[发明专利]一种基于光瞳调制的数字化合成孔径成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成孔径成像方法，特别是一种基于光瞳调制的合成孔径成像新方法，采用在子系统光瞳面加调制光阑以实现光场重构、单孔径和多孔径像差校正和合成成像，可以重建出光瞳的光场，然后对光场进行数字化处理校正像差，实现子孔径共相位，并合成高分辨率图像。

背景技术

光学合成孔径技术旨在利用易制造的小孔径系统通过光学手段合成大孔径系统，从而满足高分辨率的成像要求，解决实际应用中分辨率因孔径大小而受限的问题。合成孔径成像技术一般分为两种：基线干涉合成孔径技术与稀疏光学合成孔径技术。相比于基线干涉合成孔径技术通过反演干涉条纹获得复相干度来成像，稀疏光学合成孔径技术则是利用空间特定排列的多个子孔径直接合成对目标成像，具有充分的灵活性，更利于观测动态目标，因此，稀疏光学合成孔径成像系统的相关理论和技术研究引起了业内学者很大兴趣，并在国际上快速发展起来，它在地基和天基大型望远系统、激光传输、显微成像、三维成像等其他成像技术领域有着广泛的应用前景。

为了发挥稀疏光学合成孔径系统的这些特点和优势，在其应用中需要实现子孔径间的共相、单子孔径像差校正等关键技术。为了突破这些技术瓶颈，科学家们提出了许多解决方法。目前自适应光学技术是消除大气湍流影响的主流方法，它通过波前探测器获取波前畸变，再利用变形镜校正。这种方法虽然能够很好地补偿大气湍流带来的相位畸变，但是却增加了整个系统的复杂度和成本，不利于合成孔径技术的应用推广。子孔径间的共相(Co-phasing)，对于稀疏光学合成孔径成像系统而言十分重要，系统的像场应是各子系统像场的同位相叠加，若子系统间不能保持位相同步，则不能达到合成孔径的目的，只能起到提高光能接收率的作用。实现子孔径间的共相，关键要检测到子孔径之间的平移相位误差。目前科学家们提出的共相探测技术有基于干涉条纹位置信息的检测技术，基于远场图像分析的检测技术以及利用特殊光学仪器的检测技术等，这些技术在一定条件下能实现平移相位误差的检测，但却存在共同的缺陷，即所用光路复杂，系统价格昂贵，且适用性差。而且对检测到的平移相位误差而采取的校正方法也大多是基于复杂的机械控制，对机械结构、制造工艺以及控制精准度有很高的要求。

为了简化稀疏合成孔径成像技术的系统结构，降低成本，减小实现难度，拓展合成孔径成像技术的应用领域，本发明提出一种基于光瞳调制的合成孔径成像的新方法，通过在成像透镜的光瞳处加调制光阑，重建光瞳光场，校正单孔径像差，实现子孔径共相，并进行合成成像，该发明集光场重建、像差校正与合成成像于一体，具有图像分辨率高、光路紧凑、装置简单、成本低廉等优点。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题和实现的复杂程度，本发明融合光场重构、像差校正与合成成像于一体，提供了一种简单而有效的合成孔径成像新方法。本发明利用外置光阑对各个成像子系统的光瞳平面进行调制，根据不同的调制信息(光阑通光孔径位置或大小)及其所对应的图像，利用FP算法重构出每个子系统光瞳的光场，再对光场进行数字化处理以校正像差，实现共相位，合成高分辨率图像。该发明不仅可以完成相干合成成像，也对非相干成像有一定的适用性，光路简单紧凑，几乎不受机械结构和制造工艺的限制。

本发明采用的技术方案是：一种基于光瞳调制的数字化合成孔径成像方法，该方法包含以下步骤：

第一步，利用激光器1主动照明目标，目标的反射光进入每个子系统；

第二步，对每个子系统进行相同的调制，利用光阑对子系统的光瞳进行空间调制，调制方式为叠层扫描或者改变孔径大小，CCD记录下相应图像；

第三步，根据不同的调制信息及其所对应的不同图像，利用FP相位恢复算法恢复出每个子系统光瞳的光场；利用泽尼克多项式来表征光场的相位分布，采用数字校正方法，优化像质评价函数，校正单孔径本身以及多孔径之间的像差；

最后，基于成像原理利用虚拟成像透镜将各个光瞳光场合成高分辨率的图像；

其中，FP相位恢复算法流程如下：

1).随机初始化第i个孔径光瞳的光场函数

2).光瞳光场经过光阑后得到调制光场：

式中a_k(x,y)为第k次记录光强时的光阑信息函数，其定义为：

3).调制光场通过透镜传播至焦平面处，得到焦平面的光场分布：