基于波前编码的高质量近衍射极限光学遥感成像技术研究

The bad in-orbit imaging conditions including the atmosphere turbulence, deviation of optical system and defocus of camera, will reduce the imaging system's MTF and degrade satellite images. And thus in-orbit satellite images are very blurred, and contain less textures and edges, and can't be fully used. In the research, the wavefront coding technique is explored to eliminate the degradation of the optical remote sensing imaging system's MTF, improve the satellite image quality, and fully exploit the satellite images. The optical remote sensing imaging system based on wavefront coding technique, we proposed the phase mask which can enhance the optical remote sensing imaging system's MTF. The phase mask parameters are optimized to meet the high imaging quality. According to the investigation of the decoding algorithms, we proposed image restoration algorithm which can obtain the diffraction-limit MTF. Finally, the overall validation scheme is presented and the principle imaging platform is built. The imaging quality of optical remote sensing imaging system is verified on the platform. This study can also provide the theoretical basis and guidelines for improving the optical satellite image quality, and imaging quality of the satellite-earth detection system and the proximity space-to-ground detection system.

恶劣的在轨成像环境，包括大气扰动、光学系统失调和相机的离焦等，会降低成像系统传递函数(MTF)，造成图像的退化，表现为图像模糊、分辨能力差、细节能力不强，严重影响了图像数据的有效应用。本研究旨在通过波前编码技术，消除光学遥感成像系统MTF下降引起的图像退化，提高遥感图像质量，充分发挥获取图像的应用效能。通过对基于波前编码技术的光学遥感成像系统的机理研究，提出适合于改善光学遥感成像系统MTF的相位掩模板，在此基础上对相位掩模板参数实现最优化设计；通过对解码算法的研究，提出可获得衍射极限MTF的图像复原算法；最后，搭建原理性实验平台，对波前编码技术改善光学遥感成像系统成像质量的理论进行实验验证。该课题的研究成果将为提高光学遥感图像像质提供理论基础和指导方法，也可用于提高星地探测光电系统和近空间高速飞行器光电对地成像系统的成像质量。

本项目为国家自然科学基金青年基金项目，题为“基于波前编码的高质量近衍射极限光学遥感成像技术研究”，资助金额为27万元，项目起止时间为2013年01月至2015年12月。. 项目研究以改善在轨遥感光学系统成像质量为背景，通过波前编码技术来校正由大气扰动、相机的离焦和卫星平台扰动等引起的光学系统成像质量退化，以获得高质量、高稳定性的遥感图像输出。主要开展：（1）波前编码系统初级像差敏感性；（2）波前编码技术大气湍流抑制效果研究；（3）相位板相位函数的设计及优化；（4）解码过程图像复原算法研究；（5）波前编码遥感成像系统实验研究。. 研究发现：.（1）波前编码技术对初级球差、慧差和像散有一定的抑制左右，但会在一定程度上引起系统成像特性一致性的变化；.（2）波前编码技术对弱小湍流有一定的抑制作用；.（3）PTF（相位传递函数）是引起解码图像产生伪像的原因，通过对二次相位板进行分析，发现二次相位板较三次相位掩膜板PTF变化更为剧烈，解码图像引入的伪像效应更为明显，因此，三次相位板在伪像抑制方面有一定的优势； .（4）通过对已有相位函数的分析，相继提出了5种相位模板来提升波前编码成像系统性能，包括正切相位板、均方根相位板（2种），非旋转对称共轭相位板和旋转对称相位模板。这些相位模板的产生离焦不变特性或抑制伪像方面，均具有一定的优势；.（5）利用非旋转对称共轭相位掩膜板并联合建立的解码算法，实现了波前编码系统的伪像抑制。. 研究波前编码系统对波前像差的敏感性、相位板设计方法和相位函数的设计增强了波前编码技术的理论基础，可对波前编码技术的广泛应用奠定基础。波前编码系统的伪像相关研究可为如何选择相位掩膜板和如何抑制伪像等相关研究方向发挥作用。研究的大气湍流敏感性可为遥感成像光学系统的设计增添新的手段，对于遥感成像系统的发展具有深远的理论意义。