湍流实时改正的高分辨率成像关键技术研究

The performance of optical-infrared telescope is strongly affected by atmospheric optical turbulence, and astronomers pursue all the time high-resolution imaging. This project for the first time proposes to achieve high-resolution image of astronomical objects and space targets using Single Star Scidar profiles, based on the technology breakthrough of turbulence profile measurements and real-time correction. The Single Star Scidar can obtain real-time atmospheric turbulence profiles, which greatly enhance the accuracy of MTF estimation and the clarity of image restoration. The main research work includes the system establishment of turbulence simulator and target imaging in laboratory, the technology of atmospheric turbulence profile real-time measurements, the restoration algorithm of extended Wiener filtering with turbulence profiles, the sub-pixel registration study with the multi-frame image, the multi-frame reconstruction of the target image based on the turbulence profiles, and the system establishment for object observations. This project is the cutting-edge technology and innovation within multidisciplinary fields of the astronomical observations, atmospheric optics, and digital image processing. The development of high-resolution imaging techniques will service not only the astronomical observations of faint celestial bodies, but also the space targets detection and identification, precise positioning, shape analysis, work status assessment, etc.

大气光学湍流直接影响光学红外望远镜的观测性能，获得高清晰的天体图像是天文学家不断追求的目标。本项目基于观测现场湍流廓线测量与实时改正技术的突破，首次提出利用单星Scidar湍流廓线数据，实现对天文与空间目标探测的高分辨率成像。单星Scidar可获取实时大气湍流的廓线信息，将大幅提高MTF的估计精度和观测目标恢复图像的清晰度。主要研究工作包括大气湍流模拟装置及目标成像实验室系统建立、湍流廓线实时测量技术研究、利用湍流信息的扩展Wiener滤波复原算法研究、多帧图像之间的亚像素配准研究、基于湍流廓线信息的目标图像多帧重建、实用目标观测系统的建立等。本项目属于天文观测、大气光学、数字图像处理等多学科交叉领域的前沿技术创新，发展高分辨率成像技术不仅可为暗弱天体目标的天文观测服务，对于空间目标探测与识别、精确定位、形态分析、工作状态评估等领域的迫切技术需求也具有重要应用价值。

本项目是基于大气光学湍流廓线探测技术和光学红外观测图像后处理方法研究的基础上，提出的基于湍流先验信息进行图像复原的创新方法。利用获得的光学湍流廓线数据，首次实现基于湍流廓线先验知识的图像复原，实现了天文与空间目标探测的高分辨率成像。主要研究工作包括大气湍流模拟装置及目标成像实验室系统建立、湍流廓线实时测量技术研究、利用湍流信息的扩展Wiener滤波复原算法研究、多帧图像之间的亚像素配准研究、 基于湍流廓线信息的目标图像多帧重建、实用目标观测系统的建立等。项目完成了大气光学湍流探测样机系统研制改造、空间目标实验室成像装置、空间目标外场观测设备、湍流退化成像复原技术等研究任务，其中大气光学湍流廓线探测原理样机应用于中国科学院安徽光机所的条保项目中，湍流退化图像的图像复原技术应用于国家航天局空间碎片监测与应用中心的相关任务。研究结果中的大气光学湍流廓线探测可以为自适应光学设计、定向能外光路校正等提供必要的参数；结合湍流测量参数进行的图像复原方法，可以为空间目标在自适应光学不易实现的晨昏线观测提高成像观测质量，特别是在没有自适应光学装备的望远镜上发挥重要效力；根据发展的湍流计算模型，使历史观测图像也具备了大幅提高成像质量的潜力。