光瞳滤波合成孔径光学超分辨成像方法

摘要

本发明属于高分辨光学成像技术领域，涉及光瞳滤波合成孔径光学超分辨成像方法。该方法采用光瞳滤波技术和合成孔径光学成像技术，对被测物品进行成像检测，其通过合成孔径成像技术增大成像系统的视场、实现大口径或大工作距测量，通过超分辨光瞳滤波器提高子孔径成像系统的分辨率，最终实现大口径光学系统的超分辨成像检测。该方法可改善等效全口径成像系统的分辨力，减少光学系统子孔径的个数和子孔径间的间距，从而减小系统的体积、降低其复杂性。该方法可用于高分辨力、大视场角、大工作距和大口径光学成像场合，特别适用于空间遥感、对地观测、大工作距显微成像等技术领域。

主权项

1.一种光瞳滤波合成孔径光学超分辨成像方法，其特征在于包括下列步骤：步骤一、将N区超分辨光瞳滤波器置于M个子孔径系统组成的光学合成孔径成像系统中；步骤二、建立具有N区圆对称光瞳滤波器及M个子孔径光学系统的光学合成孔径超分辨成像系统的强度点扩散函数IPSF，其式如下：$\mathrm{IPSF}(\xi ,\eta )={\left|h(\xi ,\eta )\right|}^2$$=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{M}{\Sigma }}[h_m(\xi ,\eta )\text{·}{h}_n^{*}(\xi ,\eta )·e^{-i2\pi [(x_m-x_n)\xi +(y_m-y_n)\eta ]/\mathrm{\lambda d}}]$式中，M为子孔径数，(x_m，y_m)和(x_n，y_n)分别为第m个和第n个子孔径的位置坐标，(ξ，η)为像面位置坐标，d为成像系统的像面距离，h_m(ξ，η)为第m个子孔径的振幅点扩散函数，为：其中：r²＝ξ²+η²，a_m为第m个子孔径的半径，a_m(j)＝ε_m(j)a_m为第m个子孔径第j区的半径，ε_m(j)为第m个子孔径光瞳滤波器第j区的归一化半径，且ε_m(0)＝0、ε_m(N)＝1，t_j为第m个子孔径光瞳第j区的振幅透过率，为第m个子孔径光瞳第j区的相位，j₁为一阶贝塞尔函数，λ为光波波长；步骤三、建立具有N区圆对称光瞳滤波器及M个子孔径光学系统的光学合成孔径超分辨成像系统的传递函数MTF，其式如下：$\mathrm{MTF}(f_x,f_y)=\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\mathrm{MTF}}_p(f_x-\frac{x_m-x_n}{\mathrm{\lambda d}},f_y-\frac{y_m-y_n}{\mathrm{\lambda d}})\right|$其中，(f_x，F_y)为频域x、y向的频率坐标，MTF_p(f_x，f_y)为具有N区光瞳滤波器的子孔径系统的MTF(f_x，f_y)，为：MTF_{d(m(j)，n(k))}(f_x，f_y)为两不等孔径圆的互相关函数，为：${\mathrm{MTF}}_{d(m\left(j\right),n\left(k\right))}=\left\{\begin{array}{cc}\pi ·\min (a_{m\left(j\right)}^2,a_{n\left(k\right)}^2)& (0\le f_r\le {|a}_{m\left(j\right)}-a_{n\left(k\right)}|)\\ a_{n\left(k\right)}^2[{\arccos }^{-1}\left(\frac{a_{n\left(k\right)}^2+f_r^2-a_{m\left(j\right)}^2}{2a_{n\left(k\right)}{f}_r}\right)-\frac{a_{n\left(k\right)}^2+f_r^2-a_{m\left(j\right)}^2}{2a_{n\left(k\right)}{f}_r}·\sqrt{1-{\left(\frac{a_{n\left(k\right)}^2+f_r^2-a_{m\left(j\right)}^2}{2a_{n\left(k\right)}{f}_r}\right)}^2}& \\ +a_{m\left(j\right)}^2[{\arccos }^{-1}\left(\frac{a_{m\left(j\right)}^2+f_r^2-a_{n\left(k\right)}^2}{2a_{m\left(j\right)}{f}_r}\right)-\frac{a_{m\left(j\right)}^2+f_r^2-a_{n\left(k\right)}^2}{2a_{m\left(j\right)}{f}_r}·\sqrt{1-{\left(\frac{a_{m\left(j\right)}^2+f_r^2-a_{n\left(k\right)}^2}{2a_{m\left(j\right)}{f}_r}\right)}^2}& \\ 0& \begin{array}{c}\left(\right|a_{m\left(j\right)}-a_{n\left(k\right)}|<f_r<a_{m\left(j\right)}+a_{n\left(k\right)})\\ (f_r\ge a_{m\left(j\right)}+a_{n\left(k\right)})\end{array}\end{array}\right.$式中$f_r=\mathrm{\lambda d}\sqrt{f_x^2+f_y^2}$为频域的极坐标频率，d为成像系统的像面距离；步骤四、优化N区超分辨光瞳滤波器的光学参数和结构参数，以及M个子孔径光学系统的子孔径的数量、口径大小和位置参数，使光学合成孔径超分辨成像系统点扩散函数IPSF和调制传递函数MTF满足设计要求，得到所设计的光学合成孔径超分辨成像系统的子孔径数、光学参数和结构参数。