[发明专利]一种稀疏孔径系统成像复原方法

说明书

本发明公开了一种稀疏孔径系统成像复原方法，包括如下步骤：建立稀疏孔径系统成像与对应光学传递函数的数据库；构建深度神经网络，包括确定网络结构、激活函数、损失函数；采用训练集训练卷积神经网络；基于光学传递函数实现稀疏孔径成像复原。本发明运用深度卷积神经网络获得未知光学传递函数，原理简单，实施方便；本发明运用深度卷积神经网络，通过计算机程序恢复稀疏孔径光学系统清晰成像，不需昂贵光学设备，成本低；本发明采用2个卷积神经网络分别计算调制传递函数和相位传递函数，可并行计算，运算速度快。

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，涉及一种通过数字图像处理方法实现稀疏孔径系统成像复原方法。

背景技术

稀疏孔径系统采用多个小的子孔径代替等效大孔径的光学系统，解决大孔径光学系统难加工、发射体积大和重量大等问题。但是由于稀疏孔径成像系统通光面积小，成像对比度和图像质量的下降。为此，浙江大学陈灏在论文《光学稀疏孔径成像系统图像恢复算法研究》中提出了改进维纳滤波算法，不需要先验信息获得适宜的恢复结果。哈尔滨工业大学周程灏在论文《光学稀疏孔径系统设计与中频信息改善方法研究》中采用了空间变化图像复原算法和图像融合方法，通过提升和补偿大填充因子和小填充因子两类系统的中频信息，改善光学稀疏孔径成像系统的成像性能。稀疏孔径系统的多个子孔径可能存在安装误差，各光学面可能产生倾斜、形变、位移，引起子孔径不“共相位”，严重降低光学系统的成像质量。

国防科技大学刘政等理论分析了相位平移误差与子孔径像差对系统像质影响。北京工业大学周智伟在《光学稀疏孔径成像系统相位误差与图像复原研究》中，讨论了系统在受到相位误差时，图像复原算法的稳定性。但两者尚未给出图像复原的解决方案。中国科学院光电技术研究所刘政等提出了一种稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，实现探测和补偿系统相位平移误差。但对于在轨工作的稀疏孔径系统，搭建此类装置非常困难，校正方法实施难度大。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提出一种稀疏孔径系统成像复原方法，弥补由于稀疏孔径系统各元件装配误差、形变、位移等引起像质下降、成像恢复困难的缺陷，提高稀疏孔径系统的适用性。

本发明的技术方案是：

一种稀疏孔径系统成像复原方法，包括如下步骤：

步骤1：建立稀疏孔径系统成像与对应光学传递函数的数据库；

步骤2：构建深度神经网络，包括确定网络结构、激活函数、损失函数；

步骤3：采用训练集训练卷积神经网络；

步骤4：基于光学传递函数实现稀疏孔径成像复原。

更进一步的，所述步骤1中，采用光学设计软件ZEMAX，建立稀疏孔径系统仿真系统。通过该软件，模拟光学面存在的各种倾斜、位移、曲率半径变化状况，通过软件获得每种状况下的点扩散函数，进一步计算调制传递函数和相位传递函数。

更进一步的，所述步骤1包括：

步骤1-1：仿真稀疏孔径光学系统。根据稀疏孔径光学系统的元件参数，在ZEMAX软件中，建立仿真系统；

步骤1-2：设定光学面参数误差范围。通常光学面的倾斜、位移、曲率半径变化都非常小，倾斜将绕着过该光学面顶点的x、y、z轴旋转，转角范围取[-0.01°，0.01°]，按0.005°为步长等间隔取值，共5个值，三轴共125种取值。沿着x、y、z方向位移范围取[-λ，λ]，按0.2λ为步长等间隔取值，λ为波长，共11个值，三轴共1331种取值。曲率半径改变范围取[-λ，λ]，按0.2λ为步长等间隔取值，λ为波长，共11个值，因此一个光学面约有1830125种误差。对于golay3系统，有三个子镜，则可能有6.1×10¹⁸种误差；

步骤1-3：利用ZEMAX软件扩展编程方法，在步骤2误差范围内，仿真各种光学面误差，以及输出相应的调制传递函数和相位传递函数。针对选择的目标物，获得各个误差条件下相应的稀疏孔径系统成像。从而建立稀疏孔径系统成像与调制传递函数和相位传递函数的对应关系。