專利名稱：：基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學成像方法及設備的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種高分辨率光學成像方法及設備，具體涉及一種基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學成像方法及設備。技術背景高分辨率光學成像技術在軍事偵査、天文觀測以及顯微成像等領域具有廣泛應用的需求，目標圖像的超高空間分辨率一直是人們所追求的重要指標之一，它是軍事目標發(fā)現(xiàn)、識別以掌握信息權，以及人類認識太空、研究宇宙的最主要手段。在人們對獲取超高分辨率影像的動力的推動下，高分辨率的空間光學遙感器發(fā)展很快，相關技術在各國都代表著空間遙感
技術領域：
的制高點。然而其進一步的發(fā)展受到能量和衍射極限的限制，這兩個方面均要求系統(tǒng)增大光學系統(tǒng)口徑，但口徑的增大必然導致儀器體積和重量非常大，研制、發(fā)射和運行等費用也相應變得非常昂貴。伴隨著光電探測器技術的發(fā)展，其探測靈敏度性能顯著提高，特別是TDI模式探測器的出現(xiàn)后，通過增加探測器級數(shù)可基本解決了能量限制的瓶頸問題，于是制約光學成像系統(tǒng)分辨率的焦點問題變成了系統(tǒng)口徑?jīng)Q定的衍射極限，相應的制約關系式為1.22A其中麵為儀器的角分辨率，A為探測器響應的波長，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<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>從上式可以看出，對于特定波段，增加口徑D是提高空間光學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，美國的KH-12，在近地軌道(300km左右)達到O.lm分辨率，為滿足分辨率極限需求，主鏡口徑為3m左右，導致衛(wèi)星整體重量達到17噸；另外在天文觀察方面，Hubble太空天文望遠鏡達到O.05角秒(以0.5pm)，主鏡直徑為2.4m，導致僅主鏡組件就重達828kg。由于衛(wèi)星發(fā)射的體積和重量所限，表l所述相機已達到星載光學遙感成像的極限，因此要進一步提高分辨率，采用傳統(tǒng)的設計思想和制造工藝已基本是行不通的，必須研究新的技術途徑以實現(xiàn)甚高分辨率的空間光學遙感成像。光學合成孔徑技術是目前可望解決這個問題的技術之一，它利用幾個分離的小孔徑光學系統(tǒng)組合來實現(xiàn)大孔徑的分辨極限。光學合成孔徑技術從結(jié)構形式上可以分兩類共用子鏡形式和多望遠鏡系統(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。多望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構如圖l.b，其核心是將多個孔徑壓縮在一個小孔徑的成像系統(tǒng)中成像來獲得接近大孔徑成像的分辨率效果，該結(jié)構形式獲得的離散孔徑多為非連續(xù)，又稱為稀疏孔徑技術。這兩種結(jié)構以實際的子鏡或子望遠鏡為基礎，通過真實子孔徑的拼接實現(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，且復雜度大大增加?；谝陨鲜聦?，申請者提出一種設想，就是通過孔徑分光強法得到若干子孔徑，然后再拼接實現(xiàn)大孔徑的合成成像，這是設想實際上沒有增加子孔徑，申請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成像方法及設備，其解決了
背景技術：
尺寸大、重量大以及復雜程度高的技術問題。本發(fā)明的技術解決方案是一種基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學成像方法，其特殊之處在于該方法包括以下歩驟1)由前置光學系統(tǒng)l將光束壓縮，在實現(xiàn)保持原有空間頻率信息不變的情況下實現(xiàn)大口徑光束的縮放；2)通過分光組件2將前置光學系統(tǒng)出射光束分為多個平行光束，并將其按方向一致，空間上錯位的矩陣排列結(jié)構進行排列。3)相位補償組件3對每個光束的波面的相位進行調(diào)整，使它們到達進入同一個成像系統(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，當其為零時，則將在焦面上得到增強的圖像。種實現(xiàn)基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學成像方法的設備，包括前置光學系統(tǒng)l，成像鏡系統(tǒng)4;成像鏡系統(tǒng)4包括成像光學系統(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系統(tǒng)1與成像鏡系統(tǒng)4之間依次設置有分光組件2和相位補償組件3，所述前置光學系統(tǒng)l為望遠鏡系統(tǒng)或光闌。上述分光組件2具體為強度分光元件，該強度分光元件為Sagnac干涉儀或麥克爾遜干涉儀等各種分光干涉組件。上述的相位補償組件3為光學相位補償板或液晶相位補償器。本發(fā)明具有結(jié)構簡單，尺寸小，重量小，基本不增加小口徑光學系統(tǒng)尺寸的情況下實現(xiàn)衍射極限的突破的優(yōu)點。圖l為本發(fā)明結(jié)構原理圖。圖2為光學虛擬合成孔徑原理示意圖。圖3為現(xiàn)有技術合成孔徑示意圖，其中a為共用子鏡形式，b為多望遠系統(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合成孔徑焦面點擴散函數(shù)分布圖。具體實施方式參見圖l，一種實現(xiàn)基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學成像方法的設備，包括前置光學系統(tǒng)l，成像鏡系統(tǒng)4;成像鏡系統(tǒng)4包括成像光學系統(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，前置光學系統(tǒng)l與成像鏡系統(tǒng)4之間依次設置有分光組件2和相位補償組件3，前置光學系統(tǒng)l為望遠鏡系統(tǒng)或光闌；分光組件2具體為強度分光元件，該強度分光元件為Sagnac干涉儀或麥克爾遜干涉儀等各種分光干涉組件；相位補償組件3為光學相位補償板或液晶相位補償器。成像時，由前置光學系統(tǒng)l將光束壓縮，在實現(xiàn)保持原有空間頻率信息不變的情況下實現(xiàn)大口徑光束的縮放；通過分光組件2將前置光學系統(tǒng)出射光束分為多個平行光束，并將其按方向一致，空間上錯位的矩陣排列結(jié)構進行排列；相位補償組件3對每個光束的波面的相位進行調(diào)整，使它們到達進入同一個成像系統(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，當其為零時，則將在焦面上得到增強的圖像。實施例，本實施例考慮以原理驗證為主，盡量簡化。在建立試驗裝置時，我們簡化了原理示意圖的結(jié)構，前置光學系統(tǒng)用一個小的光闌代替，通過將一個孔徑過來的光以強度分光元件將其分為兩束，再將這兩束的波面相位調(diào)整，進入同一個成像系統(tǒng)，調(diào)整兩束光的波面相位差，當其為零時，則將在焦面上得到增強的圖像。實施例可行性分析1、干涉理論分析參見圖4，假設一個直徑為D的瞳面被分為兩個相距d的瞳面01與02，如圖所示，由于他們源于同一光束，因而在一定范圍內(nèi)相干。設某一目標點在Ol與02處產(chǎn)生的光波為El-E2-fe-h則通過同一光學系統(tǒng)會聚后，其焦面上的此時，參見圖5，系統(tǒng)的點擴散函數(shù)可以看作來自兩個分離虛擬孔徑的衍射斑相互疊加后與雙光束干涉進行調(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，在該方向上點擴散函數(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、信息獲取機理在一個有限口徑的儀器系統(tǒng)基礎上，要突破衍射極限，這似乎是不可能的，因為信息是不會增加的。然而當事物存在規(guī)律時，通過信息外推理論，即由已知量或可測量來推測未知量，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，來達到提高成像系統(tǒng)的截止角譜的目的。對于一個成像系統(tǒng)的點目標而言，通過儀器可以探測的一定范圍內(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、關鍵組件(分光及相位補償裝置)的考慮相位補償器的設計是進行試驗驗證的非常重要的組件，對于不同視場角的相位補償是一個非常難以突破的課題，然而對于本方案中，由于相位差與視場角的關系非常固定且明確，相對來講，利用光學相位補償板或液晶相位補償器在一定范圍內(nèi)補償是完全可行的。權利要求1.一種基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學成像方法，其特殊之處在于該方法包括以下步驟1)由前置光學系統(tǒng)(1)將光束壓縮，在實現(xiàn)保持原有空間頻率信息不變的情況下實現(xiàn)大口徑光束的縮放；2)通過分光組件(2)將前置光學系統(tǒng)出射光束分為多個平行光束，并將其按方向一致，空間上錯位的矩陣排列結(jié)構進行排列；3)相位補償組件(3)對每個光束的波面的相位進行調(diào)整，使它們到達進入同一個成像系統(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，當其為零時，則將在焦面上得到增強的圖像。2.—種實現(xiàn)基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學成像方法的設備，包括前置光學系統(tǒng)(1)，成像鏡系統(tǒng)(4)，成像鏡系統(tǒng)(4)包括成像光學系統(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系統(tǒng)(1)與成像鏡系統(tǒng)(4)之間依次設置有分光組件(2)和相位補償組件(3)，所述前置光學系統(tǒng)(1)為望遠鏡系統(tǒng)或光闌。3.根據(jù)權利要求2所述基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學成像方法的設備其特征在于所述分光組件(2)具體為強度分光元件，該強度分光元件為Sagnac干涉儀或麥克爾遜干涉儀分光干涉組件。4.根據(jù)權利要求2所述基于虛擬合成孔徑理論的高分辨率光學成像方法的設備其特征在于所述的相位補償組件(3)為光學相位補償板或液晶相位補償器。全文摘要本發(fā)明涉及一種高分辨率光學成像方法及設備。包括前置光學系統(tǒng)(1)，成像鏡系統(tǒng)(4)；成像鏡系統(tǒng)4包括成像光學系統(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系統(tǒng)(1)與成像鏡系統(tǒng)(4)之間依次設置有分光組件(2)和相位補償組件(3)，所述前置光學系統(tǒng)(1)為望遠鏡系統(tǒng)或光闌。解決了
背景技術：
尺寸大、重量大以及復雜程度高的技術問題。具有結(jié)構簡單，尺寸小，重量小，基本不增加小口徑光學系統(tǒng)尺寸的情況下實現(xiàn)衍射極限的突破的優(yōu)點。文檔編號G01S17/00GK101271202SQ20081001820公開日2008年9月24日申請日期2008年5月15日優(yōu)先權日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,馬小龍申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所