【摘要】：基于數(shù)字全息術(shù)的分布式孔徑綜合成像是一種先進(jìn)的主動(dòng)成像技術(shù)。采用多個(gè)子孔徑對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全息探測(cè),然后將各個(gè)子孔徑上的目標(biāo)光復(fù)振幅根據(jù)其空間位置綜合起來(lái),從而獲得較大的數(shù)值孔徑,最終實(shí)現(xiàn)多孔徑綜合高分辨率成像。這種成像系統(tǒng)的難點(diǎn)在于子孔徑之間的相位誤差應(yīng)控制在十分之一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)。考慮到子孔徑間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)、放大率、位移和傾斜誤差對(duì)綜合成像質(zhì)量的影響,深入研究了基于圖像配準(zhǔn)和清晰化的系統(tǒng)誤差標(biāo)定和校正方法,研究?jī)?nèi)容和結(jié)果包括以下3個(gè)方面。針對(duì)子孔徑間的旋轉(zhuǎn)和放大率誤差,研究了基于圖像配準(zhǔn)的誤差標(biāo)定和校正方法。首先理論分析了子孔徑間的旋轉(zhuǎn)和放大率誤差的特點(diǎn);然后提出了尺度不變特征變換(Scale-Invariant Feature Transform,SIFT)和快速魯棒特征(Speeded-Up Robust Features,SURF)算法的誤差標(biāo)定方法,以及基于圖像變換的校正方法;最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于圖像配準(zhǔn)的誤差標(biāo)定和校正方法具有較高的精度;與SURF算法相比,在相同大小的散斑噪聲下,SIFT算法的精度更高。針對(duì)子孔徑間的位移和傾斜誤差,研究了基于圖像相關(guān)和清晰化的誤差校正方法。首先理論分析了子孔徑間的位移和傾斜誤差對(duì)綜合成像質(zhì)量的影響;然后根據(jù)二者之間的耦合關(guān)系,提出了基于目標(biāo)圖像相關(guān)和清晰化的粗精兩級(jí)校正方法,即在圖像相關(guān)法獲得的初始值的基礎(chǔ)上,采用隨機(jī)并行梯度下降算法(SPGD)對(duì)圖像清晰度進(jìn)行優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)精校正;最后通過(guò)9孔徑綜合模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于圖像相關(guān)和清晰化的誤差校正方法能夠有效校正子孔徑間的位移和傾斜誤差,提高綜合成像質(zhì)量。最后,為了便于實(shí)際應(yīng)用,設(shè)計(jì)了基于C語(yǔ)言的三孔徑綜合成像程序模塊。在VS2013開(kāi)發(fā)環(huán)境下,基于MFC開(kāi)發(fā)技術(shù)編寫了對(duì)話框界面,利用Open CV圖像視覺(jué)庫(kù)和自己開(kāi)發(fā)的其他程序模塊,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)誤差標(biāo)定和校正功能。運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了程序設(shè)計(jì)的正確性,因此能夠很好地應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：華北理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP391.41;TN26
【圖文】：

θ = 1.22λ / D。該關(guān)系式表明光波長(zhǎng)越小、系統(tǒng)的口徑直徑越大，系統(tǒng)的角分辨率就越高。然而，針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)合，一方面激光波長(zhǎng)有一定的限制，如各個(gè)大氣窗口，另一方面，成像系統(tǒng)口徑也會(huì)受到材料、工藝、成本、質(zhì)量和平臺(tái)載荷等諸多因素的限制。因此研究人員開(kāi)始尋求新的理論和方法來(lái)提高成像分辨率，其中孔徑綜合是主要方法之一。綜合孔徑技術(shù)是指利用多個(gè)小口徑天線排列成一定形式的稀疏孔徑陣列，對(duì)物體進(jìn)行探測(cè)，利用信息處理手段對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，最終等效于單個(gè)大口徑的觀測(cè)結(jié)果[15]�；跀�(shù)字全息術(shù)的分布式孔徑綜合成像是一種先進(jìn)的成像技術(shù)，能夠在低照度、復(fù)雜背景條件下獲取高分辨率遠(yuǎn)距離景物三維圖像，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。基于該技術(shù)的成像系統(tǒng)如圖 1 所示[6]，子孔徑記錄目標(biāo)返回光和本地參考光的干涉信號(hào)（圖 1 中只給出一個(gè)子孔徑模塊）即數(shù)字全息圖，然后根據(jù)其空間位置對(duì)各個(gè)全息圖（或復(fù)原出的目標(biāo)光復(fù)振幅）進(jìn)行綜合，最后數(shù)值模擬衍射計(jì)算出目標(biāo)圖像。

這正是本課題的研究目標(biāo)。1.2.3 孔徑綜合相位誤差校正技術(shù)2007 年美國(guó) Lockheed Martin 公司的 Joseph C. Marron 等人首先對(duì)這種主動(dòng)成像體制進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[4]，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。室內(nèi) 4 孔徑實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖 2 所示。激光器發(fā)射出的相干光束被分為兩束，一束光射向目標(biāo)，另一束光進(jìn)一步被分為 4 束分別作為 4 個(gè)子孔徑內(nèi)的本地參考光。目標(biāo)散射光經(jīng)過(guò)一個(gè)準(zhǔn)直器（模擬目標(biāo)在無(wú)窮遠(yuǎn)處）后被子孔徑接收。子孔徑內(nèi)的光電探測(cè)器分別記錄本地參考光與目標(biāo)返回光的干涉信號(hào)，即數(shù)字全息圖。在數(shù)字信號(hào)處理器中，采用傅立葉變換和空間濾波等方法從干涉信號(hào)中分別復(fù)原出子孔徑探測(cè)面上的目標(biāo)返回光復(fù)振幅，然后按照子孔徑空間位置對(duì) 4 個(gè)復(fù)振幅進(jìn)行排列，最后通過(guò)數(shù)值模擬光束衍射過(guò)程計(jì)算出目標(biāo)圖像。Joseph C. Marron 等人得到的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3 所示，左圖為子孔徑探測(cè)到的干涉信號(hào)，右圖為計(jì)算出的目標(biāo)灰度圖（8 幀數(shù)據(jù)的平均結(jié)果）。

kheed Martin 公司 Joseph C. Marron 等人建立了“Y”型 9 孔徑成像系統(tǒng)，首次了室外近地 500m 水平綜合成像，在大氣相干長(zhǎng)度為 90mm-2mm 的條件下初得了較高分辨率的圖像，其中子孔徑直徑為 90mm，目標(biāo)為一個(gè)長(zhǎng) 28cm 的車同年 Joseph C. Marron 等人開(kāi)展了雙波長(zhǎng)三維成像試驗(yàn)。同期，Dayton 大學(xué)雷光通信研究室對(duì)這種成像方法也顯示出極大的興趣，Nicholas J. Miller 等人開(kāi)計(jì)用于水平 7km 成像的 3 孔徑實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[20]，并從視場(chǎng)、角分辨率、探測(cè)距湍流影響等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上，2012 年 Dayton 大學(xué)ller 等人為了實(shí)現(xiàn)大氣湍流環(huán)境下的實(shí)時(shí)綜合成像，開(kāi)發(fā)了基于 GPU 構(gòu)架的 1綜合處理硬件系統(tǒng)[22]。7 孔徑綜合成像時(shí)，系統(tǒng)對(duì) 7 幀 128*128 數(shù)據(jù)的處理速到 1000Hz，對(duì) 36 幀的處理速度達(dá)到 300Hz。與雙核 CPU、Matlab 環(huán)境下的速度相比，該硬件構(gòu)架的效率提高了 8300 倍，然而從室內(nèi)綜合成像結(jié)果來(lái)仍然沒(méi)有達(dá)到理論效果。100400

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2753706