光学合成孔径成像技术计算机仿真与实验验证

　　1　引　言

　　空间光学成像系统克服了大气湍流的影响,易达到系统衍射分辨率。在一定波段范围内,为了进一步提高系统的角分辨率,只能增加系统的孔径。但是系 统孔径的增大受加工工艺和制造成本的限制,系统加工成本几乎与孔径的三次方成正比[1]。同时空间光学系统还受飞行器有效载荷舱体积(一般情况下其系统发 射直径小于5m)和发射质量的限制。为了克服上述矛盾,早在20世纪70年代,光学工作者就提出了光学合成孔径成像系统的思想[2]。但受技术水平的限 制,该思想在20世纪80年代后才得到较快的发展。根据资料显示,光学合成孔径成像技术将是未来大型成像系统的主要分支之一[3]。光学合成孔径成像技术 是指采用多个小孔径光学系统获得高分辨率成像效果的成像技术。当然,小口径光学系统既可以是单独的镜片,也可以是独立的光学系统。

　　目前,光学合成孔径成像技术在国外已经得到了快速发展[3],而在国内由于受技术水平的限制,在该领域的研究工作进展较慢。

　　2　成像原理

　　随着现代光学理论的发展,傅里叶光学把成像系统的空域分析与频域分析有机地联系起来了。光学系统的成像性能在空域由点扩散函数反映,在频域由传 递函数反映,这两者之间成傅里叶变换关系。光瞳函数与点扩散函数和传递函数的关系如图1所示,图中 表示自相关,F表示傅里叶变换。下面运用图1中的关系来说明光学合成孔径系统的成像原理。与传统光学系统相比,合成孔径成像系统的光瞳函数的表现形式不再 是单个连通域,而可能是多个连通域的组合。由图1可知,光学系统的传递函数为光瞳函数的自相关。对于传统光学系统来说,在给定孔径和波长的情况下,它只是 一个低通滤波器,影响成像分辨率的高频分量被截止。

　　但是通过改变系统的光瞳函数,即采用合成孔径技术,通过改变各个子光瞳的大小和相对位置,使由光瞳函数傅里叶变换得到的点扩散函数不同于单孔径 系统,并可改善系统的传递函数。图2给出了等面积单孔径与合成孔径系统的点扩散函数和传递函数的示意图,其中实线表示合成孔径,虚线表示单孔径系统。由图 2可知,合成孔径系统的点扩散函数艾里斑较窄,但次峰有所增加,在频域表现为传递函数截止频率变大,中频性能下降。

　　此外,根据光学信息理论,系统孔径光阑的尺寸和形状的改变可以提高传递到像方的自由度数。从上面的分析可知,光瞳的排列对系统的传递函数有着明 显的影响。对于传统的圆形孔径系统来说,它不仅中心对称,而且轴对称,从而点扩散函数和传递函数也存在对称性。而对于光学合成孔径系统来说,由于光瞳分布 对称性的丧失,点扩散函数和传递函数将失去这些对称性,即合成孔径成像系统的信息具有方向可选择性。