[发明专利]一种基于光瞳调制的数字化合成孔径成像方法

摘要

本发明涉及一种基于光瞳调制的数字化合成孔径成像方法，可恢复光瞳的光场，校正单孔径像差，实现多孔径共相，并合成高分辨率图像。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，利用傅立叶叠层(FPFourier ptychography)算法重构出每个光瞳的光场；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，基于数字成像原理将各个入瞳光场合成高分辨率的图像。本发明集光场重构、像差校正与合成成像于一体，具有成像图像分辨率高、光路紧凑、装置简单、成本低廉等优点。

主权项

一种基于光瞳调制的数字化合成孔径成像方法，其特征在于，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(3)对子系统(2)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(4)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：Um,ki(x,y)=Uinput,ki(x,y)×ak(x,y)---(1)]]>式中ak(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：式中λ为成像光波波长，f为成像子系统的焦距，k为光波传播的波数，为傅立叶变换，为计算的焦平面的光场振幅，为计算的焦平面的光场相位，Im,k为第k次记录的光强信息，于是用测量的振幅代换计算的振幅得到更新的焦平面场分布4).将更新的逆变换到光瞳平面，得到更新的调制光场：5).对于叠层扫描调制，将光瞳光场对应于光阑通光孔径的部分用的相应部分替换，得到新的光瞳光场对于改变孔径大小调制，第一次迭代时将光瞳光场对应于通光孔径的部分用的相应部分替换得到其余时候将对应于两个光阑通光孔径之间的圆环通光部分用的相应部分替换得到6).重复以上2)～5)步，直到k＝n，得到7).令重复以上2)～6)步，直到振幅和相位收敛，得到最终的第i个孔径的光瞳光场其中，根据重构的第i个孔径的光瞳光场校正该孔径由大气湍流带来的像差以及自身的静态像差，基于泽尼克多项式表示的光场相位分布，采用数字处理方法，优化像质评价函数S(·)，校正光瞳光场的相位畸变，从而得到最优的泽尼克系数为：式中Zp(x,y)为第p阶泽尼克多项式，像质评价函数选取最常用的S＝∫∫Iγ(x,y)dxdy，则第i个孔径自身像差校正后的光瞳光场为：Uinputcorri(x,y)=Uinputi(x,y)jΣp=1Pw^piZp(x,y)---(5)]]>其中，根据单孔径像差校正后的光瞳光场校正多孔径之间的平移相位误差和倾斜相位误差，选取第一个孔径为参考孔径，将所有光瞳光场合成在一起进行校正，从第1个孔径到第m个孔径的合成光场为：Ucomp1:m(x,y)=Uinputcorr1(x,y)+Σi=2mUinputcorr1,i(x,y)ejΣp=1PwpiZp(x,y)---(6)]]>利用优化像质评价函数的方法，得到优化的泽尼克系数为：最后得到共相的各孔径光场分布，合成的光场为：Ucompcorr1:m(x,y)=Uinputcorr1(x,y)+Σi=2mUinputcorr1,i(x,y)ejΣp=1Pw^piZp(x,y)---(8)]]>根据合成的光场利用成像原理对其进行数字成像。