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1、光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)簡(jiǎn)介機(jī)械電子工程201028013919088李鵬一.光學(xué)合成孔徑成像的研究意義高分辨率目標(biāo)成像對(duì)航天遙感和軍事應(yīng)用有著重要意義,根據(jù)波動(dòng)光學(xué)理論,傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)角分辨率為[1]：分辨率受波長(zhǎng)和光學(xué)系統(tǒng)口徑的限制。對(duì)于一定的工作波段,若要提高系統(tǒng)的角分辨率，則只能增大系統(tǒng)口徑。而在實(shí)際應(yīng)用中很多因素限制了系統(tǒng)孔徑的增大。高分辨率成像需要長(zhǎng)焦距、大口徑光學(xué)系統(tǒng)，但其成本高、材料制備困難、制造技術(shù)難度大，這些因素制約著大口徑光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展。于上世紀(jì)70年代提出的多孔徑成像技術(shù)為提高分辨率提供了新的方法。如何用小口徑系統(tǒng)來(lái)達(dá)到單個(gè)大望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)，就是多孔徑成像的目的。與傳統(tǒng)
2、的光學(xué)系統(tǒng)相比，多孔徑成像技術(shù)具有如下特征和優(yōu)點(diǎn)[2]：①降低了光學(xué)元件的加工制造難度；②光學(xué)元件體積小，重量輕，系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成為折疊式，有利于減小發(fā)射體積和重量，節(jié)約發(fā)射費(fèi)用；③系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組裝靈活多變，特別適用于各種空間光學(xué)系統(tǒng)。為了提高成像系統(tǒng)的分辨率，光學(xué)多孔徑成像技術(shù)從無(wú)到有，逐步發(fā)展壯大，可以肯定地說(shuō)，隨著技術(shù)的發(fā)展，多孔徑成像技術(shù)將被應(yīng)用到更多的成像領(lǐng)域。二.光學(xué)合成孔徑成像原理1.光學(xué)成像原理分類(lèi)[3]光學(xué)成像原理可分為三大類(lèi)，一類(lèi)是幾何光學(xué)、像差理論成像原理，通常的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)按此理論基礎(chǔ)進(jìn)行的；一類(lèi)是衍射成像原理，它以波動(dòng)光學(xué)的衍射理論為基礎(chǔ)，結(jié)合通信理論中線性系統(tǒng)的方法，把
3、成像系統(tǒng)視為空不變的線性系統(tǒng)，成像系統(tǒng)的特性用相干傳遞函數(shù)(相干照明)或光學(xué)傳遞函數(shù)(非相干照明)來(lái)描述，衍射成像原理在像質(zhì)定量評(píng)價(jià)和成像系統(tǒng)分辨率的研究以及實(shí)現(xiàn)高分辨率成像等方面起了重要的作用；另一類(lèi)成像理論是干涉成像原理，它認(rèn)為成像過(guò)程本質(zhì)上是干涉過(guò)程，像面上任何一點(diǎn)的光擾動(dòng)必然是出瞳上各點(diǎn)光擾動(dòng)貢獻(xiàn)的疊加，干涉成像原理以光場(chǎng)的部分相干性為基點(diǎn)。這是實(shí)踐中普遍存在的光場(chǎng)，部分相干性的成像特性有著不可忽視的影響。因此，衍射成像原理中被截然分開(kāi)的相干成像和非相干成像就作為兩個(gè)極限情形被包括在干涉成像原理之中，因此干涉成像原理更有普遍性。2.光學(xué)綜合孔徑成像原理[4]圖1中分別為物、出瞳和像平面
4、，由范西特一澤尼克定理,光強(qiáng)分布為的非相干源在距離處的平面上(如出瞳)任意的點(diǎn)處形成的復(fù)相干因子。設(shè)可得到范西特一澤尼克定理的最后形式為：式中位相因子由下式給出：當(dāng)滿足條件時(shí)，可忽略由此可看出，復(fù)相干因子等于光源強(qiáng)度函數(shù)的歸一化傅立葉變換。由楊氏干涉實(shí)驗(yàn)知，在出瞳內(nèi)矢量間距的一對(duì)針孔在距離z處的像面上形成的條紋和強(qiáng)度分布為：，干因子。在大多數(shù)涉及到非相干源的實(shí)際應(yīng)用中，有良好的近似，因此就是楊氏實(shí)驗(yàn)條紋的可見(jiàn)度，條紋的空間頻率為：，以單孔徑望遠(yuǎn)鏡的出瞳來(lái)說(shuō)，可把它看成大量“針孔”的集合，單孔徑望遠(yuǎn)鏡所成的像，可看成出瞳面內(nèi)的所有可能的“針孔對(duì)”在像面上產(chǎn)生的大量正弦條紋的疊加。像強(qiáng)度頻譜中空間
5、頻率的頻率分量必定是在出瞳上，至少有一對(duì)矢量間距為的“針孔對(duì)”所產(chǎn)生。因此像的空間頻率與出瞳面內(nèi)的“針孔對(duì)”間距建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是光干涉成像的原理。目標(biāo)經(jīng)過(guò)出瞳面上一定大小的子孔徑，在像面上形成含有目標(biāo)傅立葉相位和振幅的干涉條紋。從干涉條紋中提取出其相位和振幅對(duì)其作傅立葉逆變換，就可得到目標(biāo)的像，即像重構(gòu)。3.對(duì)光學(xué)綜合孔徑成像的像重構(gòu)的原理圖2中示出了從觀測(cè)目標(biāo)經(jīng)綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡干涉陣，得到所有基線合成的干涉條紋，對(duì)干涉條紋處理后得到頻域中的部分點(diǎn)。若該望遠(yuǎn)鏡陣(圖中畫(huà)出了四個(gè)圓圈表示四個(gè)望遠(yuǎn)鏡)一次測(cè)量不能滿足覆蓋，則通過(guò)增加孔徑數(shù)目或旋轉(zhuǎn)孔徑陣的辦法以滿足覆蓋(圖示的是孔徑旋轉(zhuǎn)的辦法)
6、，當(dāng)觀測(cè)到的點(diǎn)滿足對(duì)目標(biāo)信息頻域的采樣或滿足重構(gòu)圖像要求后，采用適當(dāng)?shù)乃惴▉?lái)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的像重構(gòu)，得到觀測(cè)目標(biāo)的像。圖示中的星星為觀測(cè)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)光學(xué)綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡陣成像系統(tǒng)，得到重構(gòu)出的像。三.光學(xué)合成孔徑成像關(guān)鍵技術(shù)相位同步技術(shù)、U-V覆蓋技術(shù)和圖像恢復(fù)技術(shù)是多孔徑成像三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[5]。來(lái)自不同子孔徑的光束必須滿足干涉條件才能達(dá)到提高分辨率的目的，否則與單個(gè)子孔徑成像相比，只能增加通光量，并不能提高分辨率。相位同步技術(shù)就是去除或減少大氣擾動(dòng)、系統(tǒng)誤差等因素的影響，保證來(lái)自不同子孔徑的光束滿足干涉條件?？臻g頻率的缺失會(huì)造成像的失真，U-V覆蓋技術(shù)[6]是為了獲得目標(biāo)足夠多的空間頻率信息。多孔徑
7、所獲得像是干涉條紋或模糊的目標(biāo)像，需要進(jìn)行圖像處理才能得到清晰的目標(biāo)像，所以圖像恢復(fù)技術(shù)也是多孔徑成像的關(guān)鍵技術(shù)之一。1.相位同步技術(shù)當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)存在像差或處于非均勻介質(zhì)時(shí)，有相同頻率的條紋卻有不同的相位，疊加后降低了條紋的反襯度，從而降低了振幅的測(cè)量精度。特別是由于大氣折射率的空間和時(shí)間的隨機(jī)起伏，使天文望遠(yuǎn)鏡的出瞳內(nèi)矢量間距相同但位置不同的條紋位相起伏嚴(yán)重，其后果是冗余度越大的出瞳子孔徑對(duì)形成的
