位相差异波前传感技术(Phase Diversity Wave-front Sensing Technique,PD)是位相恢复波前传感技术的一种,该技术能够从同一目标场景的至少两幅图像中提取出关于目标和波前位相的信息,而两幅图像之间只需要存在一个已知的位相差异即可。对比之下,PD技术不依赖于大气统计特性,也不需要参考目标,用于波前传感的光学成像系统简单,所需附加硬件少,故减小了所引入系统的误差,每个光子都可以被用于正常成像和波前误差的估计,波前计算与图像内容无关且适用于点目标及扩展目标。PD技术的这些优势使得在轨监测空间相机的波前状态成为可能,并为空间相机进行空间目标探测成像提供了有力的技术支持。本文基于PD的技术优势进行了理论仿真、算法改进和外场实验验证,并取得了一定的研究成果。论文的研究内容和研究成果主要包括如下:第一,针对PD技术对误差因素的敏感性问题展开适应性分析。基于Matlab完成PD在理想情况和噪声情况下的代价函数的编写,并在代价函数中引入正则项,提高算法的收敛速度;然后,编写BFGS寻优算法,实现高精度的波前复原和高质量的图像重构。随后,对影响PD适用性范围的五类误差因素逐一展开仿真分析,研究结果表明,引入的离焦尺度应控制在0.2?到1.2?的范围内、离焦控制精度应控制在0.15?到0.75?的范围内、系统波前畸变应控制在0.3?到1.2?的范围内、噪声(高斯噪声)干扰应控制在高斯噪声方差从0.0001到0.0005的强度等级内、反演图像的尺寸应小于128?128像素。通过以上针对PD技术对误差因素敏感性问题的适应性分析,为PD技术在实际实验和工程应用提供了有效的参数支持。第二,应用波前编码技术实现对PD技术适用性范围的有效扩展。为增强PD技术的适用性,通过对离焦尺度和波前畸变两个对PD技术应用能力构成影响的因素进行适应性范围的拓展研究,说明波前编码大焦深成像机理对PD技术所允许的波前畸变大小进行了有效扩展并实现对离焦控制精度的不敏感,由此增强PD技术的适用性。研究结果表明:在三次方型位相掩模板的辅助下,PD技术对离焦尺度的适应性范围可以有效拓展到8.0?,离焦尺度的适应性范围扩展了近8倍;同样的,PD技术对于波前畸变的适应性范围可以有效拓展至2.0075?,波前畸变的适应性范围扩展了近1倍。通过以上分析,为应用波前编码技术实现对PD技术适应性范围的拓展提供了有效的技术参数支持。第三,PD在空间目标探测成像中的研究。PD在探测空间目标时,由于远距离、低照度的外部因素,图像重构过程中易受到Poisson噪声严重干扰,故引入NLM算法作为预处理过程,首先对受污染噪声图像做去噪预处理,将得到的图像再带入建立好的PD模型中进行图像重构,从而最大限度的减小Poisson噪声的存在,保证采集图像中的精细结构不受到破坏,实现高质量成像的需求。通过数值仿真分析和外场实验验证,均证明了修正PD技术的有效性。分析结果表明,与传统PD技术相比,修正的PD技术的波前RMS在Poisson噪声强度从24.48dB到61.30dB的变化范围内,下降近51%。与传统PD技术相比,修正的PD技术的SSIM值整体下降幅度从47%降低至17%。鄂尔多斯外场实验实际验证结果和数值仿真分析的结果呈现相同的改善趋势,继而充分证明了修正PD技术进行空间目标探测成像时的实际效能。