樊學(xué)武 趙 惠 易紅偉

（中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119）

1 引言

高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度和多層次地表空間信息獲取的主要途徑，也是一個(gè)國(guó)家掌握資源分布情況、實(shí)施環(huán)境監(jiān)測(cè)與軍事偵察等一系列重大活動(dòng)的現(xiàn)代戰(zhàn)略高技術(shù)手段，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防安全具有重要作用，已成為世界各國(guó)大力發(fā)展和激烈競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)領(lǐng)域。

空間光學(xué)遙感器是實(shí)現(xiàn)高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)的重要工具。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)投入大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行高分辨率光學(xué)遙感器的研發(fā)，并且取得了許多重大成果。在軌運(yùn)行的對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星空間分辨率平均每10年就提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，其中，美國(guó)KH-12所搭載的光學(xué)相機(jī)其地元分辨率已經(jīng)達(dá)到了0.1m，代表著當(dāng)今光學(xué)遙感器分辨率的最高水平。然而，隨著分辨率的日益提高，在以往推掃成像過(guò)程中被忽視的問(wèn)題會(huì)變得越來(lái)越明顯，如平臺(tái)顫振引起焦平面像移和光軸抖動(dòng)，以及口徑增大或拼接主鏡使光機(jī)結(jié)構(gòu)更易受到干擾而導(dǎo)致系統(tǒng)波前畸變等。

因此，為了在進(jìn)一步提高分辨率成像的同時(shí)也能獲得良好的成像品質(zhì)，須將衛(wèi)星平臺(tái)特性研究、光學(xué)成像理論以及圖像處理結(jié)合起來(lái)，采用降質(zhì)參數(shù)反演—主動(dòng)控制或被動(dòng)抑制—復(fù)原濾波這樣一個(gè)技術(shù)路線(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)高分辨率、高穩(wěn)定度成像、高成像品質(zhì)獲取等更高的要求。

2 在軌成像降質(zhì)因素分析

2.1 平臺(tái)顫振導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)模糊和離焦模糊

引起衛(wèi)星平臺(tái)顫振的因素很多，大體可以分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)兩大類(lèi)[1-5]：

（1）內(nèi)部擾動(dòng)

內(nèi)部擾動(dòng)因素主要包括：1）飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)不平衡；2）制冷器工作時(shí)活塞膨脹和壓縮過(guò)程的不平衡；3）高頻擺鏡對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的力矩；4）推進(jìn)劑和制冷劑噴濺所引起的不平衡；5）各種振動(dòng)噪聲，如推進(jìn)器運(yùn)作噪聲、高增益天線(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)噪聲及太陽(yáng)能電池陣列驅(qū)動(dòng)噪聲等產(chǎn)生的影響。

（2）外部擾動(dòng)

外部擾動(dòng)因素包括：1）太陽(yáng)翼的反應(yīng)力矩變化；2）微小隕石的碰撞；3）太陽(yáng)輻射壓力；4）天體對(duì)平臺(tái)所產(chǎn)生的引力變化；5）因溫度變化而產(chǎn)生的微弱剛性形變等。

事實(shí)上，除了以上的大致分類(lèi)之外，還有很多因素都可以導(dǎo)致衛(wèi)星平臺(tái)的顫振，如衛(wèi)星的回轉(zhuǎn)、變軌等運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，大量可展開(kāi)組件、可膨脹組件的使用使得衛(wèi)星平臺(tái)上的振動(dòng)特性更加復(fù)雜和特殊，例如：顫振的衰減過(guò)程變慢、顫振的不可預(yù)測(cè)性增強(qiáng)及顫振的頻譜密度增高等。

此外，平臺(tái)輕量化技術(shù)的逐步使用可以顯著降低衛(wèi)星平臺(tái)的質(zhì)量，然而已有的研究表明，振動(dòng)強(qiáng)度與平臺(tái)的質(zhì)量成反比，即平臺(tái)質(zhì)量越小，振動(dòng)所產(chǎn)生的影響就會(huì)更大。此外，載荷種類(lèi)越多，振動(dòng)越大。同時(shí)，多載荷導(dǎo)致平臺(tái)質(zhì)量的不均勻分布也會(huì)使衛(wèi)星平臺(tái)的振動(dòng)顯著增大。

當(dāng)前，高分辨率空間光學(xué)相機(jī)普遍采用TDICCD 推掃成像方式，其正常工作的前提是光生電荷包的轉(zhuǎn)移必須與焦平面上圖像的運(yùn)動(dòng)保持同步，任何的誤匹配都將導(dǎo)致像質(zhì)退化，甚至無(wú)法成像。然而，上述的高低頻顫振會(huì)在積分成像過(guò)程中產(chǎn)生非正常像移，進(jìn)而引起運(yùn)動(dòng)模糊。此外，如果顫振沿光軸方向也存在相應(yīng)的分量，那么也極有可能引起焦面縱向偏移而產(chǎn)生離焦模糊，如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)模糊（左）與離焦模糊（右）示意Fig.1 Demonstration of motion blur and defocus blurr

2.2 光機(jī)結(jié)構(gòu)在軌狀態(tài)變化導(dǎo)致波前畸變

更高的空間分辨率可以通過(guò)減小成像器件像元尺寸、降低光學(xué)遙感器軌道高度或者增大光學(xué)系統(tǒng)焦距的方法予以實(shí)現(xiàn)。像元的物理尺寸受工藝水平和器件引進(jìn)的限制，不能任意減小；降低軌道高度，即進(jìn)行變軌成像不但會(huì)減小地面的覆蓋幅寬，而且會(huì)縮短衛(wèi)星平臺(tái)的壽命。所以，當(dāng)軌道高度一定的情況下，增大光學(xué)系統(tǒng)焦距是提升分辨率的合理選擇。然而，為了保證圖像具有足夠的信噪比用以目標(biāo)識(shí)別，相應(yīng)的系統(tǒng)口徑也必須增大，如圖2所示[6]。

圖2 空間望遠(yuǎn)鏡口徑變化發(fā)展趨勢(shì)Fig.2 Development trend of space camera aperture

目前，最先進(jìn)的KH-12 以及哈勃太空望遠(yuǎn)鏡HST，其主鏡尺寸都已經(jīng)達(dá)到了2.4m，接近美國(guó)空間運(yùn)載能力的極限。盡管如此，發(fā)展大口徑光學(xué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的最直接手段，對(duì)于高分辨率的不斷追求將使天基光學(xué)遙感器的口徑繼續(xù)保持增加的勢(shì)頭。

口徑的增大將引起系統(tǒng)質(zhì)量隨之增加，進(jìn)而引發(fā)制造成本提高、運(yùn)載能力不足等一系列的問(wèn)題，因此在短期內(nèi)不可能無(wú)限制增大。在這種情況下，拼接展開(kāi)就成為了一個(gè)非常有潛力的解決方案。獨(dú)立發(fā)射—在軌拼接，或者折疊發(fā)射—在軌展開(kāi)，均能夠?qū)崿F(xiàn)等效的單主鏡口徑增大的要求。然而，無(wú)論是單一增大系統(tǒng)口徑，還是采用拼接可展開(kāi)技術(shù)來(lái)等效獲取大口徑效果，都無(wú)法避免一個(gè)問(wèn)題，那就是系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)的在軌狀態(tài)將對(duì)內(nèi)外各種因素變得更加敏感。

舉例來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的沖擊、過(guò)載和振動(dòng)使光學(xué)零部件的形狀和間隔發(fā)生變化；成像系統(tǒng)熱環(huán)境變化使光學(xué)零件產(chǎn)生傾斜、平移、面型畸變等形變和位移；系統(tǒng)從重力環(huán)境變?yōu)槲⒅亓Νh(huán)境對(duì)面型性能的影響；光機(jī)結(jié)構(gòu)材料特性，如吸濕性、剛性等因素的改變，以及拼接展開(kāi)機(jī)構(gòu)中子鏡的控制精度不足等都將綜合地反應(yīng)到系統(tǒng)的波前像差中，使之偏離理想設(shè)計(jì)值，從而引起系統(tǒng)的波像差畸變，使之無(wú)法進(jìn)行衍射受限成像，降低了成像品質(zhì)，甚至不能成像。

3 主/被動(dòng)式提升在軌成像品質(zhì)

明確了引起成像品質(zhì)降低的因素之后，可以采用有針對(duì)性的方法予以抑制或消除。如上所述，隨著分辨率的日益提高，平臺(tái)高頻顫振以及相機(jī)波前畸變對(duì)成像品質(zhì)的影響將變得越來(lái)越大，必須納入到空間相機(jī)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中。根據(jù)研究，有兩大類(lèi)方法能夠用于提升相機(jī)的在軌成像品質(zhì)：一是主動(dòng)的方式，即在設(shè)計(jì)階段就考慮了各種可能導(dǎo)致成像品質(zhì)下降的情況，采用特殊的設(shè)計(jì)模式，使最終的成像品質(zhì)與這些因素?zé)o關(guān)；二是被動(dòng)的方式，即通過(guò)特定的手段實(shí)測(cè)得到引起成像品質(zhì)下降的各個(gè)參數(shù)，建立模型之后依靠硬件補(bǔ)償加軟件復(fù)原的方式提高成像品質(zhì)。

3.1 光數(shù)聯(lián)合設(shè)計(jì)提高成像的魯棒性[7]

傳統(tǒng)成像系統(tǒng)受到景深的限制，經(jīng)常會(huì)因離焦模糊而導(dǎo)致信息丟失。振動(dòng)、環(huán)境溫度的變化、重力環(huán)境的改變等均會(huì)引起焦平面的漂移；此外，離焦還與眾多像差，比如球差、慧差、色差、像散、場(chǎng)曲等有著緊密的聯(lián)系。因此擴(kuò)展成像系統(tǒng)的景深長(zhǎng)期以來(lái)都是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所關(guān)注的熱點(diǎn)，因?yàn)榫吧畹臄U(kuò)展就意味著成像系統(tǒng)對(duì)與離焦有關(guān)的因素不敏感，從而能夠大大提高相機(jī)工作的魯棒性，同時(shí)改善成像品質(zhì)?？臻g相機(jī)工作于一個(gè)復(fù)雜多變的環(huán)境中，從發(fā)射入軌到在軌運(yùn)行，隨著時(shí)間的推移，離焦很難避免，所以將景深擴(kuò)展技術(shù)引入到其設(shè)計(jì)當(dāng)中具有現(xiàn)實(shí)意義。

以波前編碼為代表的光數(shù)混合成像是景深擴(kuò)展領(lǐng)域的里程碑。將一塊經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的相位掩膜板加載到成像系統(tǒng)的孔徑平面上，成像系統(tǒng)就會(huì)對(duì)離焦以及引起離焦的各種因素不敏感，如圖3所示。然而，該系統(tǒng)所獲得的圖像是編碼后的中間模糊圖像，必須經(jīng)過(guò)濾波解碼才能獲得大景深清晰圖像，如圖4所示。

圖3 普通成像系統(tǒng)離焦光學(xué)傳遞函數(shù)（左）與波前編碼離焦光學(xué)傳遞函數(shù)（右）比較Fig.3 Defocused optical transfer function of conventional imaging system (left) and wavefront coding imaging system (right)

圖4 低景深圖像（左），編碼圖像（中）以及濾波解碼圖像（右）的比較Fig.4 Low depth of field image (left),wavefront coded image (middle) and restored image (right)

實(shí)施波前編碼技術(shù)的關(guān)鍵在于相位掩膜板的設(shè)計(jì)。從1995年波前編碼首次被提出以來(lái)，用來(lái)擴(kuò)展成像系統(tǒng)景深的相位板多種多樣，如經(jīng)典的三次方型、指數(shù)型、對(duì)數(shù)型、高次方型、正弦型、多項(xiàng)式型等等，圖5 給出了4 種典型相位板的相位函數(shù)分布。

圖5 4 種典型相位板的2D 相位分布Fig.5 2D phase profile of four typical phase masks

光數(shù)混合計(jì)算將傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)與圖像復(fù)原濾波進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，是一種功能強(qiáng)大、使用靈活的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法。簡(jiǎn)單地追求高品質(zhì)的光學(xué)設(shè)計(jì)會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容差變得非常緊，不但會(huì)導(dǎo)致地面裝調(diào)困難，而且難以保證發(fā)射入軌后長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行高品質(zhì)的成像。一旦焦平面的偏移量超出了補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍，那么系統(tǒng)的成像品質(zhì)將難以改善。波前編碼依靠濾波復(fù)原的強(qiáng)大能力，大大放寬了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)于光學(xué)遙感器的研制、發(fā)射及成本控制等都會(huì)帶來(lái)非常大的好處。目前，應(yīng)用波前編碼技術(shù)的一些構(gòu)想如圖6所示[8]，圖6 中給出了波前編碼技術(shù)在某些典型空間相機(jī)（RC 系統(tǒng)、離軸反射系統(tǒng)等）設(shè)計(jì)中的應(yīng)用形式。

圖6 波前編碼技術(shù)在典型空間相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用方式Fig.6 Application of wavefront coding technique in typical space cameras

波前編碼成像技術(shù)表現(xiàn)出兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。首先，傳統(tǒng)的研究往往以離焦不變?yōu)槌霭l(fā)點(diǎn)，之后再探討系統(tǒng)對(duì)其它像差的敏感程度，這樣所獲得的波前編碼系統(tǒng)并不是最優(yōu)的。事實(shí)上，離焦不變這樣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則完全可以移植到球差不變、慧差不變、色差不變等方面，通過(guò)定義相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，有意識(shí)地引導(dǎo)系統(tǒng)最優(yōu)化，即構(gòu)建對(duì)綜合波像差畸變不敏感的新型波前編碼系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)尤其適合空間相機(jī)的設(shè)計(jì)。其次，由于波前編碼系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)與傳統(tǒng)成像系統(tǒng)相比擴(kuò)展非常大，所以在傳感器物理尺寸不變的情況下，系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行更精細(xì)的描述。也就是說(shuō)，如果采用同樣規(guī)格的傳感器，那么波前編碼系統(tǒng)中由欠采樣導(dǎo)致的頻譜混疊會(huì)得到一定的抑制，從而為超分辨率重建創(chuàng)造了一定的條件。高性能、高密度傳感器受進(jìn)口的限制，阻礙了空間相機(jī)的設(shè)計(jì)。將波前編碼技術(shù)與空間相機(jī)設(shè)計(jì)整合起來(lái)，就可能在器件不變的情況下，通過(guò)特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)外加超分辨率復(fù)原達(dá)到分辨率提升的目的，具有極好的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 像移、波前畸變檢測(cè)結(jié)合復(fù)原濾波提升成像品質(zhì)

當(dāng)相機(jī)在軌運(yùn)行時(shí)，如果可以準(zhǔn)確地測(cè)量出引起成像品質(zhì)下降的因素，就可據(jù)此對(duì)退化過(guò)程進(jìn)行補(bǔ)償，以提升成像品質(zhì)。本文主要針對(duì)像移檢測(cè)和波前畸變檢測(cè)展開(kāi)論述。

3.2.1 基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)JTC 的像移檢測(cè)[9]

光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)JTC 利用光學(xué)傅里葉變換原理實(shí)現(xiàn)圖像的相關(guān)運(yùn)算，既具有速度高、容量大、可并行處理的特點(diǎn)，又具有靈活、精確、可編程的優(yōu)點(diǎn)，與基于序列圖像幀間處理的像移檢測(cè)算法相比，更適合空間相機(jī)這種高速推掃成像模式。JTC 基本原理如圖7所示。

圖7 JTC 實(shí)施像移檢測(cè)的基本原理（上）與主要輸入輸出數(shù)據(jù)（下左：相鄰兩幅圖像在空間光調(diào)制器上的排布；下中：聯(lián)合變換功率譜：下右：互相關(guān)峰圖像）Fig.7 Principle of JTC (top) and the main input data,intermediate data and output data

如圖7所示，JTC 像移檢測(cè)主要由4個(gè)步驟組成：1）在成像曝光的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)高速CCD 獲得相互之間具有對(duì)應(yīng)像移量的序列圖像，之后將相鄰的兩幅圖像排布在一起送入振幅型空間光調(diào)制器；2）振幅型空間光調(diào)制器在準(zhǔn)直激光束的照射下形成目標(biāo)物，依靠透鏡進(jìn)行第一次光學(xué)傅里葉變換，得到聯(lián)合變換功率譜；3）將聯(lián)合變換功率譜再次送入振幅型空間光調(diào)制器，進(jìn)行第二次光學(xué)傅里葉變換得到互相關(guān)峰圖像；4）采用高精度的質(zhì)心提取算法獲得互相關(guān)峰的位置，從而計(jì)算得到每一幅圖像相對(duì)于參考圖像的實(shí)際位移量。

JTC 能否勝任空間相機(jī)成像過(guò)程中的像移檢測(cè)，主要考察速度和精度兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。首先，像移提取算法比較簡(jiǎn)單并且成熟，因此像移測(cè)量速度主要由CCD和空間光調(diào)制器的響應(yīng)速度決定。隨著空間光調(diào)制器和小幅面陣CCD 等光電子學(xué)器件的快速發(fā)展，JTC 已經(jīng)具備了實(shí)時(shí)相關(guān)運(yùn)算能力。例如，DALSA公司的CA-06 型面陣CCD 其幀率可達(dá)955 幀/s；美國(guó)KOPIN 公司的230KLV 型空間光調(diào)制器和美國(guó)BNS公司的鐵電液晶空間光調(diào)制器A512-0635-PCIe 的幀頻均可達(dá)1 000 幀/s。目前，JTC 每秒可以對(duì)128×128像素分辨率的圖像進(jìn)行5 000 次以上的相關(guān)運(yùn)算，完全能夠適用光學(xué)相機(jī)存在的高低頻顫振測(cè)量；其次，JTC 實(shí)際輸出的兩個(gè)相關(guān)峰間距與理論相關(guān)峰間距之差是所測(cè)像移的兩倍，可以有效提升測(cè)量精度。德國(guó)的Dresden 大學(xué)和美國(guó)的Columbia 大學(xué)分別獲得了0.18個(gè)像元和0.11個(gè)像元檢測(cè)結(jié)果，本文通過(guò)研究更是將精度進(jìn)一步提升到了0.05個(gè)像元，如圖8所示。通過(guò)引入新的后處理技術(shù)，在進(jìn)行傅里葉變換時(shí)實(shí)施升采樣，隨著升采樣系數(shù)k 的逐漸增大，像移測(cè)量精度可以變得更高，但是提高的量級(jí)依賴(lài)于獲取的原始圖像的大小。

圖8 像移探測(cè)結(jié)果Fig.8 The typical image motion measurement results

3.2.2 基于位相差異PD 的波前畸變檢測(cè)[6,10]

與傳統(tǒng)的波前檢測(cè)方法相比，基于影像信息的波前傳感技術(shù)（位相恢復(fù)和位相差異）由于具有引入的硬件少、成本低、幾乎不影響系統(tǒng)尺寸、既可以用點(diǎn)源目標(biāo)工作也可以用擴(kuò)展目標(biāo)工作等優(yōu)點(diǎn)，非常適合空間相機(jī)推掃成像。其中，由于位相恢復(fù)波前傳感技術(shù)需要理想波前作為參考，在應(yīng)用上存在一定的限制，而位相差異則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因此成為了大型空間光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施精密波前畸變反演的研究熱點(diǎn)。

位相差異PD 波前傳感技術(shù)的基本原理如圖9所示。首先，來(lái)自成像目標(biāo)的入射光通過(guò)成像系統(tǒng)后被分成兩個(gè)部分，一部分被置于系統(tǒng)焦平面上的成像器件接收，另一部分則引入大小已知的離焦量并成像在另外一塊成像器件上。之后，構(gòu)建如式（1）所示的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)全局搜索算法就能夠得到系統(tǒng)的波前畸變估計(jì)。

圖9 位相差異PD 的基本原理Fig.9 Principle of phase diversity

式中 OTF為系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)，可以通過(guò)廣義光瞳函數(shù)的自相關(guān)運(yùn)算獲得；OTFd為帶有離焦像差的系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)；G為正焦影像的頻譜；Gd表示存在離焦波像差的影像頻譜。

由于系統(tǒng)的未知波像差可以由澤尼克系數(shù)多項(xiàng)式進(jìn)行表示，所以目標(biāo)函數(shù)E 實(shí)際上是被定義在以待估澤尼克系數(shù)為坐標(biāo)的高維空間中。對(duì)系統(tǒng)所存在的波像差的估計(jì)等價(jià)于目標(biāo)函數(shù)在此高維空間中尋求最優(yōu)解。因此，利用非線(xiàn)性方法通過(guò)尋找目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)解，就可以得到對(duì)系統(tǒng)波前像差的綜合估計(jì)?？梢钥吹?，要利用PD 進(jìn)行系統(tǒng)波前畸變的估計(jì)，重點(diǎn)是如何獲取離焦和正焦影像對(duì)，而這就涉及到如何與空間相機(jī)焦平面結(jié)合的問(wèn)題。為了降低硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造難度，采用分光棱鏡引入可標(biāo)定的固定離焦像差來(lái)獲得同一場(chǎng)景的正焦圖像和離焦圖像比較合適。波前畸變的傳感精度是后期進(jìn)行校正處理的關(guān)鍵。為了驗(yàn)證PD 波前傳感的精度，隨機(jī)構(gòu)造了300 種以上的波前畸變情況，并分別使用相應(yīng)的正焦離焦影像對(duì)波前畸變進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明：當(dāng)成像系統(tǒng)在軌工作時(shí)的殘余波像差RMS 值小于0.1個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，使用相互之間存在0.75個(gè)波長(zhǎng)離焦量的圖像對(duì)進(jìn)行測(cè)量并實(shí)施校正后，系統(tǒng)的波像差可以被降低到0.01個(gè)波長(zhǎng)的水平，符合高精度傳感和校正的要求。

3.2.3 硬補(bǔ)/軟補(bǔ)提升在軌成像品質(zhì)

在獲得了像移數(shù)據(jù)和波前畸變數(shù)據(jù)后，既可以采用硬補(bǔ)，也可以采用軟補(bǔ)的方式改善像質(zhì)。

像移的硬件補(bǔ)償：利用高頻擺鏡，通過(guò)閉環(huán)控制回路精確控制擺鏡的擺角補(bǔ)償像移。使用光學(xué)變換相關(guān)器測(cè)量計(jì)算出像移量后，經(jīng)數(shù)字控制算法驅(qū)動(dòng)控制擺鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)（兩個(gè)方向的微小范圍），從而達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償像移的目的。

像移的軟件補(bǔ)償：由于硬件補(bǔ)償受到器件控制精度的限制可能存在殘余的波像差，所以還應(yīng)該在后期采用濾波技術(shù)和去卷積的圖像處理技術(shù)，消除相機(jī)成像時(shí)由于高頻低振幅擾動(dòng)所引起的像移殘差，最終獲得清晰的圖像。

如上所述，像移的補(bǔ)償由粗補(bǔ)和精補(bǔ)兩個(gè)過(guò)程組成，如圖10所示。

圖10 像移的粗補(bǔ)償和精細(xì)補(bǔ)償示意Fig.10 Coarse and fine compensation of image motion

波前畸變的硬件補(bǔ)償：在成像系統(tǒng)中引入自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，利用波前畸變數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)變形鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)波像差畸變的補(bǔ)償。與像移補(bǔ)償不同，波像差畸變可能是一個(gè)緩慢的過(guò)程，因此對(duì)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)效性就大大降低了，而這也就同時(shí)降低了對(duì)變形鏡響應(yīng)的要求。

波前畸變的軟件補(bǔ)償：與像移補(bǔ)償類(lèi)似，波前畸變的硬補(bǔ)也會(huì)受制于變形鏡有限的像差校正能力的影響，所以即便進(jìn)行了硬件補(bǔ)償，也依然會(huì)存在高階殘余像差使成像品質(zhì)降低。根據(jù)波像差與傳遞函數(shù)之間的關(guān)系，由廣義光瞳函數(shù)的傅里葉變換可以獲得殘余高階像差系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并以此為基礎(chǔ)同樣采用濾波復(fù)原算法提升最終的成像品質(zhì)。

4 總結(jié)與展望

與國(guó)外光學(xué)衛(wèi)星圖像相比，我國(guó)在成像品質(zhì)方面存在差距，尤其是當(dāng)分辨率進(jìn)一步提高時(shí)，這種差距變得更加明顯。究其原因，主要是當(dāng)分辨率水平較低時(shí)，忽略了像移和波前畸變這些因素對(duì)成像品質(zhì)的影響。因此，通過(guò)明確成像品質(zhì)下降與潛在因素之間的關(guān)系，就能夠找到合理的方式用來(lái)提升成像品質(zhì)。本文以現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)，簡(jiǎn)要地分析了主要的導(dǎo)致成像品質(zhì)下降的因素，探討了主動(dòng)、被動(dòng)兩大類(lèi)改善在軌成像品質(zhì)的方法。其中，以波前編碼技術(shù)為代表的光數(shù)混合成像打破了傳統(tǒng)空間相機(jī)設(shè)計(jì)一味地依靠光學(xué)設(shè)計(jì)獲得高質(zhì)量成像的框架，對(duì)于構(gòu)建新型的成像體制有很大的價(jià)值，應(yīng)該受到關(guān)注。此外，對(duì)導(dǎo)致成像品質(zhì)下降的各種因素進(jìn)行測(cè)量，并據(jù)此進(jìn)行軟硬件結(jié)合的補(bǔ)償，在不改變現(xiàn)有成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上達(dá)到像質(zhì)提升的目的，對(duì)于未來(lái)空間相機(jī)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)也具有很好的參考價(jià)值。后續(xù)研究中將繼續(xù)圍繞這樣的技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行探索。

References)

[1]Ahmed Abu Hanieh.Active Isolation and Damping of Vibrations via Stewart Platform[D].Bruxelles:Université Libre de Bruxelles,2003.

[2]Spanos J,Rahman Z,Blackwood G.A Soft 6-axis Active Vibration Isolator[C]//Proceedings of the American Control Conference,Seattle,Washington,USA,1995:412-416.

[3]de Weck O L,Millera D W,Mallory G J,et al.Integrated Modeling and Dynamics Simulation for the Next Generation Space Telescope (NGST)[C].SPIE-4013-105,SPIE International Symposium on Astronomical Telescopes and Instrumentation 2000,Munich,Germany,2000.

[4]Satya Mittal.Jitter Analysis of a Large Spacecraft[R].Technical Report,Lockheed Martin Space Systems.

[5]馬晶,韓琦琦,于思源,等.衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)對(duì)星間激光鏈路的影響和解決方案[J].激光技術(shù),2005,29(3):228-232.MA Jing,HAN Qiqi,YU Siyuan,et al.Influences of Satellite Platform Vibration on Laser Communication and Corresponding Solutions[J].Laser Technology,2005,29(3):228-232.(in Chinese)

[6]易紅偉.光學(xué)稀疏孔徑成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所),2007.YI Hongwei.Research on Key Techniques of Optical Sparse Aperture Imaging System[D].Xi’an:Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2007.(in Chinese)

[7]趙惠.用于景深延拓的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)型相位板特性研究與新的設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué),2009.ZHAO Hui.Research on Characteristics of Non-rotationally Symmetric Phase Masks Used to Extend the Depth of Field and New Design[D].Hangzhou:Zhejiang University,2009.(in Chinese)

[8]Kubala K,Dowski E,Kobus J,et al.Design and Optimization of Aberration and Error Invariant Space Telescope Systems[C].SPIE,2004,5524:54-65.

[9]YI Hongwei,ZHAO Hui,LI Yingcai,et al.Improved Digital Processing Method Used for Image Motion Measurement Based on Hybrid Opto-digtial Joint Transform Correlator[J].Chinese Optics Letters,2010,8(10):989-992.

[10]易紅偉.空間光學(xué)成像系統(tǒng)波像差的位相差異估計(jì)方法[J].光子學(xué)報(bào),2009,38(10):2677-2681.YI Hongwei.Estimation Method of Wave-front Error Using Phase Diversity for Space Optical Imaging System[J].ACTA Photonica Sinica,2009,38(10):2677-2681.(in Chinese)