基于矢量衍射理论的薄膜衍射光学成像仿真及分析

论文摘要

随着高轨光学信息获取对高时空分辨率遥感图像的需求不断提高,迫切需要空间光学载荷同时具有大口径、轻质化、快速制造、可快速折叠/展开和低成本等特点,基于薄膜材料的薄膜衍射光学系统已成为未来超大口径光学载荷的重要技术实现方案。但是由于衍射成像原理与柔性薄膜材料特性、复杂在轨环境相耦合,相较于传统的折射、反射式光学系统,薄膜衍射光学系统的图像质量退化更加严重,其成像振幅调制传递函数和信噪比均较低、衍射效率空间分布变化特性复杂,而且宽谱段成像时色差较大,难以达到实际空间应用的需求,因此针对薄膜衍射光学系统图像开展图像反演恢复是薄膜衍射光学系统空间应用的必要环节。而遥感图像的反演恢复过程需要系统退化特性作为反演依据,相关图像复原算法也需要图像退化特性作为输入。目前关于薄膜衍射光学系统成像特性的研究少见报道。针对该问题,本文基于严格电磁理论开展空间薄膜衍射光学系统图像质量退化建模与特性分析方法研究,并进行相应的实验验证。主要研究工作如下:(1)基于标量衍射理论的衍射光学元件成像特性分析。与传统的折射、反射式光学元件相比,衍射光学元件的色散大,且衍射效率存在空变特性,造成成像结果较差。针对该问题,本文从衍射光学元件成像机制出发,分析了衍射光学元件的成像特性,建立了衍射光学元件的衍射效率表征模型。从标量理论出发,分析了衍射光学系统的MTF与衍射效率的关系,提出了衍射光学系统光学传递函数分析方法。(2)基于矢量衍射理论的衍射光学系统成像特性分析方法。在可见光波段,超大口径高分辨率薄膜衍射光学系统在轨成像的应用场景下,衍射光学元件的微结构尺寸达到亚波长量级,此时基于标量衍射理论的成像特性分析方法可能产生误差。针对该问题,本文进一步基于严格的电磁理论,开展了基于矢量衍射理论的衍射光学系统成像特性分析方法研究。仍以衍射效率作为衍射光学系统成像特性的表征参数,提出了融入严格电磁场分量耦合条件的衍射效率分析模型和计算方法,该模型可更加精确地分析不同口径、谱段和视场条件下的衍射光学系统成像特性。(3)衍射光学系统成像特性的快速分析方法。基于矢量衍射理论的衍射光学系统成像特性的分析过程中,需要对衍射光学元件所在空间进行大量采样进行电磁场分量更新计算,因此运算数据量大,导致分析效率低,难以实现矢量衍射理论分析方法的实际工程应用。针对该问题,本文基于空间降维方法对衍射光学元件的微结构分布进行建模表征,降低矢量衍射理论分析维度。同时考虑GPU在大数据量并行运算时的优良性能,建立了基于GPU计算架构的衍射效率分析模型,并提出了数据矢量化加速策略,将串行运算数据流转换为并行运算数据流,矢量化后的并行数据流在GPU计算架构上有更高的计算效率,从而实现衍射光学系统成像特性的快速分析。(4)空间薄膜衍射光学系统在轨成像特性分析。立足于光学遥感成像链路,分析了影响图像质量的链路环节要素并分别进行了表征建模。考虑在轨力、热环境的变化,构造薄膜衍射主镜厚度分布函数对在轨力、热环境与薄膜材料耦合特性进行建模表征,在此基础上结合衍射光学系统成像特性的快速分析方法,建立了空间薄膜衍射光学系统在轨成像特性分析方法。针对某实际空间薄膜衍射光学系统开展成像仿真实验,验证空间薄膜衍射光学系统在轨成像特性分析模型与方法的正确性。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李允

导师: 张伟

关键词: 空间薄膜衍射成像,矢量衍射理论,衍射效率,退化特性,矢量化加速

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,物理学,工业通用技术及设备,自动化技术

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O436.1;O441;TP751

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.003481

总页数: 80

文件大小: 4017K

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