光学稀疏孔径成像系统原理与位相误差研究

论文摘要

光的衍射效应限制了光学成像系统的分辨能力,要获取高分辨率的天文和对地观测图像,系统的口径就要不断增大。然而制造工艺、成本和体积重量等的限制,给高分辨率成像系统的研制和应用带来极大的困难。因此,人们开始寻求新的途径来突破望远镜口径对成像分辨率的限制。由多个小口径成像系统组合而成的光学稀疏孔径成像系统是实现高分辨率成像的一种新方法,是当前高分辨率成像领域的研究热点之一。本文针对稀疏孔径成像技术进行了理论研究和实验探索。首先,介绍光学稀疏孔径成像技术的背景和国内外研究现状,介绍与之相关的干涉重构成像方法,比较各自的特点,提出本课题的研究内容。其次,建立光学稀疏孔径系统的衍射受限非相干成像模型,阐明稀疏孔径系统的成像原理,给出其点扩散函数和调制传递函数公式,介绍其典型结构形式和特征指标。稀疏孔径成像系统的调制传递函数与子孔径的排列有关,并且在获得高截止频率的同时,降低了系统的中频性能。对环形、三臂和Golav三种典型结构,计算最大和最小填充因子,分析比较不同阵列结构、不同填充因子时的实际截止频率、等效口径等特征指标,对系统模拟成像,使用不同的方法对像质进行评价。接着,研究子孔径位相误差对成像性能的影响。提出系统成像性能恶化的评估方法。对有位相误差的典型稀疏孔径阵列进行误差分析和模拟成像。在理论研究的基础上,进行光学实验,再次对稀疏孔径成像系统的特性进行验证。最后,总结本论文的研究内容,指出将来可以开展的工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 光学合成孔径成像方法介绍
• 1.2.1 长基线干涉重构成像方法
• 1.2.2 光学稀疏孔径直接成像方法
• 1.2.3 两种方法的比较
• 1.3 国内外发展现状介绍
• 1.3.1 国外发展现状
• 1.3.2 国内发展现状
• 1.4 本课题的研究内容
• 第2章 光学稀疏孔径成像系统
• 2.1 成像原理
• 2.1.1 单孔径系统
• 2.1.2 双孔径系统
• 2.1.3 多孔径系统
• 2.2 PSF和MTF
• 2.3 稀疏孔径系统的特征指标
• 2.4 模拟成像
• 2.5 本章小结
• 第3章 典型稀疏孔径阵列与模拟成像
• 3.1 典型阵列结构
• 3.1.1 环形结构
• 3.1.2 三臂结构
• 3.1.3 Golay结构
• 3.1.4 三种结构的比较
• 3.2 模拟成像
• 3.2.1 像质评价方法
• 3.2.2 模拟成像结果
• 3.2.3 像质评价
• 3.3 本章小结
• 第4章 相位误差研究
• 4.1 相位误差影响
• 4.2 模拟成像
• 4.2.1 环形结构
• 4.2.2 三臂结构
• 4.2.3 Golay结构
• 4.2.4 结论
• 4.3 本章小结
• 第5章 稀疏孔径光学系统验证实验
• 5.1 实验装置
• 5.2 理论分析
• 5.2.1 无位相差情况
• 5.2.2 有位相差情况
• 5.3 实验结果与比较
• 5.3.1 成像分辨率
• 5.3.2 位相差影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考资料
• 硕士期间论文发表情况
• 致谢