【摘要】：與傳統(tǒng)的折反射式光學(xué)系統(tǒng)相比,薄膜衍射光學(xué)系統(tǒng)具有重量超輕、可折疊展開、低成本等優(yōu)點,是未來超大口徑超高分辨率空間光學(xué)載荷的重要發(fā)展方向。但受制于衍射成像的特殊機(jī)制,衍射光學(xué)成像表現(xiàn)出更嚴(yán)重的能量損耗、復(fù)雜的點擴(kuò)散函數(shù)(Point spread function,PSF)空間變化等特性,再加之大氣湍流、在軌力熱環(huán)境的影響,薄膜衍射成像結(jié)果很可能無法滿足最終圖像解譯應(yīng)用的需求。波前信息是光學(xué)遙感全鏈路圖像質(zhì)量退化特性的直接反映,波前的精確反演可為圖像質(zhì)量的反演增強(qiáng)與恢復(fù)提供先驗和輸入。目前,針對衍射光學(xué)系統(tǒng)的波前反演方法的研究仍為空白。本文從衍射光學(xué)系統(tǒng)成像機(jī)理出發(fā),研究了基于相位差異法的薄膜衍射光學(xué)系統(tǒng)波前反演方法。主要研究內(nèi)容如下:(1)衍射光學(xué)成像特性及表征模型。與傳統(tǒng)的折反射式光學(xué)系統(tǒng)不同,衍射光學(xué)系統(tǒng)成像過程受衍射效率、PSF空間移變特性的影響,圖像質(zhì)量退化機(jī)理復(fù)雜,最終的成像結(jié)果可能表現(xiàn)為:焦面成像圖像能量低,邊緣視場處的調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation transfer function,MTF)退化嚴(yán)重。本文基于標(biāo)量衍射理論開展了衍射光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)退化特性分析,并建立了融合衍射效率、視場、波前位相等多成像參量的衍射光學(xué)系統(tǒng)成像表征模型,為衍射光學(xué)系統(tǒng)波前反演的相位差異法研究提供理論基礎(chǔ)。(2)基于衍射成像表征模型的相位差異波前反演方法研究。針對傳統(tǒng)相位差異法未考慮衍射光學(xué)系統(tǒng)衍射效率與PSF空變等成像特性的問題,本文將衍射光學(xué)系統(tǒng)成像表征模型融入相位差異法目標(biāo)函數(shù)。并結(jié)合等暈區(qū)分塊思想,提出了衍射光學(xué)系統(tǒng)空變波前反演方法。針對相位差異法目標(biāo)函數(shù)的非凸優(yōu)化求解難題,利用基于模擬退火的粒子群算法實現(xiàn)了波前信息的全局高效求解。(3)相位差異波前反演方法的適應(yīng)性及誤差分析。首先,從衍射光學(xué)系統(tǒng)波前反演原理出發(fā),將波前反演精度的影響因素歸結(jié)為像質(zhì)退化和輸入誤差因素;然后,針對像質(zhì)退化因素,開展了相位差異法的適應(yīng)性分析;針對輸入誤差因素,建立了誤差理論分析模型,并基于誤差理論提出了波前反演合成誤差分析方法;最后,對某薄膜衍射光學(xué)系統(tǒng)開展了數(shù)值仿真實驗,驗證了誤差分析模型與方法。(4)實驗驗證及分析。以薄膜衍射光學(xué)系統(tǒng)為應(yīng)用實例,仿真獲取了衍射空變退化圖像,結(jié)合等暈區(qū)分塊思想反演得到全視場的衍射波前信息,并對全視場波前反演方法開展了適應(yīng)性分析。實驗結(jié)果表明:衍射效率優(yōu)于0.65,高斯噪聲方差優(yōu)于0.001的條件下,全視場平均波前反演RMSE可達(dá)到2.5×10~(-4)λ。本文提出的基于相位差異法的薄膜衍射光學(xué)系統(tǒng)波前反演方法可實現(xiàn)波前信息的高精度反演,能夠為衍射成像退化圖像的反演增強(qiáng)與恢復(fù)提供更加準(zhǔn)確的輸入,為未來超大口徑薄膜衍射光學(xué)系統(tǒng)的空間應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
【圖文】：

Eyeglass項目[1]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，如圖 1-2 所示，，實驗結(jié)果表明折疊與展開后的光學(xué)系統(tǒng)均表現(xiàn)出了相似的性能。然該項目對薄膜衍射主鏡制備工藝及折疊與展開技術(shù)進(jìn)行了深入研究，但由于項工程難度大，雙星協(xié)作方式技術(shù)復(fù)雜，難以控制主衍射透鏡的光能完全通過后端像子系統(tǒng)，后續(xù)項目中斷，針對于超大口徑薄膜衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的研究轉(zhuǎn)向單星方案。雖然 Eyeglass 項目最終未成功實現(xiàn)空間超大口徑薄膜衍射光學(xué)系統(tǒng)的工應(yīng)用，但其所完成的薄膜衍射主鏡成像測試實驗及鏡體結(jié)構(gòu)空間折疊與展開方案未來的衍射成像系統(tǒng)技術(shù)的空間應(yīng)用提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;O436.1

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本文編號：2618249