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1、光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)簡介機械電子工程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)成像對航天遙感和軍事應(yīng)用有著重要意義,根據(jù)波動光學(xué)理論,傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)角分辨率為[1]：分辨率受波長和光學(xué)系統(tǒng)口徑的限制。對于一定的工作波段,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
2、。如何用小口徑系統(tǒng)來達到單個大望遠鏡的分辨本領(lǐng)，就是多孔徑成像的目的。與傳統(tǒng)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[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)射費用；③系統(tǒng)設(shè)計和組裝靈活多變，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)從無到有，逐步發(fā)展壯大，可以肯定地說，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[3]光學(xué)成像原理可分為三大類，一
3、類是幾何光學(xué)、像差理論成像原理，通常的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計按此理論基礎(chǔ)進行的；一類是衍射成像原理，它以波動光學(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)來描述，衍射成像原理在像質(zhì)定量評價和成像系統(tǒng)分辨率的研究以及實現(xiàn)高分辨率成像等方面起了重要的作用；另一類成像理論是干涉成像原理，它認為成像過程本質(zhì)上是干涉過程，像面上任何一點的光擾動必然是出瞳上各點光擾動貢獻的疊加，干涉成像原理以光場的部分相干性為基點。這是實踐中普遍存在的
4、光場，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的相干成像和非相干成像就作為兩個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，由范西特一澤尼克定理,光強分布為的非相干源在距離處的平面上(如出瞳)任意的點處形成的復(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，可忽略由此可看出，復(fù)相干因子等于光源強度函數(shù)的歸一化傅立葉變換。由楊氏干涉實驗知，在出瞳內(nèi)矢量間距的一對針孔在距離z處的
5、像面上形成的條紋和強度分布為：，干因子。在大多數(shù)涉及到非相干源的實際應(yīng)用中，有良好的近似，因此就是楊氏實驗條紋的可見度，條紋的空間頻率為：，以單孔徑望遠鏡的出瞳來說，可把它看成大量“針孔”的集合，單孔徑望遠鏡所成的像，可看成出瞳面內(nèi)的所有可能的“針孔對”在像面上產(chǎn)生的大量正弦條紋的疊加。像強度頻譜中空間頻率的頻率分量必定是在出瞳上，至少有一對矢量間距為的“針孔對”所產(chǎn)生。因此像的空間頻率與出瞳面內(nèi)的“針孔對”間距建立了對應(yīng)關(guān)系，這就是光干涉成像的原理。目標(biāo)經(jīng)過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
6、幅的干涉條紋。從干涉條紋中提取出其相位和振幅對其作傅立葉逆變換，就可得到目標(biāo)的像，即像重構(gòu)。3.對光學(xué)綜合孔徑成像的像重構(gòu)的原理圖2中示出了從觀測目標(biāo)經(jīng)綜合孔徑望遠鏡干涉陣，得到所有基線合成的干涉條紋，對干涉條紋處理后得到頻域中的部分點。若該望遠鏡陣(圖中畫出了四個圓圈表示四個望遠鏡)一次測量不能滿足覆蓋，則通過增加孔徑數(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)，當(dāng)觀測到的點滿足對目標(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▉韺τ^測目標(biāo)的像重構(gòu)，得到觀測目標(biāo)的像。圖示中的星星為觀測目標(biāo)，經(jīng)過光
7、學(xué)綜合孔徑望遠鏡陣成像系統(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)是多孔徑成像三個關(guān)鍵技術(shù)[5]。來自不同子孔徑的光束必須滿足干涉條件才能達到提高分辨率的目的，否則與單個子孔徑成像相比，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、系統(tǒng)誤差等因素的影響，保證來自不同子孔徑的光束滿足干涉條件?？臻g頻率的缺失會造成像的失真，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。多孔徑所獲得像是干涉條紋或模糊的目標(biāo)像，需要進行圖像處理才能得到清晰的目標(biāo)
8、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，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量精度。特別是由于大氣折射率的空間和時間的隨機起伏，使天文望遠鏡的出瞳內(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形成的
