專利名稱：空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，可應(yīng)用于口徑Im及其以上地基大型光電望遠(yuǎn)系統(tǒng)的高分辨率成像輸出終端，屬于空間目標(biāo)光電探測(cè)與識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
地基光電望遠(yuǎn)鏡的高分辨率成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)等目標(biāo)的監(jiān)視和詳查，對(duì)于空間目標(biāo)的態(tài)勢(shì)感知具有重要意義。然而，地基大口徑望遠(yuǎn)鏡因受大氣擾動(dòng)的限制，其分辨率無(wú)法達(dá)到衍射極限。如一臺(tái)口徑為5m的望遠(yuǎn)鏡，若在一般平原地區(qū)工作，因受大氣湍流的影響，其分辨率并不比口徑為O. I O. 2m 口徑的望遠(yuǎn)鏡高。尤其在白天，由于太陽(yáng)光照射造成的近地面大氣湍流比較強(qiáng)，加之白天高亮度天空背景與雜散光，使得空間目標(biāo)在白天高分辨率成像受到大氣的污染更加嚴(yán)重。自適應(yīng)光學(xué)是克服大氣擾動(dòng)成像的一種 有效手段，但其在白天難于找到用于波前探測(cè)的參考源。大約75%的空間目標(biāo)分布在高度200 1500km的中低軌道上運(yùn)行，由于地球的遮擋，只有晨昏時(shí)刻和白天，空間目標(biāo)被太陽(yáng)光照亮?xí)r才能通過(guò)光電設(shè)備進(jìn)行探測(cè)，還有一些特殊的空間目標(biāo)只在白天通過(guò)，一些感興趣的空間目標(biāo)可能需要幾周才能在晝夜分界處出現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)外的地基空間目標(biāo)光電成像系統(tǒng)一般都選擇在晝夜分界或者大氣視寧度較好的夜晚工作，每天從可見(jiàn)光到近紅外波段有效觀測(cè)時(shí)間僅3 4h，嚴(yán)重制約地基光電成像終端的觀測(cè)效率。因此，空間目標(biāo)的白天高分辨率成像技術(shù)是未來(lái)全天時(shí)空間目標(biāo)探測(cè)與監(jiān)視識(shí)別領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。短曝光能凍結(jié)大氣擾動(dòng)，保留目標(biāo)的高頻信息。近年，美國(guó)的某些地基光電望遠(yuǎn)鏡采用基于單相機(jī)的短曝光散斑成像方法，在空間目標(biāo)白天外場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)中取得較好的效果，但其專門開發(fā)的相機(jī)具有高幀頻和高動(dòng)態(tài)范圍特性，國(guó)內(nèi)較難得到。中國(guó)專利200610112434. 6公開了一種適合于白天工作的高分辨力成像望遠(yuǎn)鏡，主要基于近紅外哈特曼波前探測(cè)器和能動(dòng)光學(xué)器件變形鏡等的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)白天高分辨率成像，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。位相差異散斑法的核心思想是在成像系統(tǒng)的焦面和離焦面上同時(shí)采集一對(duì)或者多對(duì)短曝光圖像，在已知離焦量的前提下解算出波前相位分布并恢復(fù)出目標(biāo)。位相差異散斑法已成功的應(yīng)用于太陽(yáng)觀測(cè)領(lǐng)域，獲得了高分辨率的太陽(yáng)表面組織圖像。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有成像技術(shù)分辨率無(wú)法達(dá)到衍射極限，空間目標(biāo)在白天高分辨率成像受到大氣的污染嚴(yán)重，地基光電成像終端的觀測(cè)效率低以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，本發(fā)明的目的就在于提供一種空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于位相差異散斑法，特別適合于白天時(shí)段空間目標(biāo)跟蹤、探測(cè)及高分辨率成像，可有效抑制白天高亮度天空背景與雜散光，克服強(qiáng)湍流大氣擾動(dòng)對(duì)高分辨率成像的影響。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是，空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光學(xué)系統(tǒng)和位相差異高分辨率圖像處理單元兩部分，所述的光學(xué)系統(tǒng)包括主鏡、次鏡、三鏡、視場(chǎng)光闌、折轉(zhuǎn)反射鏡、準(zhǔn)直鏡組、快反鏡、里奧光闌、分色片、精跟蹤成像鏡組、精跟蹤探測(cè)器、變焦距鏡組、分光棱鏡、在焦探測(cè)器以及離焦探測(cè)器；目標(biāo)光束依次經(jīng)過(guò)主鏡、次鏡以及三鏡，到達(dá)視場(chǎng)光闌后，再經(jīng)折轉(zhuǎn)反射鏡進(jìn)入準(zhǔn)直鏡組，經(jīng)過(guò)快反鏡，到達(dá)里奧光闌，到達(dá)里奧光闌的光經(jīng)分色片分成兩束光束，一束透射進(jìn)入精跟蹤成像鏡組，最后進(jìn)入精跟蹤探測(cè)器；另一束光經(jīng)分色片反射到達(dá)變焦距鏡組，進(jìn)入分光棱鏡，從分光棱鏡反射的光進(jìn)入離焦探測(cè)器，從分光棱鏡透射的光進(jìn)入在焦探測(cè)器，在焦探測(cè)器與離焦探測(cè)器同時(shí)采集目標(biāo)光束在焦面和離焦面的圖像數(shù)據(jù)，位相差異高分辨率圖像處理單元在基于位相差異散斑法的基礎(chǔ)上，對(duì)所采集目標(biāo)光束圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終恢復(fù)受白天強(qiáng)湍流大氣污染的空間目標(biāo)圖像和解算波前相位分布。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明基于地基大口徑望遠(yuǎn)鏡的大氣湍流成像理論，將光學(xué)設(shè)計(jì)與位相差異散斑法有機(jī)融合起來(lái)，解決困擾白天空間目標(biāo)高分辨率成像受到大氣的污染嚴(yán)重，地基光電成像終端的觀測(cè)效率低等問(wèn)題。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起到白天捕獲、探測(cè)空間目標(biāo)的作用，并具有消強(qiáng)雜散光與抑制高亮度天空背景的特性，且滿足后端位相差異高 分辨率圖像處理單元的光學(xué)特性要求。在單相機(jī)短曝光散斑成像方法的基礎(chǔ)上，增加已知離焦量的相位差異成像通道，雙通道的使用改善了反演問(wèn)題的病態(tài)性，多幀短曝光圖像的使用增加噪聲抑制能力和提高恢復(fù)空間目標(biāo)圖像的信噪比。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)及生產(chǎn)成本低，維護(hù)費(fèi)用低廉以及探測(cè)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。


圖I為空間目標(biāo)白天高分辨率成像探測(cè)系統(tǒng)原理示意圖。圖2為相位差異高分辨率圖像處理單元示意圖。圖中1、受大氣擾動(dòng)波前,2、夕卜遮光罩,3、擋光環(huán),4、次鏡遮光罩,5、望遠(yuǎn)鏡次鏡，6、望遠(yuǎn)鏡主鏡，7、三鏡遮光罩，8、三鏡，9、鏡筒遮光罩，10、視場(chǎng)光闌，11、折轉(zhuǎn)反射鏡，12、準(zhǔn)直鏡組，13、偏振片，14、大氣色散校正鏡，15、快反鏡，16、里奧光闌，17、分色片，18、精跟蹤成像鏡組，19、精跟蹤探測(cè)器，20、變焦距鏡組，21、輪式濾光片，22、分光棱鏡，23、在焦探測(cè)器，24、離焦探測(cè)器，25、離焦量，26、在焦探測(cè)器數(shù)據(jù)采集接口，27、離焦探測(cè)器數(shù)據(jù)采集接口，28、同步數(shù)據(jù)采集模塊，29、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，30、圖像恢復(fù)模塊，31、復(fù)原后圖像存儲(chǔ)模塊。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。由圖I和圖2所示，空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光學(xué)系統(tǒng)和位相差異高分辨率圖像處理單元兩部分，所述的光學(xué)系統(tǒng)包括受大氣擾動(dòng)波前I、主鏡
6、次鏡5、次鏡遮光罩4、三鏡8、三鏡遮光罩7、外遮光罩2、擋光環(huán)3、鏡筒遮光罩9、視場(chǎng)光闌10、折轉(zhuǎn)反射鏡11、準(zhǔn)直鏡組12、偏振片13、大氣色散校正鏡14、快反鏡15、里奧光闌16、分色片17、精跟蹤成像鏡組18、精跟蹤探測(cè)器19、變焦距鏡組20、輪式濾光片21、分光棱鏡22、在焦探測(cè)器23以及離焦探測(cè)器24 ;外遮光罩2位于鏡筒遮光罩9的前端，擋光環(huán)3位于外遮光罩2和鏡筒遮光罩9內(nèi)部；外遮光罩2、次鏡遮光罩4、三鏡遮光罩7和鏡筒遮光罩9規(guī)避白天太陽(yáng)等視場(chǎng)外強(qiáng)雜散光源，避免其直接入射在次鏡5、主鏡6、三鏡8等關(guān)鍵反射光學(xué)部件。所述的位相差異高分辨率圖像處理單元包括在焦探測(cè)器數(shù)據(jù)采集接口 26、離焦探測(cè)器數(shù)據(jù)采集接口 27、同步數(shù)據(jù)采集模塊28、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊29、基于位相差異散斑法的圖像恢復(fù)模塊30以及對(duì)復(fù)原后圖像存儲(chǔ)模塊31 ；目標(biāo)光束入射至外部罩有鏡筒遮光罩9的鏡筒,依次經(jīng)過(guò)主鏡6、外部罩有次鏡遮光罩4的次鏡5、外部罩有三境遮光罩的三鏡8,到達(dá)視場(chǎng)光闌10后,再經(jīng)折轉(zhuǎn)反射鏡11進(jìn) 入準(zhǔn)直鏡組12，依次經(jīng)過(guò)偏振片13、大氣色散校正鏡14、快反鏡15，到達(dá)里奧光闌16，到達(dá)里奧光闌16的光經(jīng)分色片17分成兩束光束，一束透射進(jìn)入精跟蹤成像鏡組18，最后進(jìn)入精跟蹤探測(cè)器19 ;另一束光經(jīng)分色片17反射到達(dá)變焦距鏡組20，經(jīng)輪式濾光片21進(jìn)入分光棱鏡22，從分光棱鏡22反射的光進(jìn)入離焦探測(cè)器24，從分光棱鏡22透射的光進(jìn)入在焦探測(cè)器23 ;同一時(shí)刻在焦探測(cè)器23與離焦探測(cè)器24通過(guò)外觸發(fā)模式采集到擁有指定的離焦量25的兩幅圖像作為一幀數(shù)據(jù)，假設(shè)一共采集了 T幀，位相差異高分辨率圖像處理單元在基于位相差異散斑法的基礎(chǔ)上，對(duì)所采集目標(biāo)光束圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終恢復(fù)受白天強(qiáng)湍流大氣污染的空間目標(biāo)圖像和解算波前相位分布。本實(shí)施方式所述的位相差異高分辨率圖像處理單元在同步數(shù)據(jù)采集模塊28的控制下，在焦探測(cè)器數(shù)據(jù)采集接口 26和離焦探測(cè)器數(shù)據(jù)采集接口 27分別從在焦探測(cè)器23和離焦探測(cè)器24同時(shí)采集兩幅圖像并由同步數(shù)據(jù)采集模塊28組合成一幀數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊29，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊29的主要工作是把含有目標(biāo)的圖像減去背景場(chǎng)，以提高信噪比，然后再把感興趣的區(qū)域通過(guò)圖像配準(zhǔn)在兩幅圖像上分別摳出以減少后續(xù)工作的工作量，最后把預(yù)處理后的子圖像排列到一個(gè)待發(fā)送隊(duì)列，當(dāng)隊(duì)列的長(zhǎng)度為T時(shí)，把這T幀數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送給基于位相差異散斑法的圖像恢復(fù)模塊30，圖像恢復(fù)模塊30是一臺(tái)GPU計(jì)算平臺(tái)，它以公式(I)為目標(biāo)函數(shù)，以各幀圖像所對(duì)應(yīng)的波前為未知變量進(jìn)行最優(yōu)化搜索，最終將得到目標(biāo)的恢復(fù)后圖像31以及各幀所對(duì)應(yīng)的波前。
權(quán)利要求
1.空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括光學(xué)系統(tǒng)和位相差異高分辨率圖像處理單元兩部分，所述的光學(xué)系統(tǒng)包括主鏡￠)、次鏡(5)、三鏡(8)、視場(chǎng)光闌(10)、折轉(zhuǎn)反射鏡(11)、準(zhǔn)直鏡組(12)、快反鏡(15)、里奧光闌(16)、分色片(17)、精跟蹤成像鏡組(18)、精跟蹤探測(cè)器(19)、變焦距鏡組(20)、分光棱鏡(22)、在焦探測(cè)器(23)以及離焦探測(cè)器(24)； 目標(biāo)光束依次經(jīng)過(guò)主鏡￠)、次鏡(5)以及三鏡(8)，到達(dá)視場(chǎng)光闌(10)后，再經(jīng)折轉(zhuǎn)反射鏡(11)進(jìn)入準(zhǔn)直鏡組(12)，經(jīng)過(guò)快反鏡(15)，到達(dá)里奧光闌(16)，到達(dá)里奧光闌(16)的光經(jīng)分色片(17)分成兩束光束，一束透射進(jìn)入精跟蹤成像鏡組(18)，最后進(jìn)入精跟蹤探測(cè)器(19);另一束光經(jīng)分色片(17)反射到達(dá)變焦距鏡組(20)，進(jìn)入分光棱鏡(22)，從分光棱鏡(22)反射的光進(jìn)入離焦探測(cè)器(24)，從分光棱鏡(22)透射的光進(jìn)入在焦探測(cè)器(23)，在焦探測(cè)器(23)與離焦探測(cè)器(24)同時(shí)采集目標(biāo)光束在焦面和離焦面的圖像數(shù)據(jù)，位相差異高分辨率圖像處理單元在基于位相差異散斑法的基礎(chǔ)上，對(duì)所采集目標(biāo)光束圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終恢復(fù)受白天強(qiáng)湍流大氣污染的空間目標(biāo)圖像和解算波前相位分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)還包括次鏡遮光罩(4)、三鏡遮光罩(7)、外遮光罩(2)、鏡筒遮光罩(9)以及擋光環(huán)(3),所述的鏡筒遮光罩(9)位于鏡筒外部,所述的外遮光罩(2)位于鏡筒遮光罩(9)的前端，所述的次鏡遮光罩(4)、三鏡遮光罩(7)依次位于次鏡(5)、三鏡(8)的外部,所述的擋光環(huán)(3)位于外遮光罩(2)和鏡筒遮光罩內(nèi)部，所述的擋光環(huán)(3)在外遮光罩(2)內(nèi)部楔角朝里，在鏡筒遮光罩(9)內(nèi)部楔角朝外。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)還包括偏振片(13)、大氣色散校正鏡(14)和輪式濾光片(21),偏振片(13)、大氣色散校正鏡(14)和輪式濾光片(21)組合提高系統(tǒng)白天探測(cè)空間目標(biāo)的信噪比。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng),其特征在于,主鏡(6)與里奧光闌(16)為共軛成像關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，視場(chǎng)光闌(10)和里奧光闌(16)的孔徑大小可調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，變焦距鏡組(20)為四檔切換式。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，精跟蹤探測(cè)器(19)、在焦探測(cè)器(23)和離焦探測(cè)器(24)工作在近紅外波段。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的在焦探測(cè)器(23)與離焦探測(cè)器(24)都是外觸發(fā)模式的EMCCD相機(jī)。
全文摘要
空間目標(biāo)白天高分辨率光電成像探測(cè)系統(tǒng)，涉及空間目標(biāo)光電探測(cè)識(shí)別領(lǐng)域。具體涉及一種融合光學(xué)設(shè)計(jì)與位相差異圖像復(fù)原技術(shù)的高分辨率成像方案，通過(guò)分光棱鏡增加一路離焦成像通道，并且該離焦通道的離焦量是已知的和可測(cè)的，位相差異散斑法通過(guò)對(duì)同一空間目標(biāo)同時(shí)采集焦面和離焦面的雙通道多幀短曝光圖像，聯(lián)合恢復(fù)受白天強(qiáng)湍流大氣污染的空間目標(biāo)圖像和解算波前相位信息。解決了空間目標(biāo)的白天捕獲、探測(cè)問(wèn)題，以及消強(qiáng)雜散光與高亮度天空背景的抑制問(wèn)題。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)及生產(chǎn)成本低，維護(hù)費(fèi)用低廉以及探測(cè)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)G01S17/89GK102662178SQ20121013497
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者劉瑩奇, 汪宗洋, 王建立, 王斌, 趙金宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所