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基于相位差异法的图像复原技术研究

作　者: 汪宗洋
导　师: 王建立
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械电子工程
关键词: 大气湍流波前畸变相位差异相位差异散斑图像复原
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 38次
引　用: 1次
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内容摘要

大气湍流和光学成像系统像差引起的波前相位畸变严重制约着地基大口径光电望远镜的成像分辨率,使其无法获得接近衍射极限的理想图像。同时,望远镜的成像分辨率也不会随着口径的增大而提高,从而限制了地基成像望远镜的探测能力。因此,发展具有抗波前相位畸变能力的天文望远镜是当前的首要任务。相位差异法正是针对波前相位畸变发展起来的图像复原方法,它利用成像系统焦面和离焦面通道图像存在的固定离焦相位差作为先验信息,通过多通道同时采集到的单帧或者多帧短曝光图像,联合估算波前相位畸变和恢复目标图像。具有解算非连续波前、检测高阶像差以及恢复扩展目标等诸多优点,是当前自适应光学图像复原关键技术之一。本文结合实验对相位差异算法进行了误差分析,提出了将泽尼克多项式倾斜项作为配准参数进行多通道图像自动配准的方法。在室内搭建了反射式相位差异实验平台,结合夏克哈特曼波前探测器设计了单相机高分辨率成像和相位估计对比实验,通过定量移动高精密平移台获得焦面和离焦面图像,并将解算的波前面形与夏克哈特曼波前探测器实测的波前面形进行对比,验证了相位差异法提高图像分辨率和正确解算波前相位的能力。实验结果表明,估算的波前相位面形和夏克哈特曼实测面形趋势有较好的一致性,恢复后图像分辨率提高了12%。在此基础上,完成了双相机相位差异散斑实验,多帧多通道实验恢复效果明显。因此,相位差异方法是大口径光电成像系统较为理想的图像恢复技术之一。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-17
  1.1 引言  12-13
  1.2 国内外研究概况  13-16
    1.2.1 自适应光学图像复原技术研究概况  13-15
    1.2.2 相位差异法研究概况  15-16
  1.3 论文主要研究内容  16-17
第2章数学理论基础  17-30
  2.1 引言  17
  2.2 大气湍流理论  17-21
    2.2.1 湍流现象  17-18
    2.2.2 折射率空间结构函数  18-19
    2.2.3 折射率空间结构常数  19
    2.2.4 大气相干长度  19-21
  2.3 图像复原中的病态特性  21-24
    2.3.1 问题概述  21-22
    2.3.2 病态性问题  22-23
    2.3.3 奇异性和单一性  23-24
  2.4 数值优化方法  24-28
    2.4.1 无约束优化问题  24-25
    2.4.2 有限内存的BFGS 方法  25-27
    2.4.3 线性搜索准则  27-28
  2.5 本章小结  28-30
第3章 PD 算法基本原理  30-40
  3.1 引言  30-31
  3.2 成像系统模型  31-36
    3.2.1 线性空不变成像系统  31-32
    3.2.2 相干和非相干成像系统  32-34
    3.2.3 Zernike 多项式  34-36
  3.3 噪声模型  36-37
  3.4 评价函数  37-39
  3.5 本章小结  39-40
第4章 PD 算法误差分析  40-54
  4.1 引言  40
  4.2 病态性研究  40-45
    4.2.1 产生原因  40-41
    4.2.2 正则化技术  41-42
    4.2.3 改进的评价函数  42-43
    4.2.4 正则项系数选择  43-45
  4.3 相机噪声差异分析  45-47
    4.3.1 产生原因  45-46
    4.3.2 噪声差异修正  46-47
  4.4 图像配准误差分析  47-51
    4.4.1 产生原因  47-48
    4.4.2 倾斜项配准参数  48-50
    4.4.3 实验结果对比  50-51
  4.5 离焦量误差克服  51-53
    4.5.1 产生原因  51-52
    4.5.2 离焦量误差修正  52-53
  4.6 本章小结  53-54
第5章实验设计与分析  54-67
  5.1 引言  54
  5.2 系统软硬件组成  54-58
    5.2.1 软件结构设计  54-55
    5.2.2 实验系统组成  55-58
  5.3 单相机PD 实验  58-63
    5.3.1 系统结构及参数  58-59
    5.3.2 实验结果及分析  59-63
  5.4 双相机PDS 实验  63-66
    5.4.1 系统结构及参数  63-64
    5.4.2 实验结果及分析  64-66
  5.5 本章小结  66-67
第6章总结和展望  67-70
  6.1 课题总结  67
  6.2 有待进一步解决与研究的问题  67-70
参考文献  70-74
在学期间学术成果情况  74-75
指导教师及作者简介  75-76
致谢  76

基于相位差异法的图像复原技术研究

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