【摘要】：視場和分辨率是用來評價一個光學系統(tǒng)重要的指標,大視場高分辨率的光學系統(tǒng)在密集場所人流監(jiān)控、國土測量等方面有著廣泛的應用。但是,對于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)來說,在不使用分辨率更高的探測器或者性能更好的成像系統(tǒng)情況下,無法從根本上解決大視場與高分辨率兼顧的問題。因此,借助近年來迅速發(fā)展的計算光學手段,結(jié)合傳統(tǒng)的成像光學系統(tǒng),可以在僅提升少量的成本下兼顧大視場和高分辨率的性能~([1])。本文從多孔徑成像技術(shù)出發(fā),借助棱鏡偏折視場的能力,設(shè)計出了可見光波段多孔徑棱鏡陣列光學系統(tǒng),借助圖像拼接配準等手段,可以實現(xiàn)重疊區(qū)域超分辨、未重疊區(qū)域不損失原有分辨率的大視場變分辨率的目標。現(xiàn)階段多孔徑成像系統(tǒng)依據(jù)探測器的相對位置可分為共心結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu),本文中選用棱鏡陣列多孔徑平面結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)的多孔徑系統(tǒng)并未能較大幅度的增加視場角,借助棱鏡對視場的偏折能力,即增加一側(cè)的視場角同時減小另一側(cè)的視場角,選取合適的楔角可以使得偏折后的視場大小和原視場大小近似,保證引入棱鏡不會降低分辨率。同時,還可以利用復合棱鏡組合消色差原理對引入的色差進行控制。在參考其他已經(jīng)設(shè)計出的多孔徑光學成像系統(tǒng),本文對可見光波段的多孔徑系統(tǒng)采用3?3陣列排布方式,設(shè)計指標要求最終的成像視場達到140??105?,實物尺寸不超過200mm?200mm?200mm。前期光學系統(tǒng)的設(shè)計完成后需要進行加工裝調(diào)工作,利用優(yōu)化好的系統(tǒng)實物進行實景的圖像采集,將9個孔徑獲取的圖像進行預處理以校正棱鏡引入的畸變,將9張無畸變的圖像進行插值并投影至高分辨率物空間網(wǎng)格,本文基于改進的SURF算法,利用亞像素級的圖像配準重構(gòu)出重疊區(qū)域超分辨、未重疊區(qū)域不損失原有分辨率的大視場成像效果。最終的結(jié)果滿足系統(tǒng)規(guī)定的設(shè)計指標。
【圖文】：

1.2 多孔徑光學系統(tǒng)及圖像變分辨技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.2.1 多孔徑光學系統(tǒng)研究現(xiàn)狀20 世紀 30 年代，隨著二戰(zhàn)的爆發(fā)，雷達技術(shù)也開始興起，經(jīng)過二三十年的高速發(fā)展，雷達技術(shù)已不僅僅只限于軍用方面，但是，一直發(fā)展到 20 世紀 50 年代所有雷達都是單雷達形態(tài)，50 年代后期，通過使用合成孔徑技術(shù)的雷達有效的提升了角分辨率并很快裝備于戰(zhàn)略偵察機執(zhí)行任務。受合成孔徑雷達技術(shù)的啟發(fā)，在 70年代，Meinel 及 Shack 等人率先提出將多孔徑技術(shù)應用于光學成像系統(tǒng)中提高分辨率的理論[31]，，然而受限于彼時其他技術(shù)的限制，無法迅速將該理論應用于實際。得益于美國政府和軍方的支持，在短時間內(nèi)便搭建了多座地基多孔徑實驗系統(tǒng)，這一舉措為光學多孔徑系統(tǒng)的發(fā)展做出了巨大的貢獻。早在 1979 年，亞利桑那大學的研究人員在某一山頂處建造了一個多鏡面望遠鏡系統(tǒng)（Multiple Mirror Telescope），如圖 1-1 所示。

望遠鏡都有一個直徑為 1.8m 的主鏡和其配套的副鏡。通過將這 6 架小望遠鏡線結(jié)合起來，可以實現(xiàn)相當于口徑為 4.5m 的望遠鏡所能達到的分辨能力，使為那時世界上第三大光學望遠鏡，相對于同級別的望遠鏡，該套設(shè)備的價格和難度均較低，但是在經(jīng)歷 19 年的服役后，這臺系統(tǒng)的成像精度以及復雜繁瑣動調(diào)節(jié)過程不宜繼續(xù)使用，再加上亞利桑那大學在大型透鏡的生產(chǎn)工藝方面步，使得該系統(tǒng)于 1998 年被拆除并替換成主鏡為 6.5m 的單孔徑系統(tǒng)。1995 年美國空軍成功搭建出名為多孔徑望遠測試平臺（Multipurpose MultipelescopeTestBed，MMTT）的可用于多用途的觀測系統(tǒng)[32-34]，MMTT 第一次利驗手段測試出多孔徑光學系統(tǒng)的 PSF，如圖 1-2 所示。這套系統(tǒng)由 4 個相同的構(gòu)成，每個孔徑的直徑為 200mm，MMTT 使用的光源為激光點光源，整個系終的有效視場角為 0.25°，但是，在實驗中發(fā)現(xiàn)當視場角度大于 0.029°時，統(tǒng)的成像質(zhì)量便開始急劇下降，盡管如此，MMTT 系統(tǒng)在當時仍舊是第一個場多孔徑望遠系統(tǒng)。然而，這套系統(tǒng)僅限于在實驗室中做某些測試，并未量產(chǎn)模使用。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O439;TP391.41

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