【摘要】：在過去二十多年中,關(guān)聯(lián)成像有了蓬勃的發(fā)展。關(guān)聯(lián)成像誕生之初,人們認(rèn)為其物理本質(zhì)是基于雙光子的非局域相關(guān)。然而隨后的研究表明贗熱光源同樣可以實現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像,使得關(guān)聯(lián)成像得以進(jìn)一步發(fā)展。關(guān)聯(lián)成像使用普通熱光源或贗熱光源進(jìn)行主動照明,有著傳統(tǒng)成像探測手段所不具備的優(yōu)勢,例如工作波段限制小、探測距離遠(yuǎn)、易于小型化、復(fù)雜環(huán)境適用性強等方面。關(guān)聯(lián)成像由于其抗大氣湍流能力強,不受瑞利衍射極限限制等優(yōu)勢,迅速成為激光雷達(dá)、空間遙感等領(lǐng)域研究的熱點。然而關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)仍然存在著很多問題,例如:二維關(guān)聯(lián)成像的成像速度較慢,受大氣湍流影響成像分辨率會降低,三維關(guān)聯(lián)成像的測距精度較低等。這些難點極大地制約了關(guān)聯(lián)成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的實際應(yīng)用。此外關(guān)聯(lián)成像目前能夠測量目標(biāo)的信息較為單一,現(xiàn)有的關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)大多只能夠得到目標(biāo)的強度信息和距離信息,而在復(fù)雜的探測環(huán)境下,僅僅依靠這兩個維度的信息無法有效地對目標(biāo)進(jìn)行測量,需要開展目標(biāo)多維信息的測量,如偏振這個信息維度。針對關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)目前所面臨的問題,有必要開展關(guān)聯(lián)成像性能提高的相關(guān)研究,并擴寬關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的可測量信息維度,使關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)能夠測量的維度從二維、三維信息拓展到多維信息。針對關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)所面臨的問題,本論文首先分析了在湍流大氣存在的情況下,2D關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的成像分辨率受哪些因素的影響,并推導(dǎo)了湍流大氣條件下該系統(tǒng)的成像公式。其次,提出了可以利用雙曲余弦高斯光束替代傳統(tǒng)的高斯光束,進(jìn)而提高2D關(guān)聯(lián)成像激光雷的成像分辨率。通過數(shù)值仿真,證明了利用雙曲余弦高斯光束替代高斯謝爾型光束作為光源能夠提高系統(tǒng)的成像分辨率。此外提出了多波長關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)來解決2D關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的成像速度慢的問題,該系統(tǒng)對光斑光場進(jìn)行分波長調(diào)制,有效地提高單位時間內(nèi)的系統(tǒng)采樣數(shù),進(jìn)而提高了2D關(guān)聯(lián)成像激光雷達(dá)的成像速度,并通過實驗證明了多波長關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的有效性。針對3D關(guān)聯(lián)成像測距精度的研究,以基于質(zhì)心算法的3D關(guān)聯(lián)成像測距公式以及測距精度的表達(dá)式為基礎(chǔ),分析了強度像切片數(shù)對3D關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的測距精度的影響。發(fā)現(xiàn)單純地提高切片個數(shù)并不能夠一直提高測距精度,存在一個所謂的最佳切片數(shù),當(dāng)強度像切片數(shù)高于這個最佳切片數(shù)的時候,3D關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的測距精度會有所降低。并基于此提出了最佳切片數(shù)法的3D關(guān)聯(lián)成像。針對最佳切片數(shù)法3D關(guān)聯(lián)成像進(jìn)行了相關(guān)實驗,并對比了基于傳統(tǒng)方法、質(zhì)心算法、最佳切片算法的3D關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的得到的距離像的結(jié)果,用距離均方根誤差來定量地比較三種方法的測距精度的差別。針對在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率較低的情況下,3D關(guān)聯(lián)成像的測距分辨率較低的問題,設(shè)計了外差3D關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng),該系統(tǒng)采用外差的手段對目標(biāo)的距離信息進(jìn)行測量。該系統(tǒng)采用連續(xù)波激光作為光源,用電光晶體對光場的強度進(jìn)行調(diào)制,之后再利用空間光調(diào)制器對光場的強度分布做進(jìn)一步的調(diào)制。并利用單點探測器接收從不同距離處目標(biāo)反射回來光的強度,單點探測器探測得到的反射回波強度信號與加載在電光晶體上的調(diào)制信號進(jìn)行時間相關(guān),從而得到目標(biāo)的距離信息;而利用測得的目標(biāo)反射回波光場的強度值與空間光調(diào)制器調(diào)制的光斑分布進(jìn)行空間相關(guān),可以得到目標(biāo)的強度分布信息。結(jié)合距離信息和強度分布信息,可以得到目標(biāo)的距離像。分析了該系統(tǒng)的距離分辨率,發(fā)現(xiàn)其距離分辨率不受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率的影響,只與電光晶體中調(diào)制信號的調(diào)制帶寬有關(guān)。仿真結(jié)果表明,在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率相同時,外差3D關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)得到的距離像的距離分辨率優(yōu)于傳統(tǒng)3D關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)得到的距離像的距離分辨率。為了解決傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)無法判別相同反射率的不同材質(zhì)目標(biāo)的弊端,改進(jìn)了傳統(tǒng)2D關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng),提出了偏振關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的偏振信息的測量,通過關(guān)聯(lián)成像的成像方式對目標(biāo)物體反射光的偏振態(tài)分布進(jìn)行探測。同時引入偏振色度值的概念,利用這個偏振色度值來描述目標(biāo)反射回波光場的偏振特性。通過仿真實驗證明了偏振關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)能夠獲得目標(biāo)的偏振像,使得關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)能夠應(yīng)用于目標(biāo)材質(zhì)的判別。
[Abstract]:Associated imaging has developed rapidly over the past more than 20 years. At the beginning of the birth of associated imaging, it was believed that its physical nature was based on the non local correlation of two photons. However, the subsequent study showed that the pseudo heat source could also achieve associated imaging, making the associated imaging a step forward. The associated imaging uses a common hot source or a pseudopotential. The active illumination of the heat source has the advantages that the traditional imaging detection means do not have, such as the small limitation of the working band, the far distance, the miniaturization and the strong applicability of the complex environment. The associated imaging is rapidly becoming a laser radar and space remote sensing because of its strong ability to resist atmospheric turbulence and not limited by the limit of Rayleigh diffraction limit. However, there are still many problems in the related imaging system, such as the slow imaging speed of the two-dimensional correlation imaging, the reduction of imaging resolution by the influence of atmospheric turbulence and the lower precision of the three-dimensional correlation imaging, which greatly restrict the practical application of the closed imaging laser radar system. The information of the target is relatively simple at present. Most of the existing related imaging systems can only get the intensity information and distance information of the target. In the complex detection environment, only the information of the two dimensions can not be effectively measured on the target. It is necessary to measure the multi-dimensional information of the target, such as polarization. In view of the problems facing the associated imaging system, it is necessary to carry out the related research on the enhancement of related imaging performance and broaden the measurable information dimension of the associated imaging system, so that the dimensions of the associated imaging system can be measured from two-dimensional, three-dimensional information to multidimensional information. This paper first analyzes the influence of the imaging resolution on the imaging system of 2D associated imaging system under the presence of turbulent atmosphere, and derives the imaging formula of the system under the turbulence atmosphere. Secondly, it is proposed that the hyperbolic cosine Gauss beam can be used instead of the traditional Gauss beam, and then the 2D associated imaging laser ray can be improved. Through numerical simulation, it is proved that using the hyperbolic cosine Gauss beam instead of Gauss Schell beam as a light source can improve the imaging resolution of the system. In addition, a multi wavelength correlation imaging system is proposed to solve the problem that the imaging speed of 2D associated imaging system is slow. The system is used to modulate the light field of the light spot. The system sampling number in unit time is improved, and the imaging speed of 2D associated imaging lidar is improved. The effectiveness of the multi wavelength correlation imaging system is proved by experiments. Based on the research of the range accuracy of the 3D associated imaging, based on the formula of 3D correlation imaging ranging based on the centroid algorithm and the expression of distance precision, The influence of the number of intensity image slices on the ranging accuracy of the 3D associated imaging system is analyzed. It is found that the number of slices can not improve the distance accuracy by simply raising the number of slices. There is a so-called best slice number. When the number of intensity images is higher than the best slice number, the distance precision of the 3D related imaging system will be reduced. In this paper, the 3D correlation imaging of the best slice method is proposed. The correlation experiments of 3D associated imaging with the best slice number method are carried out, and the result of the distance image obtained by the 3D correlation imaging system based on the traditional method, the centroid algorithm and the best slice algorithm is compared. The distance mean square error is used to quantitatively compare the distance precision of the three methods. In the case of low sampling rate of the data acquisition system, the range resolution of 3D associated imaging is low, the heterodyne 3D correlation imaging system is designed. The system uses heterodyne to measure the distance information of the target. The system uses continuous wave laser as the light source and the intensity of the light field with the electrooptic crystal. After modulation, the intensity distribution of the light field is further modulated using a spatial light modulator. The intensity of the reflected light from the target is received by the single point detector. The reflection echo intensity signal obtained by the single point detector is related to the time correlation of the modulated signal loaded on the electro-optic crystal, thus obtaining the target. The intensity distribution of the measured target reflected light field is related to the spatial distribution of the light spot modulated by the spatial light modulator. The intensity distribution information of the target can be obtained. The distance image of the target can be obtained by combining the distance information and the intensity distribution information. The distance resolution of the system is analyzed and its distance is found. The detection rate is not affected by the sampling rate of the data acquisition system and is only related to the modulation bandwidth of the modulated signal in the electro-optic crystal. The simulation results show that the distance resolution of the distance image obtained by the heterodyne 3D associated imaging system is better than the distance resolution of the traditional 3D associated imaging system when the sampling frequency is the same. In order to solve the problem that the traditional correlation imaging system can not distinguish the different material targets with the same reflectivity, the traditional 2D imaging system is improved, and the polarization correlation imaging system is proposed. The system can measure the polarization information of the target, and the polarization distribution of the reflected light of the target object through the imaging mode of the associated imaging. The polarization chromaticity value is introduced to describe the polarization characteristics of the target reflected echo light field. The polarization correlation imaging system can obtain the polarization image of the target by simulation experiments, and the correlation imaging system can be applied to the discrimination of the target material.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN958.98

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本文編號：2148053