專利名稱：：基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種高分辨率光學(xué)成像方法及設(shè)備，具體涉及一種基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法及設(shè)備。技術(shù)背景高分辨率光學(xué)成像技術(shù)在軍事偵査、天文觀測(cè)以及顯微成像等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的需求，目標(biāo)圖像的超高空間分辨率一直是人們所追求的重要指標(biāo)之一，它是軍事目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別以掌握信息權(quán)，以及人類認(rèn)識(shí)太空、研究宇宙的最主要手段。在人們對(duì)獲取超高分辨率影像的動(dòng)力的推動(dòng)下，高分辨率的空間光學(xué)遙感器發(fā)展很快，相關(guān)技術(shù)在各國(guó)都代表著空間遙感
技術(shù)領(lǐng)域：
的制高點(diǎn)。然而其進(jìn)一步的發(fā)展受到能量和衍射極限的限制，這兩個(gè)方面均要求系統(tǒng)增大光學(xué)系統(tǒng)口徑，但口徑的增大必然導(dǎo)致儀器體積和重量非常大，研制、發(fā)射和運(yùn)行等費(fèi)用也相應(yīng)變得非常昂貴。伴隨著光電探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，其探測(cè)靈敏度性能顯著提高，特別是TDI模式探測(cè)器的出現(xiàn)后，通過增加探測(cè)器級(jí)數(shù)可基本解決了能量限制的瓶頸問題，于是制約光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率的焦點(diǎn)問題變成了系統(tǒng)口徑?jīng)Q定的衍射極限，相應(yīng)的制約關(guān)系式為1.22A其中麵為儀器的角分辨率，A為探測(cè)器響應(yīng)的波長(zhǎng)，D是儀器的接收光孔徑尺寸。表l高分辨率成像系統(tǒng)的部分指標(biāo)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>從上式可以看出，對(duì)于特定波段，增加口徑D是提高空間光學(xué)遙感器角分辨率的唯一可行的辦法，但口徑的增大意味著遙感器體積、研制難度和制造成本的驟增。如表1所示，美國(guó)的KH-12，在近地軌道(300km左右)達(dá)到O.lm分辨率，為滿足分辨率極限需求，主鏡口徑為3m左右，導(dǎo)致衛(wèi)星整體重量達(dá)到17噸；另外在天文觀察方面，Hubble太空天文望遠(yuǎn)鏡達(dá)到O.05角秒(以0.5pm)，主鏡直徑為2.4m，導(dǎo)致僅主鏡組件就重達(dá)828kg。由于衛(wèi)星發(fā)射的體積和重量所限，表l所述相機(jī)已達(dá)到星載光學(xué)遙感成像的極限，因此要進(jìn)一步提高分辨率，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和制造工藝已基本是行不通的，必須研究新的技術(shù)途徑以實(shí)現(xiàn)甚高分辨率的空間光學(xué)遙感成像。光學(xué)合成孔徑技術(shù)是目前可望解決這個(gè)問題的技術(shù)之一，它利用幾個(gè)分離的小孔徑光學(xué)系統(tǒng)組合來實(shí)現(xiàn)大孔徑的分辨極限。光學(xué)合成孔徑技術(shù)從結(jié)構(gòu)形式上可以分兩類共用子鏡形式和多望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)形式。共用子鏡形式如圖l.a，取整塊主鏡上的若干部位組成子鏡，以主鏡排列方式組成主鏡，其原理與單孔徑成像系統(tǒng)相同。多望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l.b，其核心是將多個(gè)孔徑壓縮在一個(gè)小孔徑的成像系統(tǒng)中成像來獲得接近大孔徑成像的分辨率效果，該結(jié)構(gòu)形式獲得的離散孔徑多為非連續(xù)，又稱為稀疏孔徑技術(shù)。這兩種結(jié)構(gòu)以實(shí)際的子鏡或子望遠(yuǎn)鏡為基礎(chǔ)，通過真實(shí)子孔徑的拼接實(shí)現(xiàn)大孔徑的合成，沒有從根本上解決由于尺寸和重量的限制，且復(fù)雜度大大增加。基于以上事實(shí)，申請(qǐng)者提出一種設(shè)想，就是通過孔徑分光強(qiáng)法得到若干子孔徑，然后再拼接實(shí)現(xiàn)大孔徑的合成成像，這是設(shè)想實(shí)際上沒有增加子孔徑，申請(qǐng)者稱之為虛擬合成孔徑理論。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供了一種基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法及設(shè)備，其解決了
背景技術(shù)：
尺寸大、重量大以及復(fù)雜程度高的技術(shù)問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法，其特殊之處在于該方法包括以下歩驟1)由前置光學(xué)系統(tǒng)l將光束壓縮，在實(shí)現(xiàn)保持原有空間頻率信息不變的情況下實(shí)現(xiàn)大口徑光束的縮放；2)通過分光組件2將前置光學(xué)系統(tǒng)出射光束分為多個(gè)平行光束，并將其按方向一致，空間上錯(cuò)位的矩陣排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列。3)相位補(bǔ)償組件3對(duì)每個(gè)光束的波面的相位進(jìn)行調(diào)整，使它們到達(dá)進(jìn)入同一個(gè)成像系統(tǒng)4;4)通過數(shù)字圖像采集系統(tǒng)5調(diào)整多束光的波面在焦面的相位差，當(dāng)其為零時(shí)，則將在焦面上得到增強(qiáng)的圖像。種實(shí)現(xiàn)基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法的設(shè)備，包括前置光學(xué)系統(tǒng)l，成像鏡系統(tǒng)4;成像鏡系統(tǒng)4包括成像光學(xué)系統(tǒng)以及光電轉(zhuǎn)換器件，還包括與成像鏡系統(tǒng)4連接的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)5，其特殊之處在于所述前置光學(xué)系統(tǒng)1與成像鏡系統(tǒng)4之間依次設(shè)置有分光組件2和相位補(bǔ)償組件3，所述前置光學(xué)系統(tǒng)l為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)或光闌。上述分光組件2具體為強(qiáng)度分光元件，該強(qiáng)度分光元件為Sagnac干涉儀或麥克爾遜干涉儀等各種分光干涉組件。上述的相位補(bǔ)償組件3為光學(xué)相位補(bǔ)償板或液晶相位補(bǔ)償器。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量小，基本不增加小口徑光學(xué)系統(tǒng)尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)衍射極限的突破的優(yōu)點(diǎn)。圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理圖。圖2為光學(xué)虛擬合成孔徑原理示意圖。圖3為現(xiàn)有技術(shù)合成孔徑示意圖，其中a為共用子鏡形式，b為多望遠(yuǎn)系統(tǒng)形式。圖4虛擬合成孔徑干涉原理圖，包括a圖和b圖。圖5合成孔徑焦面點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分布圖。具體實(shí)施方式參見圖l，一種實(shí)現(xiàn)基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法的設(shè)備，包括前置光學(xué)系統(tǒng)l，成像鏡系統(tǒng)4;成像鏡系統(tǒng)4包括成像光學(xué)系統(tǒng)以及光電轉(zhuǎn)換器件，還包括與成像鏡系統(tǒng)4連接的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)5，前置光學(xué)系統(tǒng)l與成像鏡系統(tǒng)4之間依次設(shè)置有分光組件2和相位補(bǔ)償組件3，前置光學(xué)系統(tǒng)l為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)或光闌；分光組件2具體為強(qiáng)度分光元件，該強(qiáng)度分光元件為Sagnac干涉儀或麥克爾遜干涉儀等各種分光干涉組件；相位補(bǔ)償組件3為光學(xué)相位補(bǔ)償板或液晶相位補(bǔ)償器。成像時(shí)，由前置光學(xué)系統(tǒng)l將光束壓縮，在實(shí)現(xiàn)保持原有空間頻率信息不變的情況下實(shí)現(xiàn)大口徑光束的縮放；通過分光組件2將前置光學(xué)系統(tǒng)出射光束分為多個(gè)平行光束，并將其按方向一致，空間上錯(cuò)位的矩陣排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列；相位補(bǔ)償組件3對(duì)每個(gè)光束的波面的相位進(jìn)行調(diào)整，使它們到達(dá)進(jìn)入同一個(gè)成像系統(tǒng)4;通過數(shù)字圖像采集系統(tǒng)5調(diào)整多束光的波面在焦面的相位差，當(dāng)其為零時(shí)，則將在焦面上得到增強(qiáng)的圖像。實(shí)施例，本實(shí)施例考慮以原理驗(yàn)證為主，盡量簡(jiǎn)化。在建立試驗(yàn)裝置時(shí)，我們簡(jiǎn)化了原理示意圖的結(jié)構(gòu)，前置光學(xué)系統(tǒng)用一個(gè)小的光闌代替，通過將一個(gè)孔徑過來的光以強(qiáng)度分光元件將其分為兩束，再將這兩束的波面相位調(diào)整，進(jìn)入同一個(gè)成像系統(tǒng)，調(diào)整兩束光的波面相位差，當(dāng)其為零時(shí)，則將在焦面上得到增強(qiáng)的圖像。實(shí)施例可行性分析1、干涉理論分析參見圖4，假設(shè)一個(gè)直徑為D的瞳面被分為兩個(gè)相距d的瞳面01與02，如圖所示，由于他們?cè)从谕还馐蚨谝欢ǚ秶鷥?nèi)相干。設(shè)某一目標(biāo)點(diǎn)在Ol與02處產(chǎn)生的光波為El-E2-fe-h則通過同一光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚后，其焦面上的此時(shí)，參見圖5，系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可以看作來自兩個(gè)分離虛擬孔徑的衍射斑相互疊加后與雙光束干涉進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果，如圖所示，垂直于基線d的方向系統(tǒng)孔徑寬度沒有改變，在該方向上點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的分布與單孔徑的情況相同。平行于基線的方向，由于干涉因子的調(diào)制中心亮斑的寬度變?yōu)閿Md，中心最大強(qiáng)度是單孔徑情況下的四倍。也就是說，由于發(fā)生了干涉而使中心亮斑變窄，整個(gè)系統(tǒng)的分辨率在平行基線方向得到了提高。2、信息獲取機(jī)理在一個(gè)有限口徑的儀器系統(tǒng)基礎(chǔ)上，要突破衍射極限，這似乎是不可能的，因?yàn)樾畔⑹遣粫?huì)增加的。然而當(dāng)事物存在規(guī)律時(shí)，通過信息外推理論，即由已知量或可測(cè)量來推測(cè)未知量，這是可行的。本方法信息獲取手段可以看作是通過有限的波面角譜信息外推較大的波面角譜信息，來達(dá)到提高成像系統(tǒng)的截止角譜的目的。對(duì)于一個(gè)成像系統(tǒng)的點(diǎn)目標(biāo)而言，通過儀器可以探測(cè)的一定范圍內(nèi)的瞳面上的波面信息可外推得出較大瞳面上的波面信息，即系統(tǒng)入瞳的波面是滿足信息外推理論條件的。3、關(guān)鍵組件(分光及相位補(bǔ)償裝置)的考慮相位補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)是進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的非常重要的組件，對(duì)于不同視場(chǎng)角的相位補(bǔ)償是一個(gè)非常難以突破的課題，然而對(duì)于本方案中，由于相位差與視場(chǎng)角的關(guān)系非常固定且明確，相對(duì)來講，利用光學(xué)相位補(bǔ)償板或液晶相位補(bǔ)償器在一定范圍內(nèi)補(bǔ)償是完全可行的。權(quán)利要求1.一種基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法，其特殊之處在于該方法包括以下步驟1)由前置光學(xué)系統(tǒng)(1)將光束壓縮，在實(shí)現(xiàn)保持原有空間頻率信息不變的情況下實(shí)現(xiàn)大口徑光束的縮放；2)通過分光組件(2)將前置光學(xué)系統(tǒng)出射光束分為多個(gè)平行光束，并將其按方向一致，空間上錯(cuò)位的矩陣排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列；3)相位補(bǔ)償組件(3)對(duì)每個(gè)光束的波面的相位進(jìn)行調(diào)整，使它們到達(dá)進(jìn)入同一個(gè)成像系統(tǒng)(4)；4)通過數(shù)字圖像采集系統(tǒng)(5)調(diào)整多束光的波面在焦面的相位差，當(dāng)其為零時(shí)，則將在焦面上得到增強(qiáng)的圖像。2.—種實(shí)現(xiàn)基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法的設(shè)備，包括前置光學(xué)系統(tǒng)(1)，成像鏡系統(tǒng)(4)，成像鏡系統(tǒng)(4)包括成像光學(xué)系統(tǒng)以及光電轉(zhuǎn)換器件，還包括與成像鏡系統(tǒng)(4)連接的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)(5)，其特殊之處在于所述前置光學(xué)系統(tǒng)(1)與成像鏡系統(tǒng)(4)之間依次設(shè)置有分光組件(2)和相位補(bǔ)償組件(3)，所述前置光學(xué)系統(tǒng)(1)為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)或光闌。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法的設(shè)備其特征在于所述分光組件(2)具體為強(qiáng)度分光元件，該強(qiáng)度分光元件為Sagnac干涉儀或麥克爾遜干涉儀分光干涉組件。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學(xué)成像方法的設(shè)備其特征在于所述的相位補(bǔ)償組件(3)為光學(xué)相位補(bǔ)償板或液晶相位補(bǔ)償器。全文摘要本發(fā)明涉及一種高分辨率光學(xué)成像方法及設(shè)備。包括前置光學(xué)系統(tǒng)(1)，成像鏡系統(tǒng)(4)；成像鏡系統(tǒng)4包括成像光學(xué)系統(tǒng)以及光電轉(zhuǎn)換器件，還包括與成像鏡系統(tǒng)(4)連接的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)(5)，其特殊之處在于所述前置光學(xué)系統(tǒng)(1)與成像鏡系統(tǒng)(4)之間依次設(shè)置有分光組件(2)和相位補(bǔ)償組件(3)，所述前置光學(xué)系統(tǒng)(1)為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)或光闌。解決了
背景技術(shù)：
尺寸大、重量大以及復(fù)雜程度高的技術(shù)問題。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量小，基本不增加小口徑光學(xué)系統(tǒng)尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)衍射極限的突破的優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)G01S17/00GK101271202SQ20081001820公開日2008年9月24日申請(qǐng)日期2008年5月15日優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日發(fā)明者易紅偉,福李,楊建峰,彬薛,趙葆常,陳立武,馬小龍申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所