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平面干涉光电成像系统的采样频谱优化与像质提升技术研究

平面干涉光电成像系统的采样频谱优化与像质提升技术研究

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作者：路宏升哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

平面干涉光电成像系统是在干涉成像和集成光学基础上产生的新型成像系统。该系统使用微透镜阵列代替单个大口径镜组收集成像光束,然后输入到光子集成电路,经过一系列处理后形成干涉基线,通过干涉获得目标的频谱信息进而重建出图像。该... 详细信息

平面干涉光电成像系统是在干涉成像和集成光学基础上产生的新型成像系统。该系统使用微透镜阵列代替单个大口径镜组收集成像光束,然后输入到光子集成电路,经过一系列处理后形成干涉基线,通过干涉获得目标的频谱信息进而重建出图像。该系统中使用到的微透镜、光子集成电路板和正交探测器结构紧凑、集成度高而且能批量生产。与相同分辨率的传统光学成像系统相比,该系统的质量、体积和功耗可以降低1到2个数量级。作为新一代的成像系统,能够应用到天基遥感、空间探测和军事侦察等诸多领域,具有很大的应用潜力。作为新型成像系统,对平面干涉光电成像系统的研究尚不完善,仍处于理论研究和初步实验阶段。针对该系统在理论和工程应用中存在的一些问题,本文的主要研究工作如下:首先,从基本干涉原理出发,阐述了以范西特-泽尼克定理为基础的干涉成像原理,以及平面干涉光电成像系统的信号传输过程和成像过程。对系统的分辨率、视场等关键参数指标和空间频率覆盖进行了分析,最后总结了系统的成像仿真方法和像质评价指标。其次,从系统的空间频率覆盖的角度,分析其对系统成像质量产生的影响,对提高空间频率覆盖即优化采样频谱的方法进行了研究。对微透镜阵列的不同排布和配对方式对系统空间频率覆盖的影响进行了分析。通过对限制系统频谱覆盖的因素分析推导了连续空间频率覆盖的条件,并得出了满足此条件的基线排布计算方法,提出了一种非均匀排布的新型透镜排布方式。非均匀排布方式能够实现连续且均匀的径向空间频率采样,从而提升系统的成像质量。之后,根据计算出的非均匀排布方式的基线长度分布,设计了最长基线434mm,线分辨率0.7m的系统参数,对使用此参数的系统分别在均匀排布、优化均匀排布、非均匀排布和优化非均匀排布四种排布方式的系统进行了成像仿真,仿真结果表明非均匀排布方式下系统的成像质量比均匀排布方式有明显提升。证明了非均匀排布的径向空间频率覆盖比均匀排布和优化均匀排布更加均匀且连续,能够使系统实现更好的成像质量。最后,通过对平面干涉光电成像系统的成像过程的分析,建立了适用于系统的像质提升的理论模型。然后选择了合适的图像重建算法(Total Variation,TV算法)和锐化算法(Sobel算子法)相结合,对非均匀排布的系统进行了仿真实验并对结果进行了分析讨论。仿真实验结果表明,与直接作傅里叶逆变换还原出的图像相比,经过像质提升后的仿真结果图像评价指标有明显的提高,证明对该系统使用合适的图像重建算法能够有效地提升其成像质量。

关键词：干涉成像透镜阵列频谱采样基线排布像质提升

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基于干涉阵列的高分辨率薄片成像技术研究

基于干涉阵列的高分辨率薄片成像技术研究

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作者：明质子北京邮电大学

学位级别：硕士

基于干涉阵列的高分辨率薄片成像技术是一种基于干涉成像原理与集成光路技术的新型成像技术。其相对于传统单镜成像技术有着小尺寸、低重量、低功耗的优势以及分辨率由基线长度决定的特性,使其能够在满足高分辨率的同时还保持着较低的... 详细信息

基于干涉阵列的高分辨率薄片成像技术是一种基于干涉成像原理与集成光路技术的新型成像技术。其相对于传统单镜成像技术有着小尺寸、低重量、低功耗的优势以及分辨率由基线长度决定的特性,使其能够在满足高分辨率的同时还保持着较低的尺寸与工艺成本。因此,基于干涉阵列的高分辨率薄片成像技术常常应用于天文学、地球科学和军事侦察等领域。本文围绕着薄片成像系统的各方面进行研究,主要内容如下:本文首先介绍了薄片成像系统成像的基本原理以及薄片成像系统的组件与模块,并根据系统的信号传输模型讨论了系统的性能参数,如视场、分辨率和u-v覆盖,解释了系统中的各器件与系统结构对这些参数性能的影响。基于系统性能要求,本文出于实际应用考虑提出了一种适当的系统参数。本文接着描述了薄片成像系统的结构建模和其整体成像质量的模拟方法,研究了不同系统参数对成像质量的影响,并发现系统干涉臂的数量与基线排布方式对成像质量有显著的影响。此外,本文根据周向方向上的频率覆盖对成像质量具有更大影响这一结论提出了旋转成像的概念。本文先从理论出发提出了具体的旋转成像方法,并进行仿真验证了其可行性。接着提出了针对于旋转成像的系统结构的优化方案,奇偶基线薄片成像系统。其相较于传统结构有着较高的图像质量提升。最后,本文比较了两种图像重构算法,MP-CLEAN算法和最大熵算法,并得出结论:最大熵算法更为鲁棒,适用于更广泛情况,而MP-CLEAN算法具有更强的定向能力。本文建议将二者都纳入旋转式薄片成像系统中,供用户选择。总的来说,本文对基于干涉阵列的高分辨率薄片成像系统进行了全面深入的分析,包括其理论基础、组件设计、参数选择、成像模拟和算法比较。本文的结论可作为未来研究和开发的参考,并有助于推动高分辨率成像技术的进步。

关键词：干涉成像集成光路基线排布 u-v覆盖图像重构算法

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基于延时相关的二维综合孔径算法研究

基于延时相关的二维综合孔径算法研究

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作者：杨雪清华中科技大学

学位级别：硕士

综合孔径微波辐射计利用稀疏的小天线构成近乎最小冗余的干涉基线来成像,具有无需扫描就能实现瞬时成像和相同尺寸下有更高的分辨率等优势,因此其已广泛应用于卫星对地遥感、无源探测、弹载平台末制导等领域。但在安检和探测等领域,辐... 详细信息

综合孔径微波辐射计利用稀疏的小天线构成近乎最小冗余的干涉基线来成像,具有无需扫描就能实现瞬时成像和相同尺寸下有更高的分辨率等优势,因此其已广泛应用于卫星对地遥感、无源探测、弹载平台末制导等领域。但在安检和探测等领域,辐射计系统不得不增加天线数量以达到基线大量冗余来获得更高的灵敏度。而根据综合孔径成像的基本原理,相关函数的计算量正比于天线数量的平方,这又大大地限制了系统的阵列规模。为了改善上述矛盾,简化综合孔径辐射计的运算过程,本文提出了基于延时相关的二维综合孔径微波辐射计的亮温成像算法,该算法的相关运算次数只与阵列基线对个数有关,不受阵列冗余的影响。本文介绍了该算法的基本原理,并给出在数字域实现亮温反演的过程,最后基于常规综合孔径系统实测数据给出实验结果。具体来说,本论文基于一维延时相关综合孔径成像原理,实现了二维延时相关系统亮温反演算法,推出满足二维系统能够进行延时相关的基本延时间隔条件;推出先获得阵列基线排布,再根据排布顺序进行自相关运算进而求得可见度函数的方法。最后,本文基于51GHz综合孔径微波辐射计的实测数据,开展了不同二维阵列时的亮温成像实验,对基于延时相关的二维综合孔径算法进行了验证和性能评估测试。由仿真结果可知,基于延时相关的二维综合孔径算法具有反演亮温图像的可行性,相比常规综合孔径系统,新算法有更少的自（互）相关运算次数,能够有效的降低系统处理通道数据的繁琐度,提高运算效率。

关键词：综合孔径延时间隔基线排布延时相关

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