本文關(guān)鍵詞：激光相干場成像回波降質(zhì)影響機(jī)理及對策研究

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【摘要】：激光相干場成像技術(shù)通過發(fā)射多束激光,在目標(biāo)域形成干涉條紋場,經(jīng)目標(biāo)反射的相干場回波信號經(jīng)接收解調(diào)、相位閉合消除湍流擾動后,逆傅里葉變換重建高分辨圖像,這是近十多年發(fā)展起來的一種無透鏡新型高分辨計(jì)算成像理論,其有望解決大氣湍流擾動難題,突破衍射極限高分辨成像,在針對遠(yuǎn)程暗弱目標(biāo)高分辨成像方面具有突出的優(yōu)勢。該理論在國防事業(yè)和遙感高分成像領(lǐng)域具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價值。目前國內(nèi)外關(guān)于該技術(shù)的研究整體處于原理演示驗(yàn)證階段,尚未工程化。對于相干場最常用的等間距采樣成像模式,基于孔徑間距相等的兩組激光束提取的目標(biāo)頻譜分量相等原理,迭代求解各階頻譜分量重構(gòu)成像,但該采樣成像理論在技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中,由于發(fā)射孔徑陣列定位誤差、湍流光強(qiáng)閃爍效應(yīng)和光束光強(qiáng)自身抖動、系統(tǒng)散斑噪聲等誤差因素影響,兩組光束獲取的目標(biāo)頻譜分量不再相等,并由此產(chǎn)生頻譜迭代誤差,從而降低成像質(zhì)量,而該降質(zhì)影響機(jī)理目前尚不清楚,也無公開文獻(xiàn)報(bào)道。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中需對現(xiàn)有相干場成像理論模型加以修正,建立頻譜分量不相等情形下的激光相干場成像修正模型,抑制上述像質(zhì)退化因素的影響,以達(dá)到提高相干場成像質(zhì)量的目的。本文主要從激光發(fā)射孔徑定位誤差、大氣湍流光強(qiáng)閃爍和多光束光強(qiáng)抖動誤差、系統(tǒng)噪聲影響三個視角出發(fā),研究揭示以上像質(zhì)退化因素對相干場回波信號和成像質(zhì)量的降質(zhì)影響機(jī)理,并基于影響機(jī)理提出對應(yīng)抑制方法提升成像質(zhì)量,具體如下:1)針對相干場等間距采樣成像理論在工程技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中,不可避免的激光發(fā)射孔徑間距定位誤差帶來頻譜誤差,后續(xù)迭代重建頻譜時引起誤差累積放大效應(yīng),并由此帶來成像質(zhì)量下降的問題。本文基于回波解調(diào)和頻譜迭代理論,建立了相干場成像孔徑定位誤差對回波信號影響的理論模型,首次得到了激光發(fā)射孔徑定位誤差對回波頻譜分量和成像質(zhì)量的零影響方程;基于該像質(zhì)零影響方程,提出一種抑制孔徑定位誤差對像質(zhì)影響的線性規(guī)劃方法,通過求解孔徑間距最優(yōu)化分布矩陣,抵消了孔徑定位誤差對成像質(zhì)量的影響。研究表明,該方法可提升成像質(zhì)量評價指標(biāo)斯特列爾比近1倍,具有便捷、高效的特點(diǎn),應(yīng)用在工程實(shí)踐中可降低激光孔徑陣列定位難度和工程實(shí)施成本。該研究為相干場系統(tǒng)成像質(zhì)量提升和發(fā)射陣列孔徑定位精度設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。2)針對相干場成像理論在工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中,湍流光強(qiáng)閃爍效應(yīng)和多光束自身光強(qiáng)抖動帶來的誤差,后續(xù)迭代重建頻譜時引起誤差放大效應(yīng),并由此帶來成像質(zhì)量下降的問題。本文基于相位閉合頻譜重構(gòu)理論,建立了大氣湍流光強(qiáng)閃爍和多光束光強(qiáng)擾動因子對激光回波頻譜信號影響理論模型;并針對弱湍流應(yīng)用場景提出了解調(diào)比近似法、光強(qiáng)實(shí)測修正光強(qiáng)擾動抑制方法。提出一種基于半米字型陣列的采樣成像模型,有效消除了相位頻譜重構(gòu)方程中光強(qiáng)擾動因子的降質(zhì)影響,所提方法可有效解決大氣湍流光強(qiáng)閃爍效應(yīng)和光強(qiáng)抖動的降質(zhì)影響問題,成像斯特列爾比最大可提升約30%,并可有效降低相干場成像對光束光強(qiáng)時間穩(wěn)定性要求和發(fā)射陣列多光束光強(qiáng)空間一致性的要求,從而降低了工程實(shí)現(xiàn)難度。該研究為光束光強(qiáng)擾動抑制提供了有效的技術(shù)支撐。3)為解決相干場成像系統(tǒng)探測器噪聲相對系統(tǒng)總噪聲的占比權(quán)重定量化估計(jì)問題,以便后續(xù)為系統(tǒng)信噪比提升提供理論依據(jù)。本文基于相干場成像光電子數(shù)信噪比計(jì)算理論,提出一種探測器噪聲相對系統(tǒng)總噪聲的定量化占比估算分析方法,采用理論計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合的方法,建立了相干場成像探測器噪聲定量化占比計(jì)算方程組�；谑彝饩唧w的相干場成像實(shí)驗(yàn)平臺獲取了系統(tǒng)探測器噪聲占比權(quán)重,并驗(yàn)證了方法的有效性。結(jié)果表明,本文所提方法可正確有效估算探測器噪聲占比權(quán)重,該方法具有便捷、高效的特點(diǎn),可推廣應(yīng)用于實(shí)際相干成像系統(tǒng)探測器噪聲定量化評估測量分析。4)為提高系統(tǒng)信噪比改善成像質(zhì)量,解決相干場成像質(zhì)量受回波散斑噪聲影響問題,推導(dǎo)建立了大氣下行鏈路回波信號噪聲干擾模型,并基于同態(tài)濾波和拉格朗日基追蹤稀疏理論,提出一種級聯(lián)復(fù)合去噪方法,較現(xiàn)有單一去噪方法,該復(fù)合去噪方法既可去除與激光回波信號相關(guān)的乘性散斑噪聲,又可去除與回波信號無關(guān)的背景光和探測器等加性噪聲,同時提高了重構(gòu)圖像對比度。仿真表明該方法可提高重構(gòu)圖像斯特列爾比17%,圖像對比度最大可提高0.21。該方法對于相干場成像去噪和成像質(zhì)量改善具有借鑒意義。本文系統(tǒng)研究揭示了激光發(fā)射孔徑定位誤差、湍流光強(qiáng)閃爍效應(yīng)和光強(qiáng)抖動誤差、系統(tǒng)噪聲等因素對成像質(zhì)量的降質(zhì)影響機(jī)理,建立了成像誤差修正模型并提出了對應(yīng)解決方法和對策。本文所建立的相干場成像誤差修正理論模型和方法豐富了激光相干場成像理論,為相干場成像理論的進(jìn)一步工程化,提供了有效的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
【關(guān)鍵詞】：激光相干場成像 計(jì)算成像 發(fā)射孔徑定位誤差 大氣湍流光強(qiáng)閃爍 激光散斑噪聲 信噪比 成像質(zhì)量
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN24;TP391.41
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-8
• ABSTRACT8-14
• 1 緒論14-28
• 1.1 研究背景和意義14-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-25
• 1.2.1 激光相干場成像發(fā)展概述16-18
• 1.2.2 像質(zhì)影響機(jī)理與像質(zhì)提升方法研究綜述18-22
• 1.2.3 相干場噪聲分析和去噪研究方法綜述22-25
• 1.3 研究問題25
• 1.4 本論文結(jié)構(gòu)25-28
• 2 相干場成像理論與回波降質(zhì)退化因素分析28-44
• 2.1 引言28
• 2.2 相干場成像理論28-37
• 2.2.1 頻譜采樣調(diào)制理論30-32
• 2.2.2 回波信號解調(diào)理論32-33
• 2.2.3 相位閉合和頻譜重構(gòu)理論33-35
• 2.2.4 圖像重建理論35-37
• 2.3 激光相干場回波降質(zhì)退化因素分析37-40
• 2.3.1 激光發(fā)射孔徑定位誤差因素38-39
• 2.3.2 光強(qiáng)擾動誤差因素39
• 2.3.3 回波信號噪聲因素39-40
• 2.4 像質(zhì)評價方法40-43
• 2.4.1 均方誤差法41
• 2.4.2 峰值信噪比法41
• 2.4.3 成像傳遞函數(shù)法41-42
• 2.4.4 斯特列爾比法42
• 2.4.5 像質(zhì)評價方法特點(diǎn)分析42-43
• 2.5 本章小結(jié)43-44
• 3 光束孔徑定位誤差降質(zhì)影響機(jī)理及對策研究44-58
• 3.1 引言44
• 3.2 光束孔徑定位誤差理論建模分析44-48
• 3.2.1 激光回波信號頻譜誤差模型44-46
• 3.2.2 激光回波頻譜誤差傳遞模型46-48
• 3.3 抑制孔徑定位誤差影響的像質(zhì)提升方法48-50
• 3.3.1 成像質(zhì)量零影響條件方程的構(gòu)建48-49
• 3.3.2 成像質(zhì)量零影響方程線性規(guī)劃求解模型49
• 3.3.3 抑制孔徑定位誤差影響的像質(zhì)提升方法49-50
• 3.4 仿真實(shí)驗(yàn)和分析50-55
• 3.4.1 孔徑定位誤差對像質(zhì)影響仿真實(shí)驗(yàn)50-52
• 3.4.2 抑制孔徑定位誤差降質(zhì)影響仿真實(shí)驗(yàn)52-55
• 3.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析55
• 3.5 討論55-56
• 3.6 本章小結(jié)56-58
• 4 相干場成像噪聲分析及探測器噪聲定量化占比建模研究58-74
• 4.1 引言58
• 4.2 相干場成像噪聲源分析58-62
• 4.2.1 背景光噪聲分析58-60
• 4.2.2 探測器噪聲分析60-62
• 4.2.3 散斑噪聲分析62
• 4.3 相干場成像回波信噪比計(jì)算方法62-63
• 4.4 探測器噪聲定量化占比建模63-73
• 4.4.1 探測器噪聲占比建模64-66
• 4.4.2 探測器噪聲定量化占比計(jì)算方法66
• 4.4.3 室外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析66-73
• 4.5 討論73
• 4.6 本章小結(jié)73-74
• 5 散斑噪聲分析及基于復(fù)合去噪的像質(zhì)改善方法研究74-90
• 5.1 引言74
• 5.2 散斑噪聲成因及對回波信號影響分析74-78
• 5.2.1 散斑噪聲成因和影響分析74-75
• 5.2.2 散斑噪聲對回波信號影響分析75-77
• 5.2.3 相干場成像下行鏈路回波噪聲模型77-78
• 5.3 基于級聯(lián)復(fù)合去噪方法的像質(zhì)改善研究78-83
• 5.3.1 拉格朗日基追蹤稀疏去加性噪聲算法78-80
• 5.3.2 同態(tài)濾波去散斑乘性噪聲算法80-82
• 5.3.3 復(fù)合級聯(lián)去噪方法82
• 5.3.4 成像質(zhì)量定量化評價指標(biāo)82-83
• 5.4 仿真去噪實(shí)驗(yàn)分析83-85
• 5.4.1 不同去噪方法仿真結(jié)果83-84
• 5.4.2 仿真結(jié)果分析84-85
• 5.5 室外成像去噪實(shí)驗(yàn)85-88
• 5.5.1 室外成像實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境85-86
• 5.5.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟86
• 5.5.3 室外實(shí)驗(yàn)結(jié)果86-88
• 5.5.4 室外實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析88
• 5.6 本章小結(jié)88-90
• 6 基于光強(qiáng)擾動因子抑制理論的像質(zhì)提升方法研究90-116
• 6.1 引言90
• 6.2 光強(qiáng)擾動引起的回波誤差理論分析90-95
• 6.2.1 光強(qiáng)擾動對回波信號的影響分析90-92
• 6.2.2 光強(qiáng)擾動對相位閉合系數(shù)影響分析92-93
• 6.2.3 光強(qiáng)擾動因子對迭代頻譜影響建模和效應(yīng)分析93-95
• 6.3 光強(qiáng)擾動因子降質(zhì)影響理論和抑制方法研究95-104
• 6.3.1 光強(qiáng)系數(shù)實(shí)測法96-98
• 6.3.2 基于半米字型采樣理論的光強(qiáng)擾動抑制方法98-103
• 6.3.3 解調(diào)比近似法抑制光強(qiáng)擾動103
• 6.3.4 光強(qiáng)擾動抑制方法總結(jié)103-104
• 6.4 大氣湍流光強(qiáng)閃爍對像質(zhì)影響仿真實(shí)驗(yàn)104-107
• 6.4.1 湍流仿真平臺和原理104-106
• 6.4.2 湍流光強(qiáng)閃爍仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果106-107
• 6.4.3 湍流光強(qiáng)閃爍仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)論107
• 6.5 半米字型方法抑制光強(qiáng)擾動仿真實(shí)驗(yàn)107-110
• 6.5.1 仿真實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果107-109
• 6.5.2 抑制光強(qiáng)擾動仿真結(jié)果分析109-110
• 6.6 室外光強(qiáng)擾動抑制實(shí)驗(yàn)110-114
• 6.6.1 光強(qiáng)擾動抑制室外實(shí)驗(yàn)條件110-111
• 6.6.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟111-112
• 6.6.3 室外實(shí)驗(yàn)結(jié)果112-114
• 6.6.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析114
• 6.7 本章小結(jié)114-116
• 7 總結(jié)與展望116-120
• 7.1 工作總結(jié)116-117
• 7.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)117-118
• 7.3 展望118-120
• 參考文獻(xiàn)120-128
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果128-129

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本文編號：528888