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1、国防科学技术大学 硕士学位论文 空间目标幸运成像技术的实验研究 姓名：刘镪 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：梁永辉 2010-11 国防科学技术大学研究生院学位论文 第 I 页 摘 要 摘 要 本文论述了湍流的基本理论和幸运成像技术的主要原理，给出了空间目标幸运成像技 术的应用条件和处理流程。搭建了幸运成像观测系统，分析和校正了系统误差，修正后的 实验系统可以满足大气相干长度测量实验和空间目标幸运成像实验的要求。在此基础上进 行了近地面大气状态参数的测量和扩展目标图像分块技术的研究，给出了在长沙近地面大 气相干长度的初步测量结果，分析了大气相干长度对目标序列短曝光图像中“幸运图像
2、” 概率的影响。然后根据幸运成像处理流程对空间目标进行实验研究，包括对国际空间站和 月球的观测实验及幸运成像处理，处理结果表明，幸运成像技术能够提高地基光学系统对 空间目标的成像分辨率。最后研究了亚像素配准技术、最大互信息配准技术和图像增强技 术在幸运成像技术中的应用，结果表明亚像素配准技术能够进一步提高空间目标幸运成像 处理结果的质量，互信息配准技术比灰度相关配准技术更适合空间运动目标序列图像的配 准，图像增强技术能提升幸运成像处理结果像质改善的程度。 关键词：关键词：大气湍流，幸运成像，像质评价，配准叠加 国防科学技术大学研究生院学位论文 第 II 页 ABSTRACT The turbu
3、lence theory of the atmosphere and primary principle of lucky imaging are first introduced in this paper, and then the application conditions and processing flow of lucky imaging technology for spatial objects are presented. An experimental system of lucky imaging observation is built and the system
4、 error is analyzed and revised. It is shown that the system is capable of measuring the coherence length of the atmosphere and conducting the lucky imaging experiments for spatial objects. Based on this, the measurements of the atmospheric turbulence parameters near ground are taken and the image pa
5、rtition technology is investigated. The measurement results obtained at Changsha are reported and the impact of the atmospheric coherence length on the probability of “lucky image” is analyzed. A series of lucky imaging experiments are then implemented, including observations of the ISS and the moon
6、. The experimental results indicate that lucky imaging technology can improve the imaging resolution of the ground-based optical systems for spatial objects. Finally, the sub-pixel image registration technique, the mutual information image registration method and the image enhancement method are stu
7、died respectively. The results show that the sub-pixel image registration technique can improve the image quality, the mutual information image registration method is more suitable for the sequential image registration of dynamic spatial objects, and the image enhancement method can improve the imag
8、e quality of the lucky imaging results. Keywords: atmospheric turbulence, lucky imaging, image quality evaluation, recenting and coadding 国防科学技术大学研究生院学位论文 iii 表目录 表目录 表 2. 1 不同 D/r0值得到幸运图像的概率.14 表 2. 2 不同波长对应的最佳望远镜直径14 表 3. 1 CL600X2 相机技术参数表.22 表 3. 2 望远镜跟踪误差修正实验原始数据31 表 3. 3 球谐函数误差修正模型系数32 表 3. 4 恒
9、星 Regulus 指向数据的修正效果检验.32 表 4. 1 标准 lena 图像对准数据对比.55 表 4. 2 不同灰度 lena 图像对准数据对比.56 表 4. 3 不同噪声 lena 图像对准数据对比.58 国防科学技术大学研究生院学位论文 v 图目录 图目录 图 1. 1 斑点成像技术的算法流程示意图1 图 1. 2 自适应光学系统的结构示意图1 图 1. 3 M15 星团的图片幸运成像结果 .3 图 1. 4 英文字母幸运成像处理结果4 图 1. 5 LuckyCam 获得的猫眼星云结果.4 图 1. 6 FastCam 系统连接示意图.5 图 1. 7 Astralux 幸运
10、成像系统.5 图 1. 8 中文目标靶幸运成像处理结果5 图 2. 1 长曝光和短曝光情况下湍流大气中望远镜的分辨率13 图 2. 2 八方向 sobel 算子模板 .15 图 2. 3 等晕角与大气相干长度关系18 图 2. 4 空间目标幸运成像处理流程图20 图 3. 1 实验观测系统示意图23 图 3. 2 实验观测系实际连接图23 图 3. 3 天球上的点和圈24 图 3. 4 天球坐标系24 图 3. 5 望远镜寻星原理示意图25 图 3. 6 Autostar II 的六类基本菜单的选择项 26 图 3. 7 望远镜控制程序界面27 图 3. 8 相机光谱响应曲线28 图 3. 9
11、 滤光片透过率曲线28 图 3. 10 DIMM 测量大气相干长度示意图34 图 3. 11 视宁盘中的强度分布36 图 3. 12 FWHM 与 r0的分布曲线37 图 3. 13 不同大气状态条件下序列图像像质评价参数分布曲线38 图 3. 14 归一化像质评价参数分布曲线38 图 3. 15 大气非等晕性示意图39 图 3. 16 不同尺寸图像归一化像质评价参数分布曲线39 图 3. 17 图像不同区域归一化像质评价参数分布曲线40 图 3. 18 扩展目标像的分块方法示意图40 图 3. 19 英文靶面不同分块数目处理结果41 图 3. 20 自然景物不同分块数目处理结果42 图 3.
12、 21 扩展目标图像的非均匀分割示意43 国防科学技术大学研究生院学位论文 vi 图 4. 1 国际空间站45 图 4. 2 成像光路示意图45 图 4. 3 空间站图像一像质评价分布曲线46 图 4. 4 空间站原始图像一46 图 4. 5 空间站图像一不同比例幸运成像处理结果48 图 4. 6 长曝光和幸运成像结果比较48 图 4. 7 双线性插值法计算示意图50 图 4. 8 空间站图像一亚像素级处理结果51 图 4. 9 空间站图像二像质评价分布曲线52 图 4. 10 空间站原始图像二52 图 4. 11 幸运成像处理结果（相关配准）53 图 4. 12 不同因子叠加对比54 图 4
13、. 13 标准 lena 图像两种对准方法精度比较.56 图 4. 14 灰度变换后 lena 图像两种对准方法精度比较.57 图 4. 15 加噪 lena 图像两种对准方法精度比较.58 图 4. 16 幸运成像处理结果（互信息配准）59 图 4. 17 新月原始图像60 图 4. 18 新月月面幸运成像处理结果60 图 4. 19 新月月面处理结果图像增强61 国防科学技术大学研究生院学位论文 第 1 页 第一章 绪 论第一章 绪 论 1.1 空间目标幸运成像技术的研究背景空间目标幸运成像技术的研究背景 空间目标主要指卫星、 空间站、 航天飞机以及进入地球外层空间的各种宇宙飞行物等。 随
14、着全球太空资源开发热潮的进一步高涨和未来太空作战趋势的加剧，地球外层空间正逐 步变成新的军事斗争领地 1。在这种新的军事斗争形式中，空间目标监视系统起着基础性 和关键性作用。空间目标图像的获取主要是通过地基望远镜来实现的，由于大气湍流的存 在，地基成像系统的分辨率受到很大的限制。湍流引起大气折射率分布不均匀，导致光波 通过大气传输之后，波前发生畸变，会极大损害光学系统的成像质量和分辨率 2。 如何克服大气湍流的影响，在地面上获得接近望远镜衍射极限分辨率的图像，一直是 各国成像探测领域的重要研究课题。20世纪50年代初美国天文学家H.W.Babkock提出了对 大气湍流进行实时测量及动态补偿的思
15、想，这是自适应光学（Adaptive Optics，简称AO） 概念的首次提出。但由于光电探测和计算水平的限制，实用的自适应光学系统直至20世纪 70年代末才得以真正发展。早期的空间目标成像探测主要以事后处理技术为准，最主要的 就是斑点成像（Speckle Imaging）技术。斑点成像算法流程如图1.1所示，它通过对目标的 短曝光图像进行统计分析，得到目标图像傅里叶变换的理论估计，再对其进行傅里叶逆变 换，最后得到目标的高分辨率图像。斑点成像技术的信噪比较低，需要大量的短曝光图像 进行统计平均处理，比较适用于相对明亮的静止目标成像。随着自动控制技术和电子技术 等的发展，自适应光学技术逐渐成熟
16、，目前已成为地基空间目标探测的主要技术。它是在 望远镜上加装波前传感器、波前处理器、波前校正器等器件，以测量到达望远镜口径上的 波前畸变并对其进行实时校正，从而使光学系统具有接近衍射极限分辨率的成像能力。其 系统结构示意图如图1.2所示，波前传感器测得受大气湍流影响的目标光波波前信息，波前 处理器对波前传感器的测量结果处理后得到波前畸变信息，并对变形镜输出相应的控制信 号来校正波前畸变，最终在上述闭环回路的控制下获得清晰的目标图像。 记录记录N幅短曝光图像幅短曝光图像得到目标的功率谱得到目标的功率谱 对目标功率谱解卷积对目标功率谱解卷积 计算模的平方并合并计算模的平方并合并 复原目标傅里叶谱复原目标傅里叶谱 重复重复N次次 空间目标 大气湍流 空间目标 大气湍流 空间目标 大气湍流 空间目标 大气湍流 变形镜变形镜 波前传感器波前传感器波前处理器波前处理器 像质传感器像质传感器分束镜分束镜 图 1. 1 斑点成像技术的算法流程示意图 图 1. 2 自适应光学系统的结构示意图 国防科学技术大学研究生院学位论文 第 2 页 除地基观测系统以外，
