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实现高分辨率成像,是目标探测和目标识别领域一项重要的工作,其在战略防御和侦察监视等方面具有战略性发展地位。随着激光技术的发展,激光成像系统越来越多的应用于军事和商业领域。合成孔径激光成像雷达、傅里叶望远术、光学扫描全息术等多种高分辨率非传统成像技术得到研究和发展。
菲涅耳变换望远镜成像激光雷达(菲涅耳望远术)是一种全新体制的高分辨率成像技术,原理是对目标投射一个扫描的由两个同轴同心偏振正交的球面波组成的光斑,目标与照明光斑的相互二维扫描将每个目标点的回波转化为时间流信号,接收端采用同轴相干接收,同时将物体点编码成为一个二维菲涅耳波带结构的复数二次项相位分布,最终通过处理器的匹配滤波重构出物体图像。菲涅耳望远术结合了傅里叶望远术和光学扫描全息术的优点,能够实现目标超光学衍射极限分辨率的二维成像。由于实施了空间对时间的传输信号转化并且采用了同轴光束相干探测和复数相位合成,提高了接收灵敏度和成像信噪比,大大降低了大气对于激光传输的影响。
本文从以下几个方面对菲涅耳望远术进行了研究:
1.菲涅耳变换望远镜成像雷激光雷达原理。本文在傅里叶望远术、光学扫描全息术的基础上提出了菲涅耳望远术的原理,给出了其实现的体系结构和算法。菲涅耳望远术能够获得超越光学衍射极限分辨率的图像,对二维信号采用统一的处理方式,更加易于工程实现。本章对菲涅耳望远术的光学发射系统、基本扫描工作模式、信号收集和处理等关键技术进行了阐述。对菲涅耳望远术静止目标成像模式进行了计算机仿真和实验验证,结果与理论预测结果相符,验证了该成像体系和成像算法的可行性。
2.菲涅耳望远术运动目标重采样插值成像算法。在对运动目标成像的应用领域,本文研究了菲涅耳望远术一维扫描工作模式,并且着重对重采样插值成像算法进行了研究。对于运动目标,利用光束扫描器控制光束做一维扫描,目标与扫描光束的相对运动使得空间-时间变换后的采样点呈非均匀分布,影响了图像重建的进行。这里采用重采样插值算法对非均匀采样数据进行处理,并结合不同的点、面目标,对最近邻插值、双线性插值和立方卷积插值等三种方法分别进行了仿真,并结合仿真结果进行数值分析,在此基础上选择立方卷积插值作为菲涅耳望远术的插值方法。仿真结果与理论预测结果相符,验证了运动目标重采样插值算法的正确性和可行性。
3.菲涅耳望远术扫描方式的设计和优化。为了扩展菲涅耳望远术的应用领域,实现高速飞行模式机载成像,结合机载海洋激光雷达的扫描方式,我们研究了能够实现快速扫描的圆锥扫描工作模式。进一步,我们对广泛应用的光机振镜扫描方式进行了分析和优化。针对正弦扫描模式中存在的扫描非均匀性问题,本文对正弦扫描轨迹进行了数值计算,并定义了非均匀度函数对非均匀性进行分析。针对常用的边缘数据去除的非均匀扫描处理方法,进行了计算和仿真,证明该方法的局限性。接着提出更适合于菲涅耳望远术的重采样插值优化方法,并进行了一维点目标和二维点目标的计算机仿真模拟,证明该方式能有效改善光机振镜正弦扫描的均匀性,实现机载模式菲涅耳望远术的高速扫描成像。