提升傅里叶望远镜成像性能的关键技术研究

论文摘要

人造卫星数目的不断增加和其重要性的不断提高,使得我们需要对其类型进行识别,对其状态进行监控。目前,主流光电探测望远镜大部分是被动式的,分辨力与有效口径成反比,如果想实现高轨(≥36000km)目标的高分辨力成像(例如0.5m),则需要望远镜的有效口径约36m(@0.5μm)。如此大口径的被动式望远镜必将采用复杂的主动光学和自适应光学等先进技术以克服自重和大气湍流等因素的影响,其技术难度和造价将极具挑战性。因此我们需要探索新型成像技术,希望找到可实现对高轨道(同步轨道或静止轨道)目标成像的优势技术。傅里叶望远镜就是满足上述需求的新型成像技术中较有希望的一个。傅里叶望远镜具有主动成像、合成孔径、克服低阶大气湍流影响和低光学质量镜面接收等优点。上述优点使得傅里叶望远镜看似是一个对高轨道目标成像较为理想的光学系统,然而在深入研究分析后发现,它也具有若干局限性:(1)激光覆盖区域往往为成像区域的若干倍,如何确定成像视场的位置和大小,以及成像区域外其它目标的回波是否会造成感兴趣目标的成像模糊;(2)发射激光脉冲的光强起伏和非同步以及目标纵向深度引起的接收信号的非同步均可能会造成重构模糊;(3)传统三光束傅里叶望远镜的成像时间较长(约6~8小时),对姿态不稳定卫星(姿态快速变化)则难以成像,对同步轨道卫星(星下点轨迹为“8”字形)则需要加装复杂昂贵的跟瞄补偿系统后才能正常成像;(4)对高轨道(≥36000km)目标成像,需要单光束激光发射功率(能量)极高(美国GLINT计划中提到单光束能量为40J),同时又需要较好的相干性(相干长度>1m)以实现在目标表面形成干涉条纹,这种对高能和高相干性发射激光的需求使得相应激光器的研制十分困难。本文的研究工作则围绕上述问题展开,分别进行详细的分析和论证,并提出可行的解决方案。本文的主要工作包括以下内容:1)介绍了傅里叶望远镜的基本原理,利用波动光学和傅里叶光学理论,阐明傅里叶望远镜可以通过小口径望远镜的空间排布合成等效的大口径望远镜的理论依据;介绍了相位闭合技术的基本原理,对其补偿不同基线间的光学延迟和消除不同发射光束夹角引入的光程差的机理开展详细论述;介绍了回波信号的时间解调、频谱估计和图像重构算法,完成了整个成像系统的数学建模,为后续成像性能提升的分析和仿真奠定基础。2)介绍傅里叶望远镜关键技术研究基础,包括:室内实验、往返200m外场实验和往返600m外场实验。介绍对关键器件原理和使用性能的研究成果,主要包括对激光器、声光移频器和光学延迟线的研究,对上述器件的最终性能进行论证并通过实验验证其实际性能。3)根据不同应用需求,完成发射基线布局的相应优化。通过减少最短基线长度的方法增大成像视场并研究该方法对原视场外回波影响的抑制效果。通过将均匀基线布局变为非均匀基线布局的方法减少目标频谱获取数目以减少成像时间。4)本章包含两个相似却独立的研究内容。首先研究发射脉冲激光的光强起伏和非同步的影响。对脉冲激光的光强起伏和非同步引起成像质量下降的原因进行理论分析,并通过计算机仿真给出定量的影响结果,给出可能的抑制方案。然后研究目标纵深引起的回波信号非同步的影响。对回波信号非同步影响成像质量的机理进行深入分析,通过仿真给出定量结论,并给出可能的解决方案。5)从软件和硬件两方面入手研究提升傅里叶望远镜探测能力和抑制噪声的可行方法。软件研究采用三种软件去噪方法(中值滤波、维纳滤波和压缩感知去噪),比较三者对成像质量的提高效果;硬件研究则通过文献调研初步比较了极窄带滤光片和电子极窄带滤波器以及探测器低温制冷等硬件方法提升成像效果的优劣。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究进展
•     1.2.2 国内研究进展
•   1.3 论文主要内容
• 第2章 傅里叶望远镜的成像原理与关键技术
•   2.1 基本原理
•   2.2 成像原理的数学模型
•     2.2.1 回波信号
•     2.2.2 信号解调
•     2.2.3 相位闭合
•     2.2.4 目标空间频谱估计
•     2.2.5 发射基线布局
•     2.2.6 图像质量评价
•   2.3 关键技术
•     2.3.1 已有关键技术的梳理
•     2.3.2 本文研究的关键技术
•   2.4 本章小结
• 第3章 傅里叶望远镜关键技术研究基础
•   3.1 室内实验研究
•     3.1.1 实验目的
•     3.1.2 实验方案
•     3.1.3 实验系统
•     3.1.4 实验研究
•   3.2 下行链路距离200米的外场实验
•     3.2.1 实验目的
•     3.2.2 实验方案
•     3.2.3 实验系统
•     3.2.4 实验研究
•   3.3 往返距离600米的外场实验
•     3.3.1 实验目的
•     3.3.2 实验方案
•     3.3.3 实验系统
•     3.3.4 实验研究
•   3.4 关键器件工作原理及使用性能介绍
•     3.4.1 激光器
•     3.4.2 声光移频器
•     3.4.3 光学延迟线
•   3.5 本章小结
• 第4章 发射基线布局的优化
•   4.1 优化短基线
•     4.1.1 观察视场与成像视场
•     4.1.2 引起重构混叠的几种情况的介绍及应对策略
•     4.1.3 视场外回波的影响
•     4.1.4 减少短基线长度
•   4.2 优化基线非均匀布局
•     4.2.1 基于压缩感知的傅里叶望远镜
•     4.2.2 低频全采样方法
•     4.2.3 随机变密度采样方法
•     4.2.4 三种降采样方法与传统傅里叶望远镜的比较
•     4.2.5 成像时间分析
•   4.3 本章小结
• 第5章 脉冲激光照明和回波非同步的影响及抑制
•   5.1 脉冲激光引起的干涉条纹场的自调制对成像结果的影响
•     5.1.1 脉冲激光引起干涉条纹场自调制的分析
•     5.1.2 自调制对傅里叶望远镜成像的影响
•     5.1.3 脉冲同步和非同步对成像结果影响的仿真分析
•     5.1.4 讨论与建议
•   5.2 目标纵深引起的回波时间差对成像的影响
•     5.2.1 目标纵深引起回波时间差的原因
•     5.2.2 回波时间差对成像质量的影响
•     5.2.3 分析与讨论
•   5.3 本章小结
• 第6章 接收回波信号的噪声抑制
•   6.1 软件去噪技术
•     6.1.1 中值滤波
•     6.1.2 维纳滤波
•     6.1.3 压缩感知去噪
•     6.1.4 三种软件去噪方法的比较
•   6.2 硬件去噪技术
•     6.2.1 提高整个成像系统的光学透过率
•     6.2.2 采用弱光灵敏的低噪声能量探测器
•     6.2.3 采用极窄带滤光片和极窄带电子带通滤波器
•   6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 主要完成工作
•   7.2 论文创新工作
•   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: 董磊

导师: 卢振武

关键词: 傅里叶望远镜,降采样,成像视场,成像时间,探测能力

来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 天文学,仪器仪表工业

单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

分类号: TH751

总页数: 132

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