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1、国防科学技术大学 硕士学位论文 傅里叶望远术的理论和实验研究 姓名：陈卫 申请学位级别：硕士 专业：物理学 指导教师：何焰蓝；黎全 2010-11 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘 要 傅里叶望远术(Fourier telescopy， FT)是一种主要针对于远距离暗弱目标的高分 辨率光学干涉成像技术，是未来高分辨成像技术研究的重要方向之一，具有广阔 的应用前景。本文主要在以下几个方面进行了研究分析： 首先从理论上详细推导了傅里叶望远术的成像原理，包括如何将目标空间信 息调制成回波的时间信息，以及回波时序信号的解调过程。还结合“T”型发射阵 列结构的特点，对消除大气湍流相位畸变的相位闭
2、合技术做了深入细致的阐释。 然后通过数值仿真的形式对其成像过程进行了模拟，并且分析了一些关键因 素的影响，特别是对克服大气湍流的机制做了详细分析和数值模拟实现。模拟结 果显示，当发射孔径为 10cm 左右时，在折射率结构常数 213 10Cnm 2 3 的湍流条 件下有较好的成像效果。 同时，提出了一种基于全相位傅里叶变换的图像重构方法。与传统的傅里叶 望远术数据处理方法相比，其不需要对信号频率做精确估计，从而避免了频率误 差带来的影响，这对于实现低轨道快速运动目标成像以及在一定程度上消除移频 器的移频误差和大气湍流的活塞抖动效应是非常有利的。 最后，通过独立设计实验方案，采用发散光干涉在实验
3、室内实现了傅里叶望 远术对一维和二维目标的重构。实验方案较好的模拟了T型阵列，有利于在外 场条件还不成熟的情况下研究发射结构；同时采用发散光干涉还保证了光斑的有 效重合，最大程度的利用了光斑能量，有利于提高信号的信噪比，有利于光束对 目标的瞄准和进一步减小湍流畸变，为外场系统的实验设计提供了参考。 关键词：傅里叶望远术 相位闭合 合成孔径 大气湍流 全相位傅里叶变换 第 I 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ABSTRSCT Fourier telescopy(FT for short) is an optical interference high-resolution imagin
4、g method mainly for remote and very dim targets, and as an important research direction in high-resolution imaging technology in the future, FT has broad application prospects. In this paper, several aspects both in theory and experiment have been researched and analyzed as follows: Firstly, the ima
5、ging principle of FT was deduced in detail, including how to modulate the target spatial spectrum information into the time-history signal, and how to demodulate the signal. Also with the characteristics of T-figurative configuration, the phase-closure algorithm on eliminating atmospheric phase dist
6、ortion was clearly elaborated. Then the imaging process and a number of key factors were analyzed and simulated, particularly, on the mechanism of how to overcome the atmospheric turbulence. The simulation results show that when the transmitter aperture is at the size of about 10cm, high quality ima
7、ge could be reconstructed at the atmospheric turbulence condition of 213 10Cnm 2 3 . At the same time, a new approach of processing the signal based on the all-phase Fourier transform for object reconstruction has been devised. Compared with the traditional approach, this method can avoid frequency
8、errors of the reflected signal. So, it is of great advantage to applying FT to fast-moving targets, and to eliminating the piston jitter of atmospheric aberrations and the spectrum-shift error of acoustic-optic modulators, all of which lead to the frequency errors of signal. Finally, an experimental
9、 scheme based on diverging light has been put forward to verify the feasibility of this imaging technology and both of one and two-dimension objects have been reconstructed successfully in laboratory. Besides, there are several useful references for building fields FT system which could be offered b
10、y this scheme. Firstly, it simulated the T-figurative configuration properly, which is helpful to study the field transmitter array while the fields requirement is not mature. Secondly, the scheme is based on diverging light to illuminate the target. As consequences, on one hand, not only does it ap
11、proach the practical situation, but also it makes the laser faculae overlap together on targets surface all the time, which is good at improving the signal-to-noise level of the reflected signal because the energy of the light was used at utmost. And on the other hand, it will be referential to aim
12、the target and to avoid the atmospheric turbulence further more in fields system design. Key Words: Fourier Telescopy; phase closure; synthetic aperture; atmospheric turbulence; all-phase Fourier transform 第 II 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 iii 页 图 目 录 图 1.1 傅里叶望远术原理示意图3 图 1.2 FT的显微应用4 图 1.3 运动目标速度测量 .5 图
13、1.4 GLINT系统 6 图 1.5 SAINT系统构想图.7 图 1.6 新闭合相位的Bridging结构 7 图 1.7 SAINT系统发射阵列结构.8 图 2.1 条纹形成示意图 11 图 2.2 一种典型的FT回波信号处理流程.14 图 2.3 不同方向扫描时光束的位置.16 图 2.4 相位闭合 .16 图 3.1 物体基元图像 .20 图 3.2 不同条纹频率扫描时的响应曲线20 图 3.3 时间扫描的回波信号 .21 图 3.4 “T”型发射阵列结构与其对应的频谱面.22 图 3.5 一维目标的数值模拟重构图像23 图 3.6 二维目标的数值模拟重构图像23 图 3.7 频谱岛
14、 .25 图 3.8 在Nyquist间隔下的图像重构.26 图 3.9 不同采样间隔下的图像对比27 图 3. 10 在不同湍流强度下的模拟相位屏30 图 3.11 湍流分割31 图 3.12 补零操作 .33 图 3.13 相位屏扩展效果 .34 图 3.14 图像质量随大气湍流强度变化曲线34 图 3.15 在不同湍流强度下的重构图像35 图 3.16 孔径矩阵 .35 图 4.1 全相位FFT谱分析.39 图 4.2 传统FFT谱分析.40 图 4.3 全相位FFT和传统FFT的相位谱比较42 图 4.4 数据处理流程图 .43 图 4.5 全相位时移相位差频谱校正法.44 图 4.6
15、 全相位FFT和传统FFT计算的闭合相位比较46 图 4.7 主谱线位置偏差 .47 图 4.17 存在频率误差时重构图像对比.48 图 4.18 重构图像质量与信号峰值信噪比关系曲线.49 图 5.1 实验方案设计图 .51 图 5.2 实验系统实物照片 .52 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 iv 页 图 5.3 准直系统与发散系统对比52 图 5.4 准直光干涉面积随夹角改变而变化53 图 5.5 光束经BS3 后的传播示意图.54 图 5.6 模拟的T型阵列54 图 5.7 控制软件操作界面 .56 图 5.8 控制流程图 .57 图 5.9 实验中的干涉条纹场 .59 图
16、5.10 旋转台旋转步数与干涉条纹场频率关系 .59 图 5.11 实验一维和二维目标60 图 5.12 孔径位置标示 .61 图 5.13 实验中的回波信号 .61 图 5.14 实验重构图像 .62 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 v 页 表 目 录 表 2.1 多束光情况下移频量的确定13 表 3.1 湍流分割后的相对相位起伏31 表 3.2 两种相位屏扩展方法的结果对比33 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 研究背景和意义研究背景和意义 视觉的观察是人类最直观的感受，因此扩展可视领域、提高视觉质量的技术 一直在不断追求。一般光学成像系统波长为微米量级，所以传统光学成像系统角 分辨率可达 10-610-5rad，已经可以满足许多常规应用的需要，但是对距离数十至 数万公里，如导弹、卫星和空间飞行器等目标，一方面根据瑞利判据，望远镜的 角分辨本领与孔径直径的倒数成正比，由于这些目标距离遥远，要得到较高分辨 率的图像必须极大地增大望远镜孔径。但是另一方面，由于大气湍流的影响，即 使在最好的观测地点，地
