CN102122082B - 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 - Google Patents

Abstract

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，由稀疏光学合成孔径望远镜、自适应光学系统、误差补偿器、误差补偿控制器、分束器、光束开关、消色差成像元件、科学级相机、误差计算单元组成。其中光束开关、消色差成像元件、科学级相机和误差计算单元构成误差探测模块；误差补偿器和误差补偿控制器构成误差补偿模块；另一套消色差成像元件和科学级相机构成成像模块。误差探测模块完成对相位平移误差的求解。误差补偿模块对相位平移误差进行补偿。针对不同子孔径对进行上述探测、补偿过程可实现系统内相位平移误差的完整校正。该装置可有效实现相位平移误差的探测和补偿功能，在准确性、实时性等方面较目前同类系统中的探测技术有所改善。

Description

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

技术领域

本发明涉及一种基于远场相似度的稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置。

背景技术

作为非相干光学合成孔径技术的一个重要分支，稀疏合成孔径技术利用特定空间排布的多子孔径直接相干合成对目标成像，具有直接成像和瞬时频率覆盖等优点。相位平移误差(也称piston误差)的校正问题对系统能否实现高分辨力成像有重要影响，相位平移误差的探测也已成为相关领域研究的焦点之一。目前，已提出的探测技术主要包括以下几种：

(1)条纹模式追踪法(Fringe Pattern Tracking)：

国外文献“Measuring phase errors of an array or segmented mirror with a singlefar-field intensity distribution”Proc.SPIE 1542，1991，提出在忽略子孔径波前内的高阶像差和子孔径瞳面范围内的空间频率变化时，系统远场强度的极小值和距离最亮像点最近的两极小值的相对位置与某一对子孔径间相位平移误差是直接相关的。文献“Activelyco-phased interferometry with SUN/SUMURIS”Proc.SPIE 1947，1993，基于SolarUltraviolet Network(SUN)系统提出通过探测中心条纹与合成艾里斑中心之间的相对距离可以求出相位平移误差。

(2)基于相位差算法(Phase Diversity)：

国外文献“Fizeau Interferometry Test-bed：Wavefront Control”Proc.SPIE 5487，2004，对以激光为目标光时分别采用离焦和波长偏移两种方式实现的基于相位差算法的共相探测方案进行了实验研究。Rick Kendrick和Joseph C.Marron在文章“Analytic VersusAdaptive Image Formation Using Optical Phased Arrays”Proc.SPIE 7468，2009，中指出可采用图像锐化指标作为相位差算法中的误差因子来实现对相位平移误差的探测。国内易红伟对基于自组织特征映射网络(SOFM)的相位差算法在相位平移误差探测方面的应用给予了理论分析和初步实验研究。

(3)基于散斑三维傅氏变换算法(3-D Fourier Transform on Dispersed Fringes)：

国外文献“A wave-front analysis algorithm for multi-aperture interferometersand hypertelescopes”Proc.ESLAB Symposium36，2004提出了完整的“散斑三维傅氏变换算法”(3-D Fourier Transform on Dispersed Fringes)以实现相位平移误差的探测。

此外，针对典型的双子孔径稀疏合成孔径望远镜系统-LBT系统中的相位平移误差探测问题，文献“The Correction of pistonic aberrations at the LBT-A near-infrared Fringeand Flexure Tracker for LINC”Proc.SPIE 4838，2003，提出用远场理论模型拟合观测图像进行探测的方法。国外文献“Autonomous“p/tilt alignment and phasing of adistributed aperture imaging test-bed”OPTICS EXPRESS 18(12)，2010，提出了利用调制传递函数的次峰强度变化规律结合远场图像对称性的探测方法，该方法需要借助相位差算法解决相位平移误差探测中的符号判断与2π模糊性问题。

由于受大气湍流的影响，稀疏光学合成孔径系统中子孔径间的相位平移误差是实时变化的，为了实现系统的高分辨力成像，相位平移误差的探测需要解决符号判断和2π模糊性等问题。但目前的条纹模式追踪法只利用了图像中的特殊信息，信息利用率不高，尤其在目标强度较弱时，探测准确性会降低。而基于相位差算法的探测技术需要多次的迭代计算才能恢复出相位平移误差，实时性有限。基于散斑三维傅氏变换算法的探测技术的计算过程较为繁琐，在实际稀疏光学合成孔径系统中的具体实现方式尚待论证。LBT项目中提出的用远场理论模型拟合观测图像的探测方法仅在目标光为单波长的条件下得到了初步的实验验证。而利用调制传递函数次峰强度的变化规律结合远场图像对称性的探测方法在解决符号判断与2π模糊性方面并不完善。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有相位平移误差探测技术的不足，提供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，有效解决了相位平移误差探测中的符号判断和2π模糊性问题，在探测准确性和实时性等方面相比既有的探测技术有明显改善。

本发明技术的解决方案：稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置包括：稀疏光学合成孔径望远镜系统1、第一自适应光学系统2、第二自适应光学系统3、分束器6、误差补偿模块、误差探测模块和成像模块，其中误差补偿模块由误差补偿器4和误差补偿控制器5构成；成像模块由第二消色差成像元件9和第二科学级相机11构成；误差探测模块由光束开关7、第一消色差成像元件8、第一科学级相机10和误差计算单元12组成；远处目标光波经过稀疏光学合成孔径望远镜系统1后，子孔径的接收波前包括大气湍流引起的相位畸变，每个子孔径的整体波前之间还存在着相位平移误差；第一自适应光学系统2与第二自适应光学系统3分别对子孔径a与子孔径b自身接收波前的倾斜与更高阶畸变进行校正，之后的光束经误差补偿器4到达分束器6，在此处，一部分光依次经过第二消色差成像元件9和第二科学级相机11成像，实现对目标的观测；另一部分光进入误差探测模块完成对子孔径间相位平移误差的实时探测，探测中首先保持误差探测模块中的光束开关7为关闭状态，由第一消色差成像元件8对目标经参考子孔径远场成像，由第一科学级相机10获取此远场分布并存储于误差计算单元12中；之后打开光束开关7，由第一消色差成像元件8对目标经这一对子孔径远场成像，由第一号科学级相机10获取此远场分布并存储于误差计算单元12中；接着在误差计算单元12中根据这两套远场分布得到相应的远场相似度函数，基于函数最大值的对应坐标计算出相位平移误差，将计算结果反馈至误差补偿模块中的控制器5实现对误差补偿器4的控制，完成该对子孔径间相位平移误差的补偿；对系统其它的子孔径对实施上述探测和补偿过程以实现系统内相位平移误差的完整校正；

所述误差计算单元12中根据目标分别经某一对子孔径和其中参考子孔径所得的远场分布构造的远场相似度函数如下：

$D_p\left(x\right)=\frac{I_{\mathrm{total}}\left(x\right)-2I_{\mathrm{ref}}\left(x\right)}{2I_{\mathrm{ref}}\left(x\right)}---\left(1\right)$

其中x为第一科学级相机10接收面上的X轴坐标，对应着子孔径a与子孔径b所成的基线方向；I_total(x)表示目标经该对子孔径，即子孔径a与b所得远场沿X轴，即基线方向的分布，I_ref(x)表示目标经参考子孔径，即子孔径a所得远场沿X轴，即基线方向的分布；

获得上述特征函数的数学表达的基础上，相位平移误差由下式确定：

$\mathrm{piston\; error}=\frac{R}{f}\·X_m\left(D_p\right)---\left(2\right)$

其中，R为子孔径a与子孔径b的中心距，f为第一消色差成像元件8的焦距，X_m(D_p)为远场相似度函数D_p沿X轴上最大值对应点坐标；由误差计算单元12按照公式1计算出远场相似度函数D_p，再根据该函数沿X轴上的最大值对应点的坐标X_m(D_p)代入上公式2可得到该对子孔径间的相位平移误差。

所述误差计算单元12的硬件由FPGA芯片实现，或DSP芯片实现，也可以由其它类型的高速数据处理器例如ASIC专用集成电路等实现，以保证相位平移误差探测的实时性。

所述误差补偿模块中误差补偿控制器5包含控制信号转换单元51与控制单元52，其中控制信号转换单元51将误差计算单元12中得到的两子孔径，即子孔径a与b波前之间的相位平移误差转换为误差补偿器4中锥形反射镜41所需的移动量p和移动方向，所述移动量p按公式

计算，移动方向根据相位平移误差的正负而定，若相位平移误差为正，则移动方向为使非参考子孔径b的光程缩短的方向，反之，移动方向为使非参考子孔径b的光程增加的方向；所述控制单元中52采用比例-积分控制方式、比例-微分控制方式，或比例-积分-微分控制方式控制误差补偿器4中的锥形反射镜41移动，完成对两子孔径，即子孔径a与b波前之间的相位平移误差的补偿；

所述误差补偿器4包含一个安装在导轨44上的锥形反射镜41和两个固定的平面反射镜42、43，两个平面反射镜42、43对称放置，锥形反射镜41的初始位置位于这一对平面反射镜42、43的对称轴上；锥形反射镜41可以沿导轨移动，通过误差补偿控制器5锥形反射镜41的移动进行控制，实现对两子孔径a与b波前之间的相位平移误差的补偿。

所述光束开关7采用光束遮拦方式或反射方式，或采用折射方式。

所述第一消色差成像元件8和第二号消色差成像元件9利用消色差胶合透镜实现，或利用消色差分离透镜实现。

所述第一科学级相机10，第二科学级相机11，是科学级CCD相机，或科学级CMOS相机。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明有效解决了相位平移误差探测中的符号判断和2π模糊性问题，在探测准确性和实时性等方面相比既有的探测技术有明显改善，通过在稀疏光学合成孔径望远镜系统中引入误差探测模块和误差补偿模块，在对系统不同角度远场成像特征进行综合利用的基础上完成子孔径间相位平移误差的探测和补偿，最终实现系统内相位平移误差的完整校正，更准确性和实时性地对相位平移误差进行校正，探测并补偿稀疏光学合成孔径成像系统中子孔径间的相位平移误差。

(2)本发明中通过综合分析目标分别经系统内某一对子孔径和其中参考子孔径所得的远场分布的方法，构建远场相似度函数以求解子孔径间的相位平移误差，充分利用了系统不同角度的远场成像特征，信息利用率高。

(3)本发明中某一对子孔径间的相位平移误差与远场相似度函数最大值的对应坐标之间构成直接对应的线性关系，有效解决了相位平移误差探测中的符号判断及2π模糊性问题，计算结果可以真实反映相位平移误差量。

(4)本发明中的光束开关和误差计算单元可以高速实现，在piston探测过程中无需复杂的数据运算，提高了相位平移误差校正的整体实时性。

(5)本发明中相位平移误差探测模块的实现所需仪器和设备易于配置，实现方便。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为远场相似度函数分布示意图；

图3为本发明中误差补偿器与误差补偿控制器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由稀疏光学合成孔径望远镜1、第一自适应光学系统2(针对参考子孔径a)，第二自适应光学系统3(针对非参考子孔径b)，误差补偿器4，误差补偿控制器5，分束器6，光束开关7，第一消色差成像元件8，第二消色差成像元件9，第一科学级相机10，第二科学级相机11，误差计算单元12组成，其中第二消色差成像元件9和第二科学级相机11为成像模块；光束开关7、第一消色差成像元件8、第一科学级相机10和误差计算单元12组成误差探测模块，误差补偿器4和误差补偿控制器5组成误差补偿模块。

远处目标光波经过稀疏光学合成孔径望远镜系统1后，每个子孔径的接收波前不仅包括大气湍流引起的相位畸变，子孔径的整体波前之间还存在着相位平移误差。首先由第一自适应光学系统2和第二自适应光学系统3分别对系统某两个子孔径自身接收波前中的倾斜和高阶像差进行探测与校正；之后的光束经误差补偿器4到达分束器6，在此处，一部分光依次经过第二消色差成像元件9和第二科学级相机11成像，实现对目标的观测，另一部分光进入误差探测模块完成对子孔径间相位平移误差的实时探测。

当稀疏光学合成孔径望远镜1开始稳定工作后，首先保持误差探测模块中的光束开关7为关闭状态，由第一消色差成像元件8对目标经参考子孔径远场成像，由第一科学级相机10获取此远场分布并存储于误差计算单元12中；之后打开光束开关7，由第一消色差成像元件8对目标经这一对子孔径远场成像，由第一号科学级相机10获取此远场分布并存储于误差计算单元12中；接着在误差计算单元12中根据这两套远场分布得到相应的远场相似度函数，基于函数最大值的对应坐标计算出相位平移误差，将计算结果反馈至误差补偿模块中的控制器5实现对误差补偿器4的控制，完成该对子孔径间相位平移误差的补偿。对系统其它的子孔径对实施上述探测和补偿过程以实现系统内相位平移误差的完整校正。

第一自适应光学系统2与第二自适应光学系统3的结构一致，区别仅在于分别针对子孔径a与子孔径b进行倾斜与高阶波前像差校正。二者在结构上均为一般自适应光学系统的形式，均由波前校正器、波前传感器和波前控制器构成。在第一自适应光学系统2与第二自适应光学系统3中，由波前传感器实时探测出波前畸变，波前控制器将此波前畸变处理得到控制信号并加到波前校正器上，由波前校正器产生与探测到的波前畸变大小相等符号相反的波前校正量，从而使子孔径a或b自身内的倾斜与高阶波前畸变得到补偿。这样，经过第一自适应光学系统2与第二自适应光学系统3的校正，子孔径a与子孔径b的波前之间仅存在整体的相位平移误差。

误差计算单元12中根据目标分别经某一对子孔径和其中参考子孔径所得的远场分布构造的远场相似度函数如下：

$D_p\left(x\right)=\frac{I_{\mathrm{total}}\left(x\right)-2I_{\mathrm{ref}}\left(x\right)}{2I_{\mathrm{ref}}\left(x\right)}---\left(1\right)$

其中x为第一科学级相机10相机接收面上的X轴坐标，对应着子孔径a与子孔径b所成的基线方向；I_total(x)表示目标经该对子孔径(子孔径a与b)所得远场沿X轴(基线方向)的分布，I_ref(x)表示目标经其中的参考子孔径(子孔径a)所得远场沿X轴(基线方向)的分布。

获得上述特征函数的数学表达的基础上，相位平移误差由下式确定：

$\mathrm{piston\; error}=\frac{R}{f}\·X_m\left(D_p\right)---\left(2\right)$

其中，R为子孔径a与子孔径b的中心距，f为第一消色差成像元件8的焦距，X_m(D_p)为远场相似度函数D_p沿X轴上最大值对应点坐标。由误差计算单元12按照公式1计算出远场相似度函数D_p，再根据该函数沿X轴上的最大值对应点的坐标X_m(D_p)代入上公式2可得到该对子孔径间的相位平移误差。

如图2所示，为远场相似度函数分布示意图，以相位平移误差为0.27μm时为例。图中曲线的横坐标为相机接收面上X轴坐标，其单位“λ₀F_焦比”中的λ₀表示可见光波段的中心波长(约0.55μm)，F_焦比表示远场成像焦距与子孔径半径的比值。曲线的纵坐标为远场相似度函数的数值。如图2所示，根据远场相似度曲线中的最大值点所对应X轴坐标可以计算出相位平移误差。

如图3所示，误差补偿器4与误差补偿控制器5的结构，误差补偿器4包含一个安装在导轨44上的锥形反射镜41和两个固定的平面反射镜42、43，两个平面反射镜42、43对称放置，锥形反射镜41的初始位置位于这一对平面反射镜42、43的对称轴上。如图4所示，锥形反射镜41可以沿导轨按图示方向移动，这样两子孔径(子孔径a与b)经自适应光学系统后的光束经过锥形反射镜41的作用后，光程差发生了改变，通过误差补偿控制器5对锥形反射镜41的移动进行控制，可以实现对两子孔径(子孔径a与b)波前之间的相位平移误差的补偿。经过误差补偿器4之后的光束入射至分束元件6上完成后续流程。

如图3所示，误差补偿控制器5包含控制信号转换单元51与控制单元52。其中，控制信号转换单元51将误差计算单元12中得到的两子孔径(子孔径a与b)波前之间的相位平移误差转换为误差补偿器4中锥形反射镜所需的移动量p和移动方向。移动量p的计算式如下：

移动方向根据相位平移误差的正负而定，若相位平移误差为正，则移动方向为使非参考子孔径b的光程缩短的方向，反之，移动方向为使非参考子孔径b的光程增加的方向。

控制单元52中采用比例-积分控制方式、比例-微分控制方式，或比例-积分-微分控制方式，以控制误差补偿器4中的锥形反射镜41移动，完成对两子孔径(子孔径a与b)波前之间的相位平移误差的补偿。

光束开关7可采用光束遮拦方式，或采用反射方式，或采用折射方式对非参考子孔径b的接收光束进行阻挡或导通，以控制其是否进入第一消色差成像元件8。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，其特征在于包括：稀疏光学合成孔径望远镜系统（1）、第一自适应光学系统（2）、第二自适应光学系统（3）、分束器（6）、误差补偿模块、误差探测模块和成像模块，其中误差补偿模块由误差补偿器（4）和误差补偿控制器（5）构成；成像模块由第二消色差成像元件（9）和第二科学级相机（11）构成；误差探测模块由光束开关（7）、第一消色差成像元件（8）、第一科学级相机（10）和误差计算单元（12）组成；远处目标光波经过稀疏光学合成孔径望远镜系统（1）后，子孔径的接收波前包括大气湍流引起的相位畸变，每个子孔径的整体波前之间还存在着相位平移误差；第一自适应光学系统（2）与第二自适应光学系统（3）分别对子孔径a与子孔径b自身接收波前的倾斜与更高阶畸变进行校正，之后的光束经误差补偿器（4）到达分束器（6），在此处，一部分光依次经过第二消色差成像元件（9）和第二科学级相机（11）成像，实现对目标的观测；另一部分光进入误差探测模块完成对子孔径间相位平移误差的实时探测，探测中首先保持误差探测模块中的光束开关（7）为关闭状态，由第一消色差成像元件（8）对目标经参考子孔径远场成像，由第一科学级相机（10）获取此远场分布并存储于误差计算单元（12）中；之后打开光束开关（7），由第一消色差成像元件（8）对目标经这一对子孔径远场成像，由第一科学级相机（10）获取此远场分布并存储于误差计算单元（12）中；接着在误差计算单元（12）中根据这两套远场分布得到相应的远场相似度函数，基于函数最大值的对应坐标计算出相位平移误差，将计算结果反馈至误差补偿模块中的控制器（5）实现对误差补偿器（4）的控制，完成该对子孔径间相位平移误差的补偿；对系统其它的子孔径对实施上述探测和补偿过程以实现系统内相位平移误差的完整校正；

所述误差计算单元（12）中根据目标分别经某一对子孔径和其中参考子孔径所得的远场分布构造的远场相似度函数如下：

$D_p\left(x\right)=\frac{I_{\mathrm{total}}\left(x\right)-2I_{\mathrm{ref}}\left(x\right)}{2I_{\mathrm{ref}}\left(x\right)}---\left(1\right)$

其中x为第一科学级相机（10）接收面上的X轴坐标，对应着子孔径a与子孔径b所成的基线方向；I_total(x)表示目标经该对子孔径，即子孔径a与b所得远场沿X轴，即基线方向的分布，I_ref(x)表示目标经参考子孔径，即子孔径a所得远场沿X轴，即基线方向的分布；

获得上述特征函数的数学表达的基础上，相位平移误差由下式确定：

$\mathrm{piston\; error}=\frac{R}{f}\·X_m\left(D_p\right)---\left(2\right)$

其中，R为子孔径a与子孔径b的中心距，f为第一消色差成像元件（8）的焦距，X_m(D_p)为远场相似度函数D_p沿X轴上最大值对应点坐标；由误差计算单元（12）按照公式（1）计算出远场相似度函数D_p，再根据该函数沿X轴上的最大值对应点的坐标X_m(D_p)代入公式（2）可得到该对子孔径间的相位平移误差。

2.根据权利要求1所述的稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，其特征在于：所述误差计算单元（12）的硬件由FPGA芯片或DSP芯片或ASIC专用集成电路实现，以保证相位平移误差探测的实时性。

3.根据权利要求1所述的稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，其特征在于：所述误差补偿器（4）包含一个安装在导轨（44）上的锥形反射镜（41）和两个固定的平面反射镜（42、43），两个平面反射镜（42、43）对称放置，锥形反射镜（41）的初始位置位于这一对平面反射镜（42、43）的对称轴上；锥形反射镜（41）可以沿导轨移动，通过误差补偿控制器（5）对锥形反射镜（41）的移动进行控制，实现对两子孔径a与b波前之间的相位平移误差的补偿。

所述误差补偿模块中误差补偿控制器（5）包含控制信号转换单元（51）与控制单元（52），其中控制信号转换单元（51）将误差计算单元（12）中得到的两子孔径，即子孔径a与b波前之间的相位平移误差转换为误差补偿器（4）中锥形反射镜（41）所需的移动量p和移动方向，所述移动量p按公式

计算，移动方向根据相位平移误差的正负而定，若相位平移误差为正，则移动方向为使非参考子孔径b的光程缩短的方向，反之，移动方向为使非参考子孔径b的光程增加的方向；所述控制单元（52）中采用比例积分控制方式、或比例-微分控制方式，或比例-积分-微分控制方式控制误差补偿器（4）中的锥形反射镜（41）移动，完成对两子孔径，即子孔径a与b波前之间的相位平移误差的补偿；

4.根据权利要求1所述的稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，其特征在于：所述的光束开关（7）采用光束遮拦方式。

5.根据权利要求4所述的稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，其特征在于：光束遮拦方式采用反射方式或采用折射方式。

6.根据权利要求1所述的稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，其特征在于：所述第一消色差成像元件（8）和第二消色差成像元件（9）利用消色差胶合透镜实现，或利用消色差分离透镜实现。

7.根据权利要求1所述的稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，其特征在于：所述第一科学级相机（10），第二科学级相机（11），是科学级CCD相机，或科学级CMOS相机。

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