CN113534436B - 基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统及其相位校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高分辨率光学成像技术领域，具体涉及一种基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统及其相位校正方法。可用于提高系统的成像分辨能力，并有效减少共相误差对成像系统的影响。本发明由合束光学系统以及图像采集系统组成，经过平行光管的反射光波经子孔径阵列后，通过相位校正系统完成倾斜误差和平移误差的校正，对每个子孔径进行相位闭环校正，实现七路成像光波共相位，最后成像光波经过光束合束系统以及图像采集系统实现高分辨率成像。本发明结构简单紧凑且能有效实现相位误差的校正功能，环境适应性强，在准确性和实时性方面相较同类系统有所改善。

Description

基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统及其相位校正方法
技术领域
本发明涉及高分辨率光学成像技术领域，具体涉及一种基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统及其相位校正方法。
背景技术
大型光学望远镜是进行远距离目标探测的重要工具之一，被广泛应用于气象预报、地球资源、环境检测、天文观测、军事对地侦察和空间态势感知等诸多领域，但光学系统的极限角分辨率受制于光波波长和光学系统的孔径，望远镜最小空间可分辨角与系统孔径直径呈反比。随着对光学系统分辨能力要求不断提高，这就要求对于在一定波段下工作的光学系统，不断加大其系统孔径。但实际应用中由于种种因素的限制(例如制造材料、制造技术、机械结构、发射体积和重量等等)，使得单孔径系统孔径的增加变得极为困难。光学合成孔径成像技术为提高成像系统分辨率提供了新的方法。
合成孔径成像技术是指用被精确定位的子孔径阵列代替传统的单孔径系统的主镜达到增大系统口径的目的。不同于传统单孔径光学望远镜口径增大所受到的各种限制，合成孔径光学系统成像技术能够促使光学系统口径呈跨越式发展，不但能实现高分辨率成像，而且可以降低主镜的加工难度，特别是对空基望远镜而言，可以减轻载荷体积和重量，降低发射费用。
对于所有光学合成孔径成像望远镜而言，最重要的问题是实现所有子孔径的共相位，由于子孔径的装配问题、观测时受到的重力方向变化、风载震动、大气平移误差等因素的影响会产生和波长相当的误差，因此能够实现实时的将相位误差校正是达到光学合成孔径成像望远镜观测目标的关键过程。
现有的相位校正方法通常先采用探测技术诸如相位差法、夏克-哈德曼法等来对合成孔径成像系统的像差进行探测，再进行校正，而其中需要利用如哈德曼传感器、分光镜、光栅等额外的光学元件，这势必会增加整个光学系统的复杂度和成本，且会引入另外的机械误差和其他的系统像差，影响探测的精度和准确度，增加各个子孔径共相位的难度。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决针对现有共相位问题存在的不足和缺陷，提供一种基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统及其相位校正方法。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统，由望远镜子系统、相位校正系统、合束光学系统以及图像采集系统组成；
所述的望远镜子系统由若干个卡塞格林望远子系统组成稀疏孔径子孔径阵列；
所述的相位校正系统包括若干个快速反射镜和若干个快速反射镜；
所述的合束光学系统包括若干个切角反射镜、主镜和圆形反射镜，快速反射镜、快速反射镜和切角反射镜与卡塞格林望远子系统个数相同；
所述的图像采集系统包括CCD相机和计算机；
所述的快速反射镜、快速反射镜和切角反射镜依次设置于每一路卡塞格林望远子系统的出射光路上，用于反射子系统的成像光波同时调节稀疏合成孔径的相位误差；
所述的若干个切角反射镜的出射光路依次穿设主镜、圆形反射镜、CCD相机和计算机；
所述的计算机分别与CCD相机和相位校正系统电性连接。
进一步，卡塞格林望远子系统设置有7个。
进一步，快速反射镜和快速反射镜之后分别设置有一维和二维偏转的压电陶瓷位移平台。
一种基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统的相位校正方法步骤为：
1)经过目标反射的光波经稀疏孔径子孔径阵列成像后，快速反射镜和快速反射镜将成像光波反射后，通过切角反射镜、主镜和圆形反射镜，最终成像于CCD相机上，对最终成像结果通过计算机进行采集；
2)根据CCD相机采集的图像信息，利用已经已知的图像清晰度评价函数对图像进行处理，若评价函数没有达到最佳，采用盲优化算法继续进行全局控制，每次迭代生成新的控制器的电压，编程可控制快速反射镜和快速反射镜之后的压电陶瓷位移平台，校正每一个子孔径的倾斜误差和平移误差，实现每一路光束的共相位，即可在CCD相机上直接得到高分辨率的成像图像。
进一步，盲优化算法的迭代终点取决于对稀疏合成孔径成像系统采集的图像的清晰度评价指标是否达到最优，当指标不是最优时，继续迭代控制器电压，当指标达到最优时，停止迭代，此时七孔合成孔径系统实现共相位,获得高分辨率图像。
进一步，盲优化算法为模拟退火(SA)算法、随机并行梯度下降(SPGD)算法、爬山法、遗传算法中的一种。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)、本发明系统相比于其他稀疏合成孔径成像系统，使用相位校正系统使得整个系统结构更加简单、紧凑，减少了系统的体积和质量，保证了光程可调控范围；
2)、本发明相位校正方法可以实现高精度的相位校正，采用快反射镜实现共相误差的校正，一维和二维偏转的压电陶瓷位移平台都是编程可控，可以实现稀疏合成孔径成像系统的快速共相闭环试验；
3)、本发明相位校正方法相比于传统稀疏孔径合成系统的校正方法，不需要额外的光学器件辅助，不会引入更多的机械误差或其他的系统像差。通过对远场图像进行指标评价来控制相位校正系统，校正每一路的共相误差，没有引入系统像差且不需要额外的光学元件，具有更高的相位校正精度；
4)、本发明相位校正方法不仅适用于相控望远镜阵列的共相误差校正，还适用于拼接子镜系统的共相误差校正；
5)、本发明相位校正方法既适用于点光源的高分辨率成像，也适用于扩展目标的高分辨率成像。
附图说明：
图1是本发明提出的基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统的结构示意图；其中，其中：(a)为系统结构侧视图，(b)为单独一路子孔径的系统结构图；
图2是本发明中七孔径望远镜阵列系统平面图；
图3是本发明中相位校正方法的原理框图；
图4是单孔径成像系统的成像结果和使用相位校正后的七孔径稀疏合成孔径的成像结果，其中，(a)单孔径系统的成像图,(b)为七孔径稀疏合成系统的成像图；
标记说明：1、卡塞格林望远子系统；2、卡快速反射镜；3、快速反射镜；4、切角反射镜；5、主镜；6、圆形反射镜；7、CCD相机；8、计算机；
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明系统由七路子孔径相控望远镜阵列实现合成成像，其成像原理为斐索干涉原理，可直接实现目标的高分辨成像。
本发明一种基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统，如图1所示，由望远镜子系统、相位校正系统、合束光学系统以及图像采集系统组成；望远镜子系统由七个卡塞格林望远子系统1组成稀疏孔径子孔径阵列，快速反射镜2和快速反射镜3组成相位校正系统，切角反射镜4、主镜5和圆形反射镜6组成光束合束系统，CCD相机7和计算机8组成图像采集系统。
所述的稀疏孔径子孔径阵列由七路子孔径卡塞格林望远子系统组成阵列实现合成成像，其成像原理为斐索干涉原理，可直接实现目标的高分辨成像，如图2所示。
上述快速反射镜2、快速反射镜3和切角反射镜4依次设置于每一路卡塞格林望远子系统1的出射光路上，用于反射子系统的成像光波同时调节稀疏合成孔径的相位误差；
上述若干个切角反射镜4的出射光路依次穿设主镜5、圆形反射镜6、CCD相机7和计算机8；
所述的快速反射镜2处安装两块快速反射镜，其后安装一维压电陶瓷位移平台，快速反射镜3后安装二维偏转的压电陶瓷位移平台，成像光束经过快速反射镜2和快速反射镜3进行反射，编程可控的调节每一路的一维和二维偏转的压电陶瓷位移平台使得每个子孔径的成像光束实现共相位。
计算机8一方面控制成像探测系统，负责图像的采集以并对采集到的图像进行实时处理，另一方面控制相位校正系统，每次输出新的电压控制压电陶瓷位移平台，实现共相误差快速校正。
下面以七孔径成像系统为例介绍具体的工作过程，图2为一个七孔径成像系统的阵列平面图，一种基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统的相位校正方法，如图3所示，步骤方法为：
1)经过目标反射的光波经稀疏孔径子孔径阵列成像后，快速反射镜2和快速反射镜3将成像光波反射后，通过切角反射镜4、主镜5和圆形反射镜6，最终成像于CCD相机7上，对最终成像结果通过计算机8进行采集；
2)根据CCD相机7采集的图像信息，利用已经已知的图像清晰度评价函数，对计算机采集的稀疏合成孔径成像结果进行处理，若评价函数没有达到最佳，采用盲优化算法继续进行全局控制，每次迭代生成新的控制器的电压，编程可控制快速反射镜2和快速反射镜3之后的压电陶瓷位移平台，校正每一个子孔径的倾斜误差和平移误差，实现每一路光束的共相位，即可在CCD相机7上直接得到高分辨率的成像图像。
所述的盲优化算法的迭代终点取决于对稀疏合成孔径成像系统采集的图像的清晰度评价指标是否达到最优，当指标不是最优时，继续迭代控制器电压，当指标达到最优时，停止迭代，此时七孔合成孔径系统实现共相位,获得高分辨率图像。
所述的盲优化算法为模拟退火(SA)算法、随机并行梯度下降(SPGD)算法、爬山法、遗传算法中的一种。
在对七孔径稀疏孔径成像系统进行相位校正之后，成像系统已经可以清晰成像，分辨率相比单孔径成像系统得到很大的提升，图像的高频细节基本可分辨，单孔径成像系统和经过相位校正的七孔径稀疏孔径成像系统的仿真结果如图4所示。
以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统的相位校正方法，其特征在于：方法步骤为：
1）经过目标反射的光波经稀疏孔径子孔径阵列成像后，第一快速反射镜（2）和第二快速反射镜（3）将成像光波反射后，通过切角反射镜（4）、主镜（5）和圆形反射镜（6），最终成像于CCD相机（7）上，对最终成像结果通过计算机（8）进行采集；
2）根据CCD相机（7）采集的图像信息，利用已经已知的图像清晰度评价函数对图像进行处理，若评价函数没有达到最佳，采用盲优化算法继续进行全局控制，每次迭代生成新的控制器的电压，编程可控制第一快速反射镜（2）和第二快速反射镜（3）之后的压电陶瓷位移平台，校正每一个子孔径的倾斜误差和平移误差，实现每一路光束的共相位，即可在CCD相机（7）上直接得到高分辨率的成像图像；
所述的盲优化算法的迭代终点取决于对稀疏合成孔径成像系统采集的图像的清晰度评价指标是否达到最优，当指标不是最优时，继续迭代控制器电压，当指标达到最优时，停止迭代，此时七孔合成孔径系统实现共相位,获得高分辨率图像；
所述方法采用的系统由望远镜子系统、相位校正系统、合束光学系统以及图像采集系统组成；
所述的望远镜子系统由若干个卡塞格林望远子系统（1）组成稀疏孔径子孔径阵列；
所述的相位校正系统包括若干个第一快速反射镜（2）和第二若干个快速反射镜（3）；
所述的合束光学系统包括若干个切角反射镜（4）、主镜（5）和圆形反射镜（6），第一快速反射镜（2）、第二快速反射镜（3）和切角反射镜（4）与卡塞格林望远子系统（1）个数相同；
所述的图像采集系统包括CCD相机（7）和计算机（8）；
所述的第一快速反射镜（2）、第二快速反射镜（3）和切角反射镜（4）依次设置于每一路卡塞格林望远子系统（1）的出射光路上，用于反射子系统的成像光波同时调节稀疏合成孔径的相位误差；
所述的若干个切角反射镜（4）的出射光路依次穿设主镜（5）、圆形反射镜（6）、CCD相机（7）和计算机（8）；
所述的计算机（8）分别与CCD相机（7）和相位校正系统电性连接；
所述的第一快速反射镜（2）和第二快速反射镜（3）之后分别设置有一维和二维偏转的压电陶瓷位移平台；
所述的卡塞格林望远子系统（1）设置有7个。
2.根据权利要求1所述的一种基于七孔径的稀疏合成孔径成像系统的相位校正方法，其特征在于：所述的盲优化算法为模拟退火(SA)算法、随机并行梯度下降(SPGD)算法、爬山法、遗传算法中的一种。
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