高分辨率紧凑被动相干成像技术研究

论文摘要

高分辨率紧凑被动相干成像技术是一种基于光学干涉原理和光子集成电路的新型成像技术。其采用基于光子集成电路的紧凑排布干涉阵列来代替传统的胶片、CCD或CMOS等探测手段,突破体积、重量和功耗等限制条件,获得更高的图像分辨率成像;或者在相同图像分辨率成像条件下,让探测器的体积、重量和功耗减少到原来的1/101/100。在空间成本居高不下、传统成像体制逼近极限的大背景下,高分辨率紧凑被动相干成像技术的研究可以为未来提供高分辨率、小体积、轻质量和低功耗的新选择,不仅在军事空间成像机理方面有重要的科学价值,同时作为新一代成像技术,可以广泛推广到空间探测、侦查等众多领域,具有重要的应用价值。高分辨率紧凑被动相干成像技术应用前景广阔,但是仍处于研究初级阶段,目前还存在诸多理论和工程应用问题。主要有以下几个方面:（1）系统的透镜阵列的排布方式决定着空间频率采样的数量和恢复图像的质量,当前对于透镜阵列的排布设计研究不足导致空间频率覆盖不足;（2）光子集成电路是整个系统的关键部分,但是目前的光子集成电路的尺寸、光路设计等还无法满足系统的高质量成像需求。成像应用带来的复杂且数量巨大的光路给大尺寸光子集成电路的设计带来了极大的挑战;（3）高分辨率紧凑被动相干成像技术直接得到的是包含目标不完备的空间频率的振幅和相位信息的复测量值,因此图像重建问题是一个病态逆问题。如何结合系统的特征,精确重建图像也是一大挑战。本论文对高分辨率紧凑被动相干成像技术进行了整体介绍及重点问题的研究,从基本原理介绍和模型入手,到各个主要问题的深入分析和讨论。主要研究工作总结如下:1.本文从基本相干成像原理出发,阐述了高分辨率紧凑被动相干成像技术的整体光学过程,并对系统的成像过程以及耦合效率、系统视场、系统分辨率以及接收光能量等性能参数进行了研究,分析了被动相干成像技术的优势和劣势。建立了仿真分析模型。2.针对透镜阵列的不同排布方式对空间频率采样的影响,进行了单个干涉臂上几种透镜的基线组成方式以及对应的透镜阵列性能的比较和讨论。提出了一种基于压缩感知的光子集成电路设计的透镜排布方式（CS-CPCIT）及其优化方案（CS-CPCIT+）,将2N个透镜可组成的不同基线数目由N条分别增加为2N-1条和N×N条,其中CS-CPCIT+可组成的最长基线长度增加为N/2倍。仿真结果表明,当SPIDER在波长范围12231568nm,使用24个透镜组成12条基线、最长基线为20.88mm、角分辨率为0.74mrad时,CS-CPCIT+可组成基线数为144条,最长基线可达103.68mm,角分辨率为0.12mrad。3.基于分时采样思想,提出了一种超大口径旋转式相干成像系统设计方案,通过单轴旋转、固定子孔径+旋转轴式和多旋转轴等方式,可以使用少量子孔径得到等效超大口径和较为完备的空间频率覆盖。在固定子孔径+旋转式设计中,使用一个旋转轴和7个半径为0.25m的固定子孔径,在波长范围500900nm时,可实现20m等效口径、259)(6(9的角分辨率。在旋转轴旋转45次的情况下,重建图像的PSNR为26.45dB。4.针对光子集成电路需排布复杂且数目巨大的光路的问题,提出了一种基于压缩感知的光子集成电路优化排布设计及其优化方案,将2N个透镜所需的N套传输、干涉和测量设备减为只需要1套,在简化光子集成电路设计的同时,实现空间频率采样数目分别提高2倍和N倍。在仿真中,波长为700nm,当SPIDER使用72个透镜组成36条基线、最长基线为0.36m、角分辨率为1.9(6(9时,CS-CPCIT+可组成基线数为1296条,最长基线可达6.48m,角分辨率为0.11(6(9。5.针对系统的图像重建问题是病态逆问题,本文结合天文综合孔径图像重建理论,整理提出了图像重构理论框架,并在此理论框架下给出了多种图像重建算法的仿真验证。对USAF图像使用等式约束的各范数进行图像重建,相比于直接IFFT的PSNR=16.58dB,TV范数、1范数和0范数的PSNR分别提升了31%、16%和6%。验证了0范数、1范数和TV范数对重建图像的提升效果为:TV范数>1范数>0范数。当干涉臂数目为37条,单条干涉臂上采样数由6个增加到144个时,使用IFFT的PSNR由9.93dB增加到16.81dB;而当单条干涉臂上采样数为72个,干涉臂数目由7条增加到111条时,使用IFFT的PSNR由11.33dB增加到28.16dB。通过对不同干涉臂数目和单条干涉臂上采样数目的研究,验证了通过增加干涉臂数目来增加采样数比通过增加单条干涉臂上的采样数的图像质量效果更好。6.开展了光学相干检测原理性验证实验。采用光纤器件代替光子集成电路中的各个光学器件,并使用光纤进行连接,组成一条相干基线。通过对基线对应的空间频率信息进行采样,验证了被动相干理论的可行性,并对实验结果和影响因素进行了分析和讨论。本论文通过上述关键研究内容,阐述了高分辨率紧凑被动相干成像技术的整体结构和重点问题的解决思路,为该技术实用化研究提供了理论和技术支撑,也为新型大口径、高分辨率成像技术的发展提供了新思路。

论文目录

摘要

abstract

英文缩略词说明

第1章引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 综合孔径技术介绍

1.2.2 被动相干成像国外研究现状

1.2.3 被动相干成像国内研究现状

1.2.4 发展趋势和主要问题

1.3 本文主要研究内容及论文章节安排

1.3.1 本文主要研究内容

1.3.2 论文章节安排

第2章高分辨率紧凑被动相干成像技术理论基础

2.1 基本成像原理

2.1.1 双光束干涉

2.1.2 范西特-泽尼克定理

2.1.3 迈克尔逊型光纤干涉仪

2.2 被动相干成像系统整体光学过程和成像过程

2.2.1 整体光学过程

2.2.2 成像过程和评价指标

2.3 系统性能参数

2.3.1 耦合效率

2.3.2 波导视场和系统视场

2.3.3 片上干涉过程

2.3.4 系统分辨率和空间频率覆盖

2.3.5 能量传输过程

2.3.6 系统信噪比

2.4 被动相干成像技术优劣势分析

2.4.1 性能参数与系统结构参数的关系

2.4.2 被动相干成像技术与传统单孔径成像技术的比较

2.5 系统理论框架

2.6 本章小结

第3章新型透镜排布方式研究

3.1 透镜排布和基线组成

3.1.1 基线组成方式

3.1.2 透镜排布原则

3.2 透镜阵列整体设计

3.2.1 笛卡尔坐标采样

3.2.2 极坐标采样

3.2.3 极坐标排布的优劣

3.3 不同透镜排布方式

3.3.1 直接排布及仿真结果

3.3.2 优化排布及仿真结果

3.3.3 可移动基线排布及仿真结果

3.4 优化排布组合的寻找算法

3.4.1 回溯法

3.4.2 实验结果

3.5 基于压缩感知的排布方式及仿真结果

3.5.1 CS-CPCIT透镜排布

3.5.2 CS-CPCIT+透镜排布

3.6 透镜各种排布方式比较

3.7 超大口径旋转式系统设计

3.7.1 单轴旋转式设计

3.7.2 固定+旋转式设计

3.7.3 影响因素研究

3.7.4 减少子孔径数目设计

3.8 本章小结

第4章光子集成电路布局设计和优化

4.1 光子集成电路的材料选择

4.2 SPIDER的 PIC设计

4.2.1 第一代PIC

4.2.2 第二代PIC

4.3 基于压缩感知的光子集成电路优化设计

4.3.1 压缩感知简介

4.3.2 CS-CPCIT的基本原理

4.3.3 实验仿真

4.4 CS-CPCIT升级设计

4.4.1 测量矩阵不相等

4.4.2 透镜阵列优化

4.4.3 实验仿真

4.5 各种PIC布局设计比较

4.6 本章小结

第5章图像重构理论模型和方法研究

5.1 问题描述

5.1.1 贝叶斯推理

5.1.2 似然概率选择

5.1.3 高斯噪声和线性模型

5.2 正则项

5.2.1 常用的正则项

5.2.2 正则项的选择

5.3 优化策略

5.4 理论模型总结

5.5 图像重建实验

5.5.1 实验准备

5.5.2 实验结果和讨论

5.6 本章小结

第6章光学相干检测原理性验证实验

6.1 光学相干检测原理验证方法

6.1.1 实验仪器

6.1.2 实验装置

6.2 实验结果

6.3 讨论

6.3.1 实验设计意义

6.3.2 对简单目标进行采样的实验讨论

6.3.3 误差分析

6.4 本章小结

第7章总结与展望

7.1 论文的主要创新点

7.2 论文的其它研究内容

7.3 未来工作展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘罡

导师: 汶德胜,宋宗玺

关键词: 透镜阵列,光子集成电路,图像重建,高分辨率,新型成像技术

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TP391.41;TN491;O436.1

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000091

总页数: 175

文件大小: 10815K

下载量: 77

高分辨率紧凑被动相干成像技术研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢