基于光纤相控阵的计算鬼成像方法与实验研究

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鬼成像,又称关联成像,是近几十年发展起来的一种新体制光学成像。由于其非定域性成像特性,在抗噪声、抗湍流扰动等方面具有巨大优势,成为了光学领域的研究热点与前沿技术。计算鬼成像(CGI)通过计算的方式获得参考光场,不再需要参考光路,大大简化了系统,拓宽了鬼成像的应用领域。基于光纤相控阵的计算鬼成像系统,借鉴大功率光纤激光合成技术,以光纤阵列作为赝热光源,多通道接收信号光,提高散斑场的投射速度的同时降低了采样帧数和计算复杂度的要求,对远距离目标探测成像应用具有重要的研究意义和应用价值。本文基于光纤相控阵计算鬼成像系统模型,针对实际光纤阵列模型与理想的数学模型之间存在的差异,数值模拟分析了光纤阵列的光束束腰、幅值分布、相位分布等关键参数对光场分布及成像性能的影响。结果表明:光纤阵列子光束束腰半径及幅值差异对光场分布的影响最小;子光束的光强分布非高斯分布时,影响较大;相位分布对光场分布的影响最大。本文利用相关系数作为评价参数,结果表明:计算的参考光场分布与实际目标处参考光场分布的相关系数大于0.9时,可以在较少的采样帧数下得到较好的成像效果;当相关系数为0.8-0.9之间时,可通过增加采样帧数的方式得到较好的成像效果。且计算光场与实际光场分布存在误差时,利用差分计算鬼成像算法的CGI成像性能较好。本论文通过实验测量光纤阵列的幅值分布、光束束腰、阵列间距及子光束相对位置的方式对理想模型进行修正,利用实际模型参数重建光纤阵列端面处的光强分布,作为计算参考光场的初始面光强分布,使计算光场与实际光场分布更为接近。为了提高铌酸锂相位调制器的控制精度,本论文基于最小二乘法改进了半波电压的极值测量法,有效提高了半波电压的测量精度。本论文搭建了以8×8方形光纤阵列赝热光源为发射端,近红外相机为接收端的计算鬼成像实验系统,进行了参考光场采集实验,证明利用修正模型计算的参考光场分布与实际光场的相关系数可达到0.85以上。在此基础上,实现了基于光纤相控阵系统的二维计算鬼成像实验。
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