CN101271202A - 基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高分辨率光学成像方法及设备。包括前置光学***(1)，成像镜***(4)；成像镜***4包括成像光学***以及光电转换器件，还包括与成像镜***(4)连接的数字图像采集***(5)，其特殊之处在于：所述前置光学***(1)与成像镜***(4)之间依次设置有分光组件(2)和相位补偿组件(3)，所述前置光学***(1)为望远镜***或光阑。解决了背景技术尺寸大、重量大以及复杂程度高的技术问题。具有结构简单，尺寸小，重量小，基本不增加小口径光学***尺寸的情况下实现衍射极限的突破的优点。

Description

基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法及设备

技术领域

本发明涉及一种高分辨率光学成像方法及设备，具体涉及一种基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法及设备。

背景技术

高分辨率光学成像技术在军事侦查、天文观测以及显微成像等领域具有广泛应用的需求，目标图像的超高空间分辨率一直是人们所追求的重要指标之一，它是军事目标发现、识别以掌握信息权，以及人类认识太空、研究宇宙的最主要手段。在人们对获取超高分辨率影像的动力的推动下，高分辨率的空间光学遥感器发展很快，相关技术在各国都代表着空间遥感技术领域的制高点。然而其进一步的发展受到能量和衍射极限的限制，这两个方面均要求***增大光学***口径，但口径的增大必然导致仪器体积和重量非常大，研制、发射和运行等费用也相应变得非常昂贵。

伴随着光电探测器技术的发展，其探测灵敏度性能显著提高，特别是TDI模式探测器的出现后，通过增加探测器级数可基本解决了能量限制的瓶颈问题，于是制约光学成像***分辨率的焦点问题变成了***口径决定的衍射极限，相应的制约关系式为：

其中

为仪器的角分辨率，λ为探测器响应的波长，D是仪器的接收光孔径尺寸。

表1高分辨率成像***的部分指标

从上式可以看出，对于特定波段，增加口径D是提高空间光学遥感器角分辨率的唯一可行的办法，但口径的增大意味着遥感器体积、研制难度和制造成本的骤增。如表1所示，美国的KH-12，在近地轨道(300km左右)达到0.1m分辨率，为满足分辨率极限需求，主镜口径为3m左右，导致卫星整体重量达到17吨；另外在天文观察方面，Hubble太空天文望远镜达到0.05角秒(以0.5μm)，主镜直径为2.4m，导致仅主镜组件就重达828kg。

由于卫星发射的体积和重量所限，表1所述相机已达到星载光学遥感成像的极限，因此要进一步提高分辨率，采用传统的设计思想和制造工艺已基本是行不通的，必须研究新的技术途径以实现甚高分辨率的空间光学遥感成像。

光学合成孔径技术是目前可望解决这个问题的技术之一，它利用几个分离的小孔径光学***组合来实现大孔径的分辨极限。光学合成孔径技术从结构形式上可以分两类：共用子镜形式和多望远镜***形式。

共用子镜形式如图1.a，取整块主镜上的若干部位组成子镜，以主镜排列方式组成主镜，其原理与单孔径成像***相同。

多望远镜***结构如图1.b，其核心是将多个孔径压缩在一个小孔径的成像***中成像来获得接近大孔径成像的分辨率效果，该结构形式获得的离散孔径多为非连续，又称为稀疏孔径技术。

这两种结构以实际的子镜或子望远镜为基础，通过真实子孔径的拼接实现大孔径的合成，没有从根本上解决由于尺寸和重量的限制，且复杂度大大增加。

基于以上事实，申请者提出一种设想，就是通过孔径分光强法得到若干子孔径，然后再拼接实现大孔径的合成成像，这是设想实际上没有增加子孔径，申请者称之为虚拟合成孔径理论。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法及设备，其解决了背景技术尺寸大、重量大以及复杂程度高的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤

1)由前置光学***1将光束压缩，在实现保持原有空间频率信息不变的情况下实现大口径光束的缩放；

2)通过分光组件2将前置光学***出射光束分为多个平行光束，并将其按方向一致，空间上错位的矩阵排列结构进行排列。

3)相位补偿组件3对每个光束的波面的相位进行调整，使它们到达进入同一个成像***4；

4)通过数字图像采集***5调整多束光的波面在焦面的相位差，当其为零时，则将在焦面上得到增强的图像。

一种实现基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法的设备，包括前置光学***1，成像镜***4；成像镜***4包括成像光学***以及光电转换器件，还包括与成像镜***4连接的数字图像采集***5，其特殊之处在于：所述前置光学***1与成像镜***4之间依次设置有分光组件2和相位补偿组件3，所述前置光学***1为望远镜***或光阑。

上述分光组件2具体为强度分光元件，该强度分光元件为Sagnac干涉仪或麦克尔逊干涉仪等各种分光干涉组件。

上述的相位补偿组件3为光学相位补偿板或液晶相位补偿器。

本发明具有结构简单，尺寸小，重量小，基本不增加小口径光学***尺寸的情况下实现衍射极限的突破的优点。

附图说明

图1为本发明结构原理图。

图2为光学虚拟合成孔径原理示意图。

图3为现有技术合成孔径示意图，其中a为共用子镜形式，b为多望远***形式。

图4虚拟合成孔径干涉原理图，包括a图和b图。

图5合成孔径焦面点扩散函数分布图。

具体实施方式

参见图1，一种实现基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法的设备，包括前置光学***1，成像镜***4；成像镜***4包括成像光学***以及光电转换器件，还包括与成像镜***4连接的数字图像采集***5，前置光学***1与成像镜***4之间依次设置有分光组件2和相位补偿组件3，前置光学***1为望远镜***或光阑；分光组件2具体为强度分光元件，该强度分光元件为Sagnac干涉仪或麦克尔逊干涉仪等各种分光干涉组件；相位补偿组件3为光学相位补偿板或液晶相位补偿器。

成像时，由前置光学***1将光束压缩，在实现保持原有空间频率信息不变的情况下实现大口径光束的缩放；通过分光组件2将前置光学***出射光束分为多个平行光束，并将其按方向一致，空间上错位的矩阵排列结构进行排列；相位补偿组件3对每个光束的波面的相位进行调整，使它们到达进入同一个成像***4；通过数字图像采集***5调整多束光的波面在焦面的相位差，当其为零时，则将在焦面上得到增强的图像。

实施例，本实施例考虑以原理验证为主，尽量简化。在建立试验装置时，我们简化了原理示意图的结构，前置光学***用一个小的光阑代替，通过将一个孔径过来的光以强度分光元件将其分为两束，再将这两束的波面相位调整，进入同一个成像***，调整两束光的波面相位差，当其为零时，则将在焦面上得到增强的图像。

实施例可行性分析：

1、干涉理论分析

参见图4，假设一个直径为D的瞳面被分为两个相距d的瞳面O1与O2，如图所示，由于他们源于同一光束，因而在一定范围内相干。设某一目标点在O1与O2处产生的光波为 $E1=E2=\frac{A}{2}{e}^{-\mathrm{i\ω}},$ 则通过同一光学***会聚后，其焦面上的能量为

$A\left(\mathrm{\θ}\right)={\left|\right|{\∫}_{\frac{d}{2}-\frac{D}{2}}^{\frac{d}{2}+\frac{D}{2}}\frac{1}{2}{e}^{-\frac{i2\mathrm{\πx\θ}}{\mathrm{\λ}}}\mathrm{dx}+{\∫}_{-\frac{d}{2}-\frac{D}{2}}^{-\frac{d}{2}+\frac{D}{2}}{\frac{1}{2}e}^{-\frac{i2\mathrm{\πx\θ}}{\mathrm{\λ}}}\mathrm{dx}\left|\right|}^2=\frac{\sin (\mathrm{\π\θD}/\mathrm{\λ})}{\mathrm{\π\θD}/\mathrm{\λ}}\·{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\π\θd}}{\mathrm{\λ}}\right)$

此时，参见图5，***的点扩散函数可以看作来自两个分离虚拟孔径的衍射斑相互叠加后与双光束干涉进行调制的结果，如图所示，垂直于基线d的方向***孔径宽度没有改变，在该方向上点扩散函数的分布与单孔径的情况相同。平行于基线的方向，由于干涉因子的调制中心亮斑的宽度变为λf/d，中心最大强度是单孔径情况下的四倍。也就是说，由于发生了干涉而使中心亮斑变窄，整个***的分辨率在平行基线方向得到了提高。

2、信息获取机理

在一个有限口径的仪器***基础上，要突破衍射极限，这似乎是不可能的，因为信息是不会增加的。然而当事物存在规律时，通过信息外推理论，即由已知量或可测量来推测未知量，这是可行的。

本方法信息获取手段可以看作是通过有限的波面角谱信息外推较大的波面角谱信息，来达到提高成像***的截止角谱的目的。

对于一个成像***的点目标而言，通过仪器可以探测的一定范围内的瞳面上的波面信息可外推得出较大瞳面上的波面信息，即***入瞳的波面是满足信息外推理论条件的。

3、关键组件(分光及相位补偿装置)的考虑

相位补偿器的设计是进行试验验证的非常重要的组件，对于不同视场角的相位补偿是一个非常难以突破的课题，然而对于本方案中，由于相位差与视场角的关系非常固定且明确，相对来讲，利用光学相位补偿板或液晶相位补偿器在一定范围内补偿是完全可行的。

Claims (4)

1.一种基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：

1)由前置光学***(1)将光束压缩，在实现保持原有空间频率信息不变的情况下实现大口径光束的缩放；

2)通过分光组件(2)将前置光学***出射光束分为多个平行光束，并将其按方向一致，空间上错位的矩阵排列结构进行排列；

3)相位补偿组件(3)对每个光束的波面的相位进行调整，使它们到达进入同一个成像***(4)；

4)通过数字图像采集***(5)调整多束光的波面在焦面的相位差，当其为零时，则将在焦面上得到增强的图像。

2.一种实现基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法的设备，包括前置光学***(1)，成像镜***(4)，成像镜***(4)包括成像光学***以及光电转换器件，还包括与成像镜***(4)连接的数字图像采集***(5)，其特殊之处在于：所述前置光学***(1)与成像镜***(4)之间依次设置有分光组件(2)和相位补偿组件(3)，所述前置光学***(1)为望远镜***或光阑。

3.根据权利要求2所述基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法的设备其特征在于：所述分光组件(2)具体为强度分光元件，该强度分光元件为Sagnac干涉仪或麦克尔逊干涉仪分光干涉组件。

4.根据权利要求2所述基于虚拟合成孔径理论的高分辨率光学成像方法的设备其特征在于：所述的相位补偿组件(3)为光学相位补偿板或液晶相位补偿器。

Images