[發(fā)明專利]一種高分辨率大視場(chǎng)空間光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110321731.6
• 申請(qǐng)日: 2021-03-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113219650B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐婧;蘇云;俞越;焦建超;呂紅;韓瀟;王超;葛婧菁;張牧堯;邵曉鵬;席特立;魏士杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京空間機(jī)電研究所
• 主分類號(hào): G02B27/00
• 分類號(hào): G02B27/00;G06T5/00
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張曉飛

一種高分辨率大視場(chǎng)空間光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)方法，首先以高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)一致性為光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到各視場(chǎng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)近似一致的光學(xué)系統(tǒng)，清晰景物圖像通過(guò)設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)得到視場(chǎng)內(nèi)均勻模糊的中間圖像，通過(guò)計(jì)算復(fù)原的方法，提高全視場(chǎng)內(nèi)圖像像質(zhì)。由于將高分辨率大視場(chǎng)空間光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)難度分為硬件和軟件實(shí)現(xiàn)兩部分，降低了硬件的加工制造難度，使得在現(xiàn)有的加工方法下可以實(shí)現(xiàn)更高分辨率及更大視場(chǎng)的光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)制造。由于采用了以各視場(chǎng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)一致性為光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，提高了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)邊緣視場(chǎng)的信息收集能力，降低了圖像復(fù)原的難度，提高了圖像復(fù)原的質(zhì)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高分辨率大視場(chǎng)空間光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)方法，可應(yīng)用于我國(guó)高分辨率大視場(chǎng)空間光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高分辨率及更大視場(chǎng)的空間光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)

高分辨率大視場(chǎng)成像是航天光學(xué)遙感器面臨的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段難以兼得，其根本原因是：受限于光學(xué)元件的材料，高分辨率遙感器一般采用反射式光學(xué)系統(tǒng)。反射式光學(xué)系統(tǒng)的像差校正能力有限，軸外像差校正能力差。常見(jiàn)的增大遙感器視場(chǎng)的方法包括采用多鏡頭視場(chǎng)拼接方式、掃描鏡/衛(wèi)星擺掃方式、自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)方式。多鏡頭視場(chǎng)拼接方式，利用多臺(tái)具有較小視場(chǎng)的遙感器拼接，用以增大視場(chǎng)。但是需要多臺(tái)遙感器，增大載荷的重量、功耗，多臺(tái)遙感器直接的一致性極難保證，后續(xù)圖像存在缺陷。掃描鏡/衛(wèi)星擺掃方式，利用在軌調(diào)整相機(jī)光軸指向，來(lái)增大對(duì)地幅寬，但是運(yùn)動(dòng)會(huì)降低系統(tǒng)可靠性，對(duì)不同區(qū)域目標(biāo)需要分時(shí)探測(cè)，使得對(duì)于時(shí)敏目標(biāo)的探測(cè)能力大幅降低。自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)方式，采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，提升軸外像差平衡能力，從而顯著改善了光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)適應(yīng)能力，但是，自由曲面設(shè)計(jì)表征難度大，計(jì)算繁復(fù)，耗時(shí)長(zhǎng)，加工、測(cè)試、裝調(diào)難度大。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算被引入到成像中，通過(guò)計(jì)算降低硬件設(shè)計(jì)的難度，是解決高分辨率與大視場(chǎng)矛盾的一種有效途徑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種高分辨率大視場(chǎng)空間光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)方法，解決高分辨率大視場(chǎng)航天光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)中高分辨率與大視場(chǎng)難以兼得的難題，引入計(jì)算成像的思想，采用光學(xué)系統(tǒng)“硬件”設(shè)計(jì)結(jié)合算法“軟件”復(fù)原的思想，降低光學(xué)設(shè)計(jì)難度，以實(shí)現(xiàn)更高分辨率及更大視場(chǎng)的空間光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種高分辨率大視場(chǎng)空間光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)以各視場(chǎng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)一致性為優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，

2)利用設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，得到各視場(chǎng)均勻模糊的中間圖像；

3)對(duì)各視場(chǎng)均勻模糊的中間圖像進(jìn)行圖像復(fù)原，得到高像質(zhì)的清晰圖像。

所述步驟1)中設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方法為：首先按照常規(guī)光學(xué)設(shè)計(jì)方法以像質(zhì)最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)具有實(shí)出瞳的光學(xué)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)好的光學(xué)系統(tǒng)中，在光學(xué)系統(tǒng)的出瞳面位置添加自由曲面，將自由曲面的澤尼克系數(shù)設(shè)置為優(yōu)化變量，以衍射圈入能量?jī)?yōu)化操作數(shù)控制點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)形狀，以高斯函數(shù)作為優(yōu)化的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)形狀，通過(guò)優(yōu)化各個(gè)視場(chǎng)像面x方向能量分布、y方向能量分布和衍射圈入能量，來(lái)達(dá)到控制光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)形狀的目的；將各視場(chǎng)的衍射圈入能量?jī)?yōu)化操作數(shù)設(shè)置為同一優(yōu)化數(shù)值，保證各視場(chǎng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的一致性，進(jìn)行優(yōu)化得到設(shè)計(jì)好的光學(xué)系統(tǒng)。

所述步驟2)中，若光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)加工投產(chǎn)完畢，則用系統(tǒng)直接拍攝采集圖像，若系統(tǒng)處于仿真驗(yàn)證階段，可以采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行系統(tǒng)圖像仿真，或采用各視場(chǎng)分塊卷積拼接生成各視場(chǎng)均勻模糊的仿真中間圖像。

所述步驟3)中圖像復(fù)原方法，具體采用分塊解卷積或采用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的方法。

當(dāng)采用分塊解卷積時(shí)，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各視場(chǎng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)形狀的差異，選擇分塊區(qū)域大小，保證在同一區(qū)域點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)差異在允許范圍內(nèi)，若全視場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)差異都很小，則對(duì)整幅圖像采用同一點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行復(fù)原。