基于主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像的空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)

鄧紅艷，蘇云，鄭國(guó)憲，趙明，張?jiān)?，田芷?/p>

（1 北京空間機(jī)電研究所 研發(fā)中心，北京 100094）（2 大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大連 116026）

0 引言

地球同步軌道（Geosynchronous Earth Orbit， GEO）附近密集運(yùn)行著大量的通信衛(wèi)星以及衛(wèi)星廢棄物等，這些目標(biāo)的本體長(zhǎng)寬大約在1.5～3 m、高大約在2～8 m 范圍內(nèi)。采用全球探測(cè)模式或近距離探測(cè)模式對(duì)其進(jìn)行高分辨全天時(shí)成像，可以獲取其精細(xì)結(jié)構(gòu)、星體姿態(tài)以及工作態(tài)勢(shì)等信息。另外，GEO 軌道上還分布著大量的空間碎片，尺寸較大的碎片可能對(duì)航天器造成威脅。對(duì)其進(jìn)行精細(xì)探測(cè)，可為航天器快速規(guī)避提供依據(jù)［1-2］。目前，天基被動(dòng)空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)主要以美國(guó)微衛(wèi)星技術(shù)實(shí)驗(yàn)（Micro-satellite Technology Experiment， MiTEx）［3］、天基空間監(jiān)視（Space Based Space Surveillance， SBSS）［4］、地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃（Geosynchronous Space Situational Awareness Program， GSSAP）［5-7］為代表。傳統(tǒng)的被動(dòng)空間目標(biāo)探測(cè)載荷主要面臨以下問(wèn)題：?jiǎn)慰趶焦鈱W(xué)加工研制困難以及運(yùn)載能力限制；空間分塊可展開(kāi)和被動(dòng)光學(xué)合成孔徑成像系統(tǒng)子鏡面型控制、共相位調(diào)整等難題［8-9］；薄膜衍射成像系統(tǒng)色差嚴(yán)重，成像質(zhì)量差［10］；紅外載荷夜間高分辨成像能力不足。

GEO 軌道的光照面與陰影面動(dòng)態(tài)范圍大，載荷在全球探測(cè)過(guò)程中存在逆光成像時(shí)段，易造成探測(cè)漏洞。因此，開(kāi)展新型高分辨全天時(shí)空間目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究十分必要?；谥鲃?dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像的空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，采用主動(dòng)相干光源配合單個(gè)小孔徑相機(jī)，采集目標(biāo)不同頻譜的低分辨圖像序列，通過(guò)傅里葉疊層頻譜拼接算法重構(gòu)出接近等效合成孔徑倍率的超分辨圖像［11］。該系統(tǒng)采用激光主動(dòng)照明，因此不僅具備夜間成像能力，還能滿足地影區(qū)成像需求，提升空間目標(biāo)探測(cè)能力?？傊?，該系統(tǒng)可避免傳統(tǒng)被動(dòng)空間目標(biāo)探測(cè)載荷面臨的問(wèn)題，具有一定的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)大口徑高分辨成像的技術(shù)途徑之一。

傅里葉疊層成像技術(shù)從顯微領(lǐng)域拓展到宏觀成像領(lǐng)域后，經(jīng)歷了透射式［11-16］和反射式［17-19］兩種模式的發(fā)展。2016年，美國(guó)萊斯大學(xué)的HOLLOWAY J等［12］將傅里葉疊層技術(shù)由顯微領(lǐng)域拓展到宏觀成像領(lǐng)域，使用波長(zhǎng)633 nm 的氦氖激光光源，通過(guò)相機(jī)掃描對(duì)1.5 m 處的目標(biāo)進(jìn)行透射式成像，實(shí)現(xiàn)7.12倍分辨率提升。2017年，該團(tuán)隊(duì)［17］使用波長(zhǎng)532 nm 的半導(dǎo)體激光光源，通過(guò)相機(jī)掃描對(duì)1 m 處的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)反射式成像，實(shí)現(xiàn)6倍分辨率提升，同時(shí)該團(tuán)隊(duì)面向未來(lái)天基應(yīng)用提出基于相機(jī)掃描的載荷概念。大連海事大學(xué)ZHAO Ming等［13，18］也開(kāi)展了宏觀透射式及反射式傅里葉疊層成像實(shí)驗(yàn)研究，采用可見(jiàn)激光光源實(shí)現(xiàn)4～6 倍的分辨率提升。西安光機(jī)所XIANG Meng［19］提出了激光、成像載荷雙星配合的靜軌載荷方案，并開(kāi)展了可見(jiàn)波段宏觀反射式成像實(shí)驗(yàn)。

目前，傅里葉疊層成像研究多集中在可見(jiàn)波段，頻譜掃描方式主要有光源掃描和相機(jī)掃描兩種方式。本文針對(duì)空間目標(biāo)地影區(qū)成像需求以及紅外成像分辨率不足問(wèn)題，開(kāi)展基于主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像的空間目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究。提出基于主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像的天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和工作流程，并搭建宏觀反射式地面驗(yàn)證系統(tǒng)開(kāi)展超分辨成像實(shí)驗(yàn)。

1 宏觀反射式理論模型

對(duì)于天基遙感應(yīng)用，采用相機(jī)掃描方式的宏觀反射式主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑系統(tǒng)，需要載荷頻繁機(jī)動(dòng)、快速調(diào)姿并保持高精度定位，能耗極大、對(duì)平臺(tái)控制精度要求高、掃描時(shí)間長(zhǎng)，不適用于天基空間目標(biāo)探測(cè)場(chǎng)景。考慮到載荷的工程可行性，我們嘗試選擇光源掃描的方式。

1.1 成像理論模型

基于光源掃描的宏觀反射式主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像理論模型［12，19］如圖1 所示。根據(jù)傅里葉光學(xué)理論，在相干光照明條件下，物面和像面之間滿足關(guān)系

圖1 基于光源掃描的宏觀反射式主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像理論模型Fig.1 The theoretical model of macro-reflection active coherent optical synthetic aperture super-resolution imaging with light scanning

式中，O(x)和E(x)分別為物面和像面的光場(chǎng)分布，x和u分別為空域和頻域的坐標(biāo)，hc(x)和CTF(u)分別為小孔徑相機(jī)的相干點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和相干傳遞函數(shù)，兩者之間滿足CTF(u)=F{hc(x)}。為物體頻譜，即衍射受限條件下的相干傳遞函數(shù)等于孔徑函數(shù)，即CTF(u)=P(u)，P（u）為孔徑函數(shù)。

對(duì)于以角度α入射到物面上的平面波，其復(fù)振幅分布可以表示為

對(duì)式（3）兩端進(jìn)行傅里葉變換，則反射光波的頻譜表示為

探測(cè)器上記錄的目標(biāo)圖像光強(qiáng)可表示為

由式（5）可知，按照一定規(guī)律改變光波的入射角度，將會(huì)使得物面反射的光波頻譜發(fā)生相應(yīng)的位移，經(jīng)小孔徑相機(jī)采集后實(shí)現(xiàn)對(duì)物面不同頻譜區(qū)域的掃描。

1.2 超分重構(gòu)算法

本文采用參考文獻(xiàn)［14］中所述的改進(jìn)型疊層迭代算法（extended Ptychographical Iterative Engine， ePIE）來(lái)實(shí)現(xiàn)宏觀反射式主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑的超分辨圖像重構(gòu)。其基本思想是在空域和頻域中交替迭代來(lái)重構(gòu)物體高分辨率的復(fù)振幅信息。重構(gòu)過(guò)程主要利用采集的低分辨圖像在空間域替換振幅保留相位，并在物體的頻域中替換對(duì)應(yīng)頻譜信息，全部位置替換更新后，完成一次迭代過(guò)程。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)迭代次數(shù)或者設(shè)定閾值時(shí)完成迭代，獲取物體的超分辨重構(gòu)圖像。需要注意的是，這種傅里葉疊層約束頻譜拼接算法要求小孔徑相機(jī)采集到的相鄰兩幀低分辨率圖像經(jīng)傅里葉變換得到的頻譜要滿足一定的重疊率，迭代過(guò)程才能收斂。

2 天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體思路

根據(jù)基于光源掃描的宏觀反射式成像理論模型，結(jié)合主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像的技術(shù)特點(diǎn)，本文提出“大視場(chǎng)搜索成像牽引＋小幅寬主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像”的天基空間目標(biāo)探測(cè)總體思路。由衛(wèi)星平臺(tái)搭載的大視場(chǎng)搜索成像系統(tǒng)提供目標(biāo)的定位信息，小幅寬主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲瞄準(zhǔn)，然后進(jìn)行超分辨成像。

2.2 系統(tǒng)組成

小幅寬主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像系統(tǒng)是本文提出的新型天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的核心。如圖2 所示，其主要包括主動(dòng)相干光產(chǎn)生單元、光學(xué)成像單元和圖像超分辨重構(gòu)單元。

圖2 主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像系統(tǒng)組成圖Fig.2 Sketch of active coherent optical synthetic aperture super-resolution imaging system

2.2.1 主動(dòng)相干光產(chǎn)生單元

主動(dòng)相干光產(chǎn)生單元由激光器和光學(xué)相控陣構(gòu)成。激光器提供的近紅外主動(dòng)照明光源具有比LED 光源更好的相干性［20-21］，在高軌無(wú)大氣干擾的環(huán)境下，相位更易于保持，這對(duì)于采用傅里葉疊層相位恢復(fù)的超分成像來(lái)說(shuō)是更加有利的。光學(xué)相控陣主要由光纖陣列、多模干涉分束器、移相器、光柵衍射陣列輸出端、驅(qū)動(dòng)控制器以及系統(tǒng)位置反饋校正器組成。激光光束經(jīng)光纖陣列耦合進(jìn)光波導(dǎo)后，由多模干涉分束器分束，驅(qū)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)移相器在光波導(dǎo)陣元間產(chǎn)生相位差，由光柵衍射陣列調(diào)整后實(shí)現(xiàn)相干疊加，衍射主極大以某個(gè)角度輸出，指向空間目標(biāo)。同時(shí)，由系統(tǒng)位置反饋校正器根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)光束掃描進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。如圖3 所示，光學(xué)相控陣輸出的每路光束均指向空間目標(biāo)，并均勻覆蓋整個(gè)成像視場(chǎng)。按照預(yù)先設(shè)定的掃描路徑，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)每路光束的依次輸出，完成頻域掃描，采集N×N幀低分辨率圖像。

圖3 主動(dòng)相干光產(chǎn)生單元工作原理Fig.3 Module for generating active coherent light

2.2.2 光學(xué)成像單元

光學(xué)成像單元由光學(xué)裝置和面陣探測(cè)器構(gòu)成。光學(xué)裝置主要由偏振片、窄帶濾光片和成像鏡頭組成。當(dāng)具有高度相干性的激光光束照射到空間目標(biāo)的粗糙表面時(shí)，相干反射光場(chǎng)的波前相位被隨機(jī)調(diào)制，經(jīng)偏振片、窄帶濾光片后濾除工作譜段外的背景雜光，由成像鏡頭接收后在面陣探測(cè)器上形成一幀帶有無(wú)規(guī)則分布散斑圖樣的低分辨初始圖像［22］。

2.2.3 圖像超分辨重構(gòu)單元

圖像超分辨重構(gòu)單元主要由軟硬件兩部分構(gòu)成。主要用于實(shí)現(xiàn)初始圖像的降噪、位置校準(zhǔn)等預(yù)處理，并通過(guò)傅里葉疊層約束頻譜拼接算法進(jìn)行超分辨重構(gòu)，獲取等效合成孔徑分辨率的圖像。此外，系統(tǒng)還包括供電裝置、運(yùn)動(dòng)控制裝置以及散熱裝置。供電裝置主要用于為主動(dòng)相干光產(chǎn)生單元、光學(xué)成像單元、運(yùn)動(dòng)控制裝置以及散熱裝置提供工作電源。運(yùn)動(dòng)控制裝置主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的瞄準(zhǔn)、跟蹤。散熱裝置主要用于高功率激光器的高效散熱。

總之，主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)光學(xué)相控陣實(shí)現(xiàn)各路光束的掃描，小孔徑的光學(xué)成像單元采集相應(yīng)頻譜的低分辨圖像序列，圖像超分辨重構(gòu)單元通過(guò)傅里葉疊層頻譜拼接算法重構(gòu)出空間目標(biāo)的超分辨圖像。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 總體方案

以主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)在GEO±150 km 軌道對(duì)位于GEO 軌道的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)為例。若精細(xì)觀察需要0.1 m 分辨率，幅寬510 m，則可采用0.5 m@150 km 分辨率的成像系統(tǒng)，通過(guò)5 倍超分實(shí)現(xiàn)0.1 m@150 km。

2.3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

1）探測(cè)器選型

對(duì)于空間目標(biāo)探測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，光源選擇具有隱蔽性、人眼安全的914 nm 單模近紅外激光?？紤]到短波紅外探測(cè)器規(guī)模小，需要多塊拼接才能實(shí)現(xiàn)大面陣，同時(shí)探測(cè)器又需對(duì)914 nm 波長(zhǎng)有響應(yīng)，因此最終選取對(duì)914 nm 波長(zhǎng)光電轉(zhuǎn)換量子效率較高的紅外增強(qiáng)型大面陣硅基探測(cè)器。探測(cè)器像元尺寸為5.5 μm，探測(cè)器規(guī)模

式中，W為幅寬，W=510 m，GSD=0.5 m。計(jì)算可得Nx=Ny=1 020，因此探測(cè)器規(guī)模需不小于1 000×1 000。

2）光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

式中，像元尺寸p=5.5 μm，激光波長(zhǎng)λ=914 nm，計(jì)算可得F=6.3。

設(shè)系統(tǒng)的口徑直徑D=1 m，則由

得系統(tǒng)焦距f=6.3 m。

光學(xué)系統(tǒng)在相干成像下系統(tǒng)的截止頻率為

像面極限分辨率為

計(jì)算可得l=11.5 μm，在選取探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器的像元尺寸需比像面極限分辨率小才能滿足成像需求。因此，選定的像元尺寸5.5 μm 探測(cè)器滿足需求。

另外，相機(jī)視場(chǎng)為

式中，成像距離Z=150 km，計(jì)算可得相機(jī)視場(chǎng)FOV ≈0.2°。

由于焦距較長(zhǎng)、視場(chǎng)較小，因此光學(xué)系統(tǒng)采用RC 結(jié)構(gòu)形式，可以在一定程度上縮短系統(tǒng)的長(zhǎng)度，使系統(tǒng)更加緊湊。

3）光源設(shè)計(jì)

在空間目標(biāo)探測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景下，采用光源掃描方式來(lái)實(shí)現(xiàn)等效合成孔徑頻譜區(qū)域的采集時(shí)，光學(xué)相控陣光源可以采用以下兩種設(shè)計(jì)。

①類似于LED 陣列的光學(xué)相控陣光源陣列［20］

光學(xué)相控陣光源陣列大小等于等效口徑大小，每個(gè)位置的光源指向都沿陣列面的法線方向。若系統(tǒng)的口徑直徑為D=1 m，實(shí)現(xiàn)5 倍超分，則光源陣列大小DOPA為

式中，等效口徑直徑De=5D，光源陣列尺寸較大。

②光源位置不變，只改變角度的單個(gè)光源

單個(gè)光源的照射范圍需覆蓋相機(jī)單幀圖像對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)以及等效合成孔徑對(duì)應(yīng)的范圍。如圖4 所示，激光光束直徑Dl為

圖4 激光光束發(fā)散角Fig.4 The divergent angle of the laser beam

激光光束發(fā)散角θT為

計(jì)算可得θT≈0.3°。

4）光源功率估算

通過(guò)控制采集到的低分辨圖像的信噪比，來(lái)估算激光光源所需功率。

圖像信噪比為

式中，Nsignal為信號(hào)電子數(shù)，Nnoise為噪聲電子數(shù)，P為單個(gè)像元接收到的激光功率，ηdetector為探測(cè)器量子效率，ηdetector=0.8，tint為單幀圖像積分時(shí)間，約取tint=0.1 s，h為普朗克常量，h=6.63×10?34Js，c為光速c=3×108m/s，Ndark為暗電流噪聲電子數(shù)，約取Ndark=100tint，Nreadout為讀出噪聲電子數(shù)，約取Nreadout=50，Ncir為電路噪聲電子數(shù)，約取Ncir=6。

令整個(gè)像面接收到的激光功率為Pr，則

式中，M為有效接收像元數(shù)M=Nx×Ny。

待求的激光器發(fā)射功率

式中，激光光束發(fā)射角θT=FOV，目標(biāo)反射率ρ=0.8，目標(biāo)表面法線與相機(jī)光軸的夾角θtarget=0；AR為相機(jī)孔徑面積。

激光器發(fā)射效率ηT=0.9，光學(xué)系統(tǒng)效率ηR=0.8，大氣透過(guò)率ηA=0.9。根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，低分辨圖像的信噪比≥15 dB，重構(gòu)圖像信噪比可≥30 dB，滿足空間目標(biāo)探測(cè)需求。此時(shí)估算激光器發(fā)射功率約為150 W。系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。由此可見(jiàn)，未來(lái)主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用需要大功率激光器技術(shù)的支撐。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 System design parameters

5）濾光片設(shè)計(jì)

地影區(qū)成像對(duì)于采用主動(dòng)光源照明的成像方式來(lái)說(shuō)是有利的。而相反地，白天太陽(yáng)光、大氣、云等背景光會(huì)隨反射回波信號(hào)一起進(jìn)入系統(tǒng)形成背景干擾。太陽(yáng)光為寬波段光源，其在主動(dòng)激光光源對(duì)應(yīng)的窄譜段內(nèi)能量相對(duì)較低，因此可以通過(guò)在系統(tǒng)中添加窄帶濾光片對(duì)其進(jìn)行濾除。另外，激光光源和太陽(yáng)光等背景光源互不相干，當(dāng)成像系統(tǒng)處于主動(dòng)成像模式時(shí)（即激光器與背景光同時(shí)工作），采集的場(chǎng)景圖像為背景圖像和主動(dòng)相干圖像的疊加。若將激光光源關(guān)閉，在被動(dòng)成像模式下所獲取的場(chǎng)景圖像僅為背景圖像。因此，將主動(dòng)相干圖像減去被動(dòng)成像圖像，即可去除背景圖像的干擾。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，拍攝的主被動(dòng)圖像之間會(huì)存在一定的時(shí)間差，且由于目標(biāo)、成像系統(tǒng)以及外界環(huán)境的變化，也會(huì)導(dǎo)致主被動(dòng)圖像之間存在差異，因此需要先進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，而后進(jìn)行減除。

3 天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)工作流程

3.1 工作模式

如圖5 所示，主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像空間目標(biāo)探測(cè)方法主要采用全球探測(cè)和區(qū)域探測(cè)兩種工作模式。全球探測(cè)模式是指天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行于GEO 軌道下方，典型值GEO-150 km 軌道，通過(guò)順行位置相對(duì)漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)全球GEO 帶目標(biāo)的捕獲跟蹤、成像探測(cè)。區(qū)域探測(cè)模式是指利用與GEO 軌道的高度差形成的順行漂移、退行漂移以及升、降軌運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)指定區(qū)域的往返探測(cè)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的捕獲跟蹤、成像觀測(cè)。

圖5 空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)工作模式Fig.5 The working mode diagram of the space object detection system

3.2 光束掃描設(shè)計(jì)

3.2.1 光束掃描角

如圖6 所示，光束發(fā)散角為θT，通過(guò)改變?nèi)肷浣嵌圈?，可?shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的掃描，最大掃描范圍等于等效口徑De直徑的大小。

圖6 光束半掃描角與等效口徑及成像距離的關(guān)系，其中紅、藍(lán)、棕虛線分別為不同入射光法線Fig.6 The relationship between the half scan angle of the beam and the equivalent aperture， imaging distance.Where the red，blue and brown dotted lines are the central of the beam incident at different angles

3.2.2 子區(qū)域近似平行模型

上文給出是基于光源掃描的宏觀反射式主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像理論模型，是采用平行相干光照射物體后經(jīng)過(guò)傅里葉變換到頻域的理論模型。如圖7 所示，在實(shí)際應(yīng)用中光源具有一定的發(fā)散角。當(dāng)發(fā)散角較小，且成像遠(yuǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，可將物面劃分為若干個(gè)子區(qū)域，認(rèn)為每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的光束近似平行。在子區(qū)域內(nèi)采用傅里葉疊層頻譜拼接算法實(shí)現(xiàn)超分辨重構(gòu)。根據(jù)圖7 中的幾何關(guān)系可計(jì)算得到照射到第i個(gè)子區(qū)域的入射波kix以及相應(yīng)的頻譜位移量uix為

圖7 子區(qū)域近似平行模型Fig.7 The sub-region approximate model

3.2.3 光束掃描校正

主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)與目標(biāo)在不同軌道高度運(yùn)行，兩者會(huì)產(chǎn)生一定的速度差。為保證相干光束對(duì)目標(biāo)的勻速掃描，如圖8（a），需要通過(guò)系統(tǒng)位置反饋校正器對(duì)光束掃描進(jìn)行實(shí)時(shí)校正［23-24］。各路光束的實(shí)際掃描速度Vas與勻速掃描速度Vus以及軌道相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度Vrm之間的關(guān)系為

圖8 光束掃描校正Fig.8 The beam scanning correction

當(dāng)采用全球探測(cè)模式時(shí)，天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)處于GEO-150 km 軌道，相對(duì)于目標(biāo)星為順行漂移，指向深空背景，可獲得目標(biāo)星攜帶的主要有效載荷的精細(xì)圖像。此階段天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)相對(duì)于GEO軌道目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度VGEO?150km的大小約為3.62 m/s，運(yùn)動(dòng)速度稍快于目標(biāo)星。如圖8（b）所示，為保證頻譜勻速掃描，在順行漂移階段，同向掃描時(shí)光束的實(shí)際掃描速度Vant為

在反向掃描時(shí)光束的實(shí)際掃描速度Vantr為

當(dāng)采用區(qū)域探測(cè)模式時(shí)，順行漂移階段光束實(shí)際掃描速度計(jì)算同上。退行漂移階段天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)處于GEO+150 km 軌道，指向地球背景，此時(shí)可觀測(cè)目標(biāo)側(cè)上方形態(tài)。但地球大氣散射的藍(lán)光會(huì)形成較強(qiáng)的背景，因此在此階段需要考慮濾除地球藍(lán)光背景。此階段天基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)相對(duì)于GEO 軌道目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小約為?3.61 m/s，運(yùn)動(dòng)速度稍慢于目標(biāo)星。如圖8（c）所示，在退行漂移階段，同向掃描時(shí)光束的實(shí)際掃描速度Vretrs為

在反向掃描時(shí)光束的實(shí)際掃描速度Vretrr為

在區(qū)域探測(cè)模式下的升、降軌過(guò)程中，可認(rèn)為光束的實(shí)際掃描速度為

另外，當(dāng)確定關(guān)注目標(biāo)后，也可機(jī)動(dòng)至GEO 軌道?50～?20 km 的范圍內(nèi)，對(duì)目標(biāo)近距離成像。

3.3 圖像采集重構(gòu)

以選定的在GEO±150 km 軌道上對(duì)GEO 軌道空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景為例。激光器產(chǎn)生的高功率、高相干性的近紅外光束，經(jīng)光纖陣列耦合、多模干涉分束器分束并通過(guò)移相器移相后產(chǎn)生某一固定相位差，在光柵衍射陣列中實(shí)現(xiàn)相干疊加，光束以某個(gè)角度α指向空間目標(biāo)。在計(jì)算機(jī)程序控制下，通過(guò)調(diào)節(jié)移相器相位差，改變光束的出射方向。系統(tǒng)位置反饋校正器根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)光學(xué)相控陣輸出的光束指向進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，保證相干光束對(duì)空間目標(biāo)的勻速掃描。

根據(jù)主動(dòng)相干光超分辨成像原理，當(dāng)相干光束指向角發(fā)生變化時(shí)，光學(xué)成像單元采集到的目標(biāo)頻譜將發(fā)生相應(yīng)的位移。不斷改變光束指向角，并以速度Vus按“己”字形對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行掃描，使得光學(xué)成像單元相鄰兩次采集到的目標(biāo)頻譜重疊率為60%。若采用口徑為D的光學(xué)成像單元實(shí)現(xiàn)5 倍超分，則目標(biāo)頻譜單次移動(dòng)步長(zhǎng)為0.4D對(duì)應(yīng)的頻譜寬度。采集幀數(shù)N為

計(jì)算可得N=11。

按照此步驟采集11×11 幀不同頻譜位置的低分辨率圖像序列，即可覆蓋5 倍超分圖像對(duì)應(yīng)的全部頻譜。利用圖像超分辨重構(gòu)單元將低分辨率圖像序列進(jìn)行基于頻域疊層約束的超分辨重構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的一次5 倍超分成像。在全球探測(cè)或區(qū)域探測(cè)模式下，重復(fù)以上步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的持續(xù)探測(cè)。

4 地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文項(xiàng)目組［13-14，18］已分別采用632.8 nm［13-14］和532 nm［18］激光光源驗(yàn)證了宏觀透射式［13-14］及宏觀反射式［18］主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像技術(shù)的可行性，為進(jìn)一步探索其天基應(yīng)用的可行性，我們?cè)谠械膶?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上搭建了宏觀反射式近紅外主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像地面實(shí)驗(yàn)裝置，并開(kāi)展了地面實(shí)驗(yàn)。

如圖9 所示，近紅外激光器的型號(hào)為MIL-H-914-800 mW，波長(zhǎng)λ=914 nm，成像距離z=1.04 m。工業(yè)鏡頭焦距f=75 mm，口徑直徑d=2.34 mm，F(xiàn)數(shù)為32，鏡頭視場(chǎng)H9.8°/V7.3°。鏡頭前加濾光片和偏振片。德國(guó)ximea 高分辨率CMOS 相機(jī)探測(cè)器的像元尺寸p=5.5 μm，像元規(guī)模2 000×2 000。以USAF1951分辨率負(fù)片背部噴涂啞光白漆構(gòu)造漫反射式靶標(biāo)板，靶面大小71 mm×71 mm。

圖9 宏觀反射式近紅外主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像地面實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9 The experiment setup for macroscopic reflective near-infrared active coherent optical synthetic aperture super-resolution imaging

為使激光器光束覆蓋成像視場(chǎng)，采用擴(kuò)束鏡將激光光束擴(kuò)束，光束發(fā)散角為θT=4.5°。由于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證未采用相控陣光源，而采購(gòu)的商用光源體積較大，放在平移臺(tái)后，擺掃角度受限，因此采用了相機(jī)掃描的等效方式。按照5 倍超分設(shè)計(jì)，掃描頻譜重疊率設(shè)置為83%。等效口徑直徑de=5d=11.7 mm。

4.2 超分重構(gòu)能力分析

按照上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用圖9 所示的地面實(shí)驗(yàn)裝置，采集25×25 幀圖像構(gòu)成低分辨率圖像序列，圖10 給出的是采集的625 張低分辨率序列圖像中的一部分圖像。將采集的低分辨率序列圖像進(jìn)行降噪和位置校準(zhǔn)處理后，再采用傅里葉疊層約束頻譜拼接算法進(jìn)行超分辨重構(gòu)，獲取等效合成孔徑分辨率的圖像。

圖10 部分低分辨率圖像Fig.10 Some low resolution images

如圖11（a）所示，選取任意3 張實(shí)驗(yàn)采集的低分辨率圖像進(jìn)行判讀。從放大的局部圖可知，實(shí)際最小可分辨線寬分別為(?1，4)組（線寬707.1 μm，線對(duì)0.707 lp/mm）、(?1，6)組（線寬561.2 μm，線對(duì)0.89 lp/mm），(?1，5)組（線寬630.0 μm，線對(duì)0.79 lp/mm）。而計(jì)算得到的小孔徑相機(jī)的理論最小可分辨線寬為Wd=，對(duì)應(yīng)圖11（a）中靶標(biāo)上黃框標(biāo)注的(0，2)組附近（線寬445.45 μm，線對(duì)1.12 lp/mm）。實(shí)際最小可分辨線寬未達(dá)到理論最小可分辨線寬。分析認(rèn)為，這是激光相干散斑噪聲導(dǎo)致的分辨率下降［22］。

圖11 低分辨圖像及超分重構(gòu)圖像對(duì)應(yīng)的組號(hào)及最小可分辨線寬Fig.11 Group number and minimum distinguishable line width corresponding to low resolution images and super-resolution reconstructed images

如圖11（b）所示，利用降噪和校準(zhǔn)處理過(guò)的低分辨率圖像序列進(jìn)行傅里葉疊層超分辨重構(gòu)，得到的最小可分辨線寬為(2，2)組（線寬111.4 μm，線對(duì)4.49 lp/mm）。而設(shè)計(jì)的5 倍等效合成孔徑的理論最小可分辨線寬為Wde=λz/de=81.24 μm，對(duì)應(yīng)于圖11（b）中靶標(biāo)(2，4)組附近（線寬88.39 μm，線對(duì)5.66 lp/mm）。由此可見(jiàn)，超分辨重構(gòu)得到的最小可分辨線寬接近設(shè)計(jì)的5 倍等效合成孔徑的理論最小可分辨線寬。

宏觀反射式近紅外主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像地面實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際超分倍率Mr為

實(shí)際超分倍率Mr與設(shè)計(jì)的5 倍超分辨倍率接近。

為進(jìn)一步驗(yàn)證宏觀反射式近紅外主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像地面實(shí)驗(yàn)裝置的超分能力，我們?nèi)园? 倍超分，掃描頻譜重疊率83%設(shè)計(jì)，只改變成像距離，分別采集z=0.85 m、1.04 m、1.23 m 時(shí)的低分辨率圖像序列，然后進(jìn)行超分重構(gòu)。表2 是對(duì)不同成像距離下地面實(shí)驗(yàn)裝置的超分能力分析。

表2 不同成像距離下地面實(shí)驗(yàn)裝置的超分能力分析Table 2 The super-resolution capability of the experiment setup at different imaging distance

由表2 分析可知，宏觀反射式近紅外主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像地面實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際超分倍率與設(shè)計(jì)的超分辨倍率基本一致，新型主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)小孔徑相機(jī)的成像能力實(shí)現(xiàn)了極大的提升。

5 結(jié)論

本文基于光源掃描的宏觀反射式傅里葉疊層成像理論模型，提出了一種基于主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像的空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用近紅外激光主動(dòng)照明，可滿足地影區(qū)成像需求，提升空間目標(biāo)探測(cè)能力。該系統(tǒng)采用單個(gè)小孔徑光學(xué)成像單元，實(shí)現(xiàn)接近等效合成孔徑倍率的超分辨目標(biāo)圖像，可大幅縮減口徑需求，有效降低系統(tǒng)研制難度。本文通過(guò)搭建的宏觀反射式主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像地面實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了系統(tǒng)的超分辨成像能力，為天基應(yīng)用提供了一種新的解決途徑。但在由實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證向工程在軌應(yīng)用推進(jìn)的過(guò)程中還需要突破高功率近紅外激光器技術(shù)、高精度光束指向控制技術(shù)以及紅外探測(cè)器拼接技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。本文提出的基于主動(dòng)相干光學(xué)合成孔徑超分辨成像的新型空間目標(biāo)探測(cè)技術(shù)也可應(yīng)用于近地軌道對(duì)地高分辨率成像、高軌對(duì)地高分辨率成像等領(lǐng)域。