型曲线的拟合、传播步长的确定四个方面内容。针对OTSU阈值法不能优化处理计算光束束宽时激光光斑图像中边缘数据的局限性,提出改进的OTSU阈值法以适用于光束束宽的计算;分析重构面光场传播中频率混叠现象,给出采样间隔的选取范围;研究激光传播廓形拟合中出现较大误差的光斑大小数据,给出稳健的拟合法实现对误差数据进行部分取舍的目的;结合激光的传播特性,提出改进的传播步长选取条件以解决激光传播廓形拟合曲线中重要采样范围内数据占比过少、光束质量测量不准确的问题。(3)针对多重传播法中大量的傅里叶运算耗时长的问题,研究以魏格纳分布为基础的矩法测量法。结合重构面的激光光场分布,研究其强度密度分布和相位密度分布,给出最优光场数据选取条件,减少求解激光光束质量参数中不必要的耗时。通过实验对基于相位差异的激光光束质量测量法进行验证,分析实验结果。实验结果表明:应用多重传播法对激光光束质量进行测量时激光参数准确度高,其参数的误差均在±5%;矩法测量法作为快速测量法,其参数的测量误差为±9%,以上两种基于相位差异的激光光束质量参数测量法的采样效率得到显著提高,该测量方法可以完整表征激光属性,提升激光光束质量测量效率,对激光技术的深入应用具有重要意义。

关键词：激光光束质量相位差异法多重传播法矩法测量法

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三子镜稀疏孔径两反望远系统的研究

三子镜稀疏孔径两反望远系统的研究

作者：胡孟孟苏州大学

学位级别：硕士

为了更好地对远处目标进行成像,人们对望远系统的分辨率的要求越来越高,这就需要大口径的望远系统。然而传统单一大口径望远系统在增大口径的同时,会导致光学系统重量增大、成本更高、体积更大等问题。为了能够在获得较高分辨率的同时... 详细信息

为了更好地对远处目标进行成像,人们对望远系统的分辨率的要求越来越高,这就需要大口径的望远系统。然而传统单一大口径望远系统在增大口径的同时,会导致光学系统重量增大、成本更高、体积更大等问题。为了能够在获得较高分辨率的同时而又突破口径大小的限制,人们开始寻求新的方法,其中使用稀疏孔径光学成像系统来代替传统的单一大口径望远系统是近年来研究的热门课题之一。本文详细介绍了稀疏孔径的研究背景、研究意义和国内外的研究现状。初步设计了全孔径的R-C两反望远系统,并把其中的主镜用三子镜稀疏孔径结构来代替。在此基础上,加入了两片校正镜,用光学设计软件ZEMAX进行优化,平衡各种像差,得到初级像差极小的三子镜稀疏孔径望远系统。当该系统存在装调误差——平移误差或倾斜误差时,进行了模拟成像。采用相对模糊度函数,当子镜存在不同大小的平移误差或倾斜误差时,用相对模糊度描述系统所成图像的模糊程度。然后,对一个含有一定量装调误差的系统,在焦面和离焦面各取一幅图像,利用相位差异法对两幅图像进行分析,计算出系统所包含装调误差的大小,并根据检测的结果对原目标图像进行恢复,得到较为清晰的图像。最后,论文对工作进行了总结,并指出下一步需要展开的工作。

关键词：稀疏孔径两反望远系统装调误差相位差异法

PD法测量激光波前的GPU快速计算方法研究

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PD法测量激光波前的GPU快速计算方法研究

作者：白东阳长春理工大学

学位级别：硕士

激光波前是评价激光性能优劣的重要指标,同时与激光的传输、聚焦等特性密切相关,如何准确快速的测量激光波前是激光技术中一个非常重要的研究方向。在测量激光波前的众多方法中,相位差异法(Phase Diversity,PD法)具有系统结构简单、易... 详细信息

激光波前是评价激光性能优劣的重要指标,同时与激光的传输、聚焦等特性密切相关,如何准确快速的测量激光波前是激光技术中一个非常重要的研究方向。在测量激光波前的众多方法中,相位差异法(Phase Diversity,PD法)具有系统结构简单、易于实现、成本低、对事后的图像处理不需要参考目标等优点,但是缺点是计算量大,运算耗时。本研究将GPU加速运用到PD法测量激光波前的计算过程中,利用GPU并行计算的优势对PD法测量激光波前进行加速。本文首先对PD法测量激光波前的原理进行分析,将PD法测量激光波前过程中构建的目标函数、梯度函数、L-BFGS最优化算法等环节进行并行化改造,使PD算法能够在GPU上并行处理;分析PD法测量激光波前的整个耗时情况,找出该过程中最为耗时的傅里叶变换、求和、矩阵相乘等环节,对这些环节具有针对性的GPU加速计算;结合光学原理对PD算法中点扩散函数的冗余计算进行剔除,提高算法的计算效率。最后进行PD法测量激光波前的GPU加速实验,构建硬件系统和软件系统,分别用CPU和CPU+GPU的方式计算不同光斑图像尺寸下的激光波前,并与BeamWave 500波前测量仪测得的数据进行比较,在保证测量结果有效的前提下比较加速效果。实验结果表明:GPU加速的PD法测量激光波前在测量效果方面与参考值接近,满足测量结果的有效性要求;对256×256像素大小的图像利用GPU加速的方式计算激光波前,测量时间保持在6秒之内,与CPU测量的速度进行比较,加速比达到53.7,加速效果明显,可以极大提高算法的运行效率。PD法测量激光波前的GPU快速计算方法研究对激光波前的快速准确测量具有重要意义。

关键词：激光波前相位差异法 GPU加速并行计算傅里叶变换