利用88单元变形镜及电荷耦合器件成像器件,以扩展目标为校正对象,建立了带有噪声的无波前探测自适应光学系统模型。在噪声情况下,验证了扩展目标成像时掩模探测器信号和波前相位的平均梯度平方和之间存在线性关系。将基于此线性关系的算法作为无波前探测自适应光学系统的控制算法,通过仿真,检验了模型式无波前探测自适应光学系统在噪声情况下对扩展目标成像的校正能力。结果表明,相同湍流条件、不同信噪比下的校正效果接近。按照湍流条件从小到大的顺序,与信噪比为20 dB的结果相比,信噪比为5 dB时校正后的平均均方根相对误差分别为3.71%,2.94%和2.42%,说明基于该线性关系的模型控制算法具有较强的抗噪能力。

现代传感器分辨能力的大幅提升使得观测对象不再被认为是点目标,而是具有一定形态的扩展目标。传统上基于点目标假设所取得的建模与状态估计研究成果已不再适用于现今许多的实际应用场景,特别是当扩展目标发生机动时,其运动状态和扩展形态(形状和朝向)往往同时发生突变,且二者具有紧密的耦合关系。为了解决这一问题,对扩展目标机动过程的不确定性、整体机动演化形式及其耦合性展开研究,建立起通用的机动扩展目标混合系统建模框架。结果表明:利用所提模型的线性形式,可以很便利地推导出一种高效的机动扩展目标运动状态和扩展形态联合估计算法;不同场景内的仿真和性能评估结果验证了所提建模和跟踪方法的有效性。

针对扩展目标在跟踪过程中存在的因旋转、尺度变化和目标部分区域离开视场时引起的漂移等问题, 提出了一种在特征点匹配的基础上结合广义Hough变换的扩展目标跟踪方法。采用ORB特征处理相邻两帧图像, 得到初始匹配特征点, 然后再用随机采样一致处理筛选出匹配正确率高的特征点作为基础特征点, 利用这些基础特征点进行广义Hough变换, 提取出一个相对位置固定的跟踪点对目标进行跟踪。实验表明, 该方法具有能保持跟踪点的相对位置固定的特性。

采用空域滤波方法和海洋湍流功率谱, 编制了海洋湍流中扩展物体漫反射光成像的模拟仿真程序, 研究了成像质量与海洋湍流参数和接收孔径之间的关系。研究发现, 随着海水湍流功率谱中由温度引起的海水折射率变化与由盐度变化引起的海水折射率变化的比率的增大, 海水温度方差耗散率的增大, 以及单位质量海水动能耗散率的减小, 海洋湍流的可见参数减小, 成像质量变差。该数值模拟方法为研究海洋湍流中扩展物体的漫反射光成像提供了一种可行、正确的方法。

为了验证高精度传感器量测下某种扩展目标跟踪算法的有效性，往往需要与其它算法进行对比，并评估其估计性能。与传统的点目标不同，扩展目标跟踪的主要任务不仅仅是要估计出目标的运动状态，更重要的是要对其扩展形态进行精确估计。因此，对扩展目标的形态估计性能评估有着迫切的需求。针对基于星凸形和支撑函数这两种具有代表性的扩展目标模型，考虑到其所具有的不同的形态参数描述方式，提出了一种具有不同数学形式的改进豪斯多夫距离来解决此问题。仿真实验表明，提出的改进豪斯多夫距离能够作为一种有效的度量准则来对扩展目标的形态估计性能进行有效评估。

分析了影响大气层内扩展目标成像对比度的主要因素, 研究了整体倾斜校正对扩展目标对比度影响的数学关系, 并分析了采用绝对差分算法提取整体相位倾斜的复杂度优化问题。采用快速倾斜镜对成像光束整体倾斜进行校正能够提高扩展目标的成像对比度, 降低后端数字图像处理的难度, 进一步减少目标识别和跟踪所需要的时间,对提高低对比度目标的光电跟踪效率具有参考意义。

基于离焦光栅的波前传感器具有全光学测量、光路简单、使用方便和受机械振动影响小等优点, 在波前传感领域有着巨大的应用潜力。然而传统基于离焦光栅的波前复原算法仅适用于点目标的场合, 对扩展目标的波前无能为力。为了扩展该技术的应用领域, 提出一种基于离焦光栅的最小二乘波前复原算法, 该算法不仅适用于点目标的波前复原, 而且适用于扩展目标的波前复原与目标像的重建。给出了波前复原过程的数值仿真, 在理想情况下, 复原结果的均方根误差为0.18%。另外分析了影响复原精度的主要因素, 并与传统算法进行对比分析。结果表明, 新算法能够准确地对点目标和扩展目标进行波前复原。

大气湍流和成像系统噪声的存在使得观测的扩展目标图像退化、扭曲，进而无法辨认其细节。目前，常采用自适应光学技术实时去除由于大气湍流带来的像差。以61单元变形镜作为校正器，随机并行梯度下降算法作为无波前探测自适应光学系统的控制算法，扩展目标图像灰度值的方差函数作为控制算法优化的性能指标函数，建立无波前探测自适应光学系统仿真模型，分析成像系统噪声对无波前探测自适应光学校正效果的影响。结果表明，当像差较小且图像信噪比大于20 dB时，自适应光学技术的校正效果几乎不受影响；但随着信噪比的减小，校正效果对比无噪声时明显变差。相同的信噪比条件下，像差越大，成像效果受噪声的影响越大。

迭代位移叠加法(ISA)是一种天文高分辨空域统计重建方法, 对双星等多点源天文目标的空域统计重建试验表明, 多点源目标的重建效果优于经典的重谱法, 计算速度也比重谱法快。该方法不能直接应用于太阳或卫星等天文和空间扩展目标的高分辨重建中, 因此对迭代位移叠加法进行修正后进行了不同光子水平下的人造卫星的高分辨重建的数值仿真试验。对暗弱扩展目标的仿真重建试验表明, 修正的迭代位移叠加法具有明显的抑制光子噪声的效果, 具有比重谱法等频域重建方法更好的重建效果。

在太阳自适应光学系统中,通常采用绝对差分或者互相关因子算法进行哈特曼波前探测。本文给出了一种基于绝对差分算法的相关HS(Hartmann-Shack)波前处理机的设计结果。针对子孔径阵列呈6×6方形排布,单个子孔径大小为32pixels×32pixels,参考模板大小为16pixels×16pixels的相关HS波前传感器,采用绝对差分算法在单片FPGA内实现了对波前的实时处理。实验结果表明,该处理机峰值运算量超过230亿次/s,系统延时120μs,能够满足1000Hz的CCD采样要求。本设计在单片FPGA内实现,具有成本低、易维护、集成度高的特点。