CN105425378A - 一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，包括卡塞格林天文望远镜系统、中继光路系统和瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统组成，卡塞格林天文望远镜系统将空间目标放大；中继光路系统将卡塞格林天文望远镜的出瞳共轭到后端瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统；瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统中，分束镜将光分为两部分分别通往微阵列透镜和夏克-哈特曼波前相位传感器，微阵列透镜位于出瞳共轭面，和阵列光子计数器共同实现对波前振幅的测量，夏克-哈特曼波前相位传感器也位于出瞳共轭面，实现对波前相位的测量，最终通过数复振幅拼接和图像处理计算机实现多帧复振幅在虚拟孔径上的拼接；本发明成像精度高。

Description

一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统

技术领域

本发明涉及一种孔径受限的天文望远镜系统通过虚拟孔径复振幅拼接技术实现超分辨率成像的技术手段，特别适用于对恒星和空间目标的成像。

背景技术

从1609年伽利略使用望远镜观测天体到现在的400多年时间内，望远镜的口径越做越大，迄今为止已经建成多台4米以上级别的大口径望远镜，但是如果要建造口径达10米甚至几十米的单口径望远镜，则无论从镜面材料制备、加工检测、支撑结构还是工程造价方面，都存在极大的困难。人们开始另辟蹊径，寻求新的原理和方法来突破单孔径望远镜系统制造的诸多困难，同时满足观测分辨力的需求。

美国30米望远镜(TMT)采取子镜拼接技术，将使用492块拼接子镜构成。子镜拼接技术由于制造误差、离轴设计误差和装配质量等因素的限制，会导致子镜之间出现平移(piston)误差和倾斜(tip/tilt)误差，从而导致拼接镜面的相位不一致，系统程序质量大大降低，因此如何控制各子镜之间的位置和面型使之能够满足系统共相精度的要求，是拼接型望远镜实现高分辨观测不可回避的问题。

LBT望远镜采取的是稀疏孔径技术，将两个小孔径子望远镜的光，通过光学手段在后端合成，得到超过单个子望远镜的分辨率。子望远镜之间的动态共相误差探测是非常困难的，而且子望远镜的光束传输到最终的光束合成器上需要经过一个瞳面映射过程，该映射需要满足非常精确的匹配关系，使得系统的光路设计和调整变得异常复杂。

正在研制的GMT(GiantMagellanTelescope)望远镜则是采用多镜面技术，该望远镜由7块8.4米的分离子镜来共同构成一个主镜，一个位于中心，其它的六个对称排列在周围，系统等效口径打到24.4米。其子镜是离轴抛物面，在加工和装调上有很大的工程难度。

基于多镜面望远镜系统存在两个技术难点：如何实现分离子镜湍流整体波面误差探测和分离子镜之间的共相误差探测。因此充分利用单口径望远镜实现更高的分辨率成像，有很大的科研意义。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，可以在探测波长一定，光学孔径一定的情况下提高光学系统分辨率；且只需要在后端增加少量光电器件，不影响天文望远镜主光路，特别适用于现有的小口径天文望远镜。

本发明的技术解决方案是：一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，如图1所示，包括：卡塞格林天文望远镜系统(1)、中继光路系统(8)和瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统(11)；所述卡塞格林天文望远镜系统(1)包括：抛物面主镜(2)、球面次镜(3)、第一平面反射镜(4)、第二平面反射镜(5)、第三平面反射镜(6)、第四平面反射镜(7)、方位轴(18)、俯仰轴(19)；所述中继光路系统(8)包括：两个离轴抛物镜(9,10)；所述瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统(11)包括：分束镜(12)、微阵列透镜(13)、阵列光子计数器(14)、夏克-哈特曼波前传感器(15)、时钟同步信号系统(16)和复振幅拼接和图像处理计算机(17)；卡塞格林天文望远镜系统(1)对运动目标进行跟踪成像，在跟踪时随方位轴(18)和俯仰轴(19)转动过程中自身光学出瞳的位置保持不变；中继光路系统(8)将光学信号传导到后端瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统(11)，并分别将卡塞格林天文望远镜系统(1)的出瞳共轭到微阵列透镜(13)和夏克-哈特曼波前传感器(15)的位置；随后光学信号经分束镜(12)后，一部分经微阵列透镜(13)耦合进阵列光子计数器(14)中，得到系统的瞳面振幅分布矩阵；一部分进入夏克-哈特曼波前传感器(15)得到系统的瞳面相位分布矩阵；时钟同步信号系统(16)根据卡塞格林天文望远镜系统(1)的位置信息实现阵列光子计数器(14)和夏克-哈特曼波前传感器(15)的信号同步采集；复振幅拼接和图像处理计算机(17)利用夏克-哈特曼波前传感器(15)孔径测量的瞳面相位分布矩阵和阵列光子计数器(14)测量的瞳面振幅分布矩阵，重建波前复振幅分布，利用连续多帧图像复振幅信息的相关性，得到一个在沿目标运动方向上的多帧大复振幅面，进而计算像面光场分布，从而完成卡塞格林天文望远镜系统(1)瞳面复振幅的测量、多帧复振幅信息的拼接，最终获得超过系统理论极限分辨率的超分辨率图像相邻帧复振幅匹配与拼接。

所述多帧复振幅信息的拼接为：复振幅拼接和图像处理计算机(17)使用频域互相关算法计算相邻帧的方向平移量，再计算两帧重叠区域的平均相位差获得相邻帧的相位平移误差，然后完成相邻两帧的复振幅拼接，依次获得多帧的复振幅拼接。

所述计算远场像面的光场分布方法为：根据傅里叶光学的相关定理，远场光场分布是瞳面复振幅分布的傅里叶变换，取远场光场分布的模的平方即获得远场像面的光场分布。

所述频域互相关算法计算相邻帧的方向平移量为：相邻两帧的方向平移量(Δx,Δy)和相位平移误差获得第n帧和第n+1帧的复振幅拼接其中，j表示虚数单位 $j=\sqrt{-1};$

第n帧和第n+1帧的复振幅频域的归一化互相关函数其傅里叶逆变换的最高点的坐标即为两帧的方向平移量(Δx,Δy)，其中，表示傅里叶变换，*表示复共轭，C_n，C_n+1分别表示第n帧和第n+1帧的复振幅。

所述两帧重叠区域的平均相位差获得相邻帧的相位平移误差为：其中S_n+1为第n+1帧图像内的重叠部分，S_n为第n幅图像内的重叠部分，S为两帧重复部分的面积，分别表示第n帧和第n+1帧的复振幅。

所述的卡塞格林天文望远镜也可以用其他天文望远镜架构代替，其他天文望远镜架构包括牛顿望远镜和开普勒折射式望远镜。

所述分束镜分束比由阵列光子计数器和夏克-哈特曼波前相位传感器的子孔径数量比及量子效率比决定，以保证振幅探测光路和相位探测光路都有较高的信噪比。

所述夏克-哈特曼波前相位传感器也可以由其他波前相位传感器代替，其他波前相位传感器包括金字塔波前相位传感器。

本发明的原理：本发明包括卡塞格林天文望远镜系统、中继光路系统和瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统组成，其中，由六块平面/非平面反射镜构成的卡塞格林天文望远镜系统将空间目标放大；中继光路系统将卡塞格林天文望远镜的出瞳共轭到后端瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统；瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统中，分束镜将光分为两部分分别通往微阵列透镜和夏克-哈特曼波前相位传感器，微阵列透镜位于出瞳共轭面，和阵列光子计数器共同实现对波前振幅的测量，夏克-哈特曼波前相位传感器也位于出瞳共轭面，实现对波前相位的测量，时钟同步信号系统实现阵列光子计数器和夏克-哈特曼波前传感器的信号同步采集，最终通过数复振幅拼接和图像处理计算机实现多帧复振幅在虚拟孔径上的拼接，并通过计算获得超过真实孔径理论分辨率的超分辨率图像。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)本发明记录并拼接了光学系统瞳面的复振幅信息，而传统光学成像过程在像面上只记录了强度信息。通过本发明计算得到的虚拟孔径复振幅拼接面，能够获知更多的物体反射特性，更适用于超远距离小目标的探测和分析。

(2)本发明不需要改变天文望远镜的主体结构，只需要在现有的天文望远镜后加装波前振幅探测装置和波前相位探测装置。因此，特别适用于利用现有的小口径天文望远镜实现远距离高分辨率探测。

附图说明

图1为本发明装置的组成及原理示意图；

图2为相邻两帧复振幅经频域互相关算法之后的计算结果；

图3为相邻两帧复振幅分布和重合区域示意图。

具体实施方式

如图1所示，卡塞格林天文望远镜系统1、中继光路系统8和瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统11组成。其中，由六块平面/非平面反射镜构成的卡塞格林天文望远镜系统1将空间目标放大；中继光路系统8将卡塞格林天文望远镜1的出瞳共轭到后端瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统11；瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统11中，分束镜将光分为两部分分别通往微阵列透镜和夏克-哈特曼波前相位传感器，微阵列透镜位于出瞳共轭面，和阵列光子计数器共同实现对波前振幅的测量，夏克-哈特曼波前相位传感器也位于出瞳共轭面，实现对波前相位的测量，时钟同步信号系统实现阵列光子计数器和夏克-哈特曼波前传感器的信号同步采集，最终通过数复振幅拼接和图像处理计算机实现多帧复振幅在虚拟孔径上的拼接，并通过计算获得超过真实孔径理论分辨率的超分辨率图像。虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统成像精度高，为衍射受限光学系统实现超分辨率成像提供了一种新方法。

卡塞格林天文望远镜系统实现对运动目标的跟踪成像：当目标运动时，卡塞格林天文望远镜系统绕自身方位轴和俯仰轴旋转，保证目标位于视场中心。同时，其方位轴和俯仰轴位置经时钟同步信号系统记录，并在瞳面复振幅合成过程中作为目标位置输入量。

目标经过卡塞格林天文望远镜系统放大后，通过中继光路系统，进入瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统。光学信号经分束镜后，一部分经微阵列透镜耦合进37单元的阵列光子计数器阵列光子计数器中，得到系统的瞳面振幅分布矩阵；一部分进入127单元的夏克-哈特曼波前相位传感器得到系统的瞳面相位分布矩阵。

利用正交的泽尼克多项式计算单帧波前振幅信息：37个单元的阵列光子计数器分别编号为1,2,3……37，其坐标位置分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂)……(x₃₇,y₃₇)，其中第i个点的第j阶泽尼克项表示为z_ij，矩阵Z＝[Z_ij]为系统确定下之后的已知矩阵，取前10项泽尼克多项式，其待定系数矩阵A＝[a₁,a₂,…a₁₀]^T，阵列光子计数器输出电流值为E＝[e₁,e₂,…e₁₀]^T。则可求得A＝Z^-1E，其中Z^-1为矩阵Z的逆。此时这一帧的波前振幅信息表示为 $A_n(x,y)={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{10}{a}_j{Z}_j.$

计算单帧波前相位信息：127单元的夏克-哈特曼波前传感器子孔径分别编号为1,2,3……127，其坐标位置分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂)……(x₁₂₇,y₁₂₇)，输出值为波前相位的斜率k(x,y)。取点(x₁,y₁)为相位基准点则其中l是点(x₁,y₁)到点(x,y)的一条路径。

如图2所示，计算相邻帧之间的方向平移量：根据复原出的第n帧的复振幅信息为第n+1帧的复振幅信息为其频域的归一化互相关函数其傅里叶逆变换的最高点的坐标即为两帧的方向平移量(Δx,Δy)。其中，j表示虚数单位 表示傅里叶变换，*表示复共轭，C_n，C_n+1分别表示第n帧和第n+1帧的复振幅。

计算两帧之间的相位平移误差：其中S_n+1为第n+1帧图像内的重叠部分，S_n为第n幅图像内的重叠部分，S为两帧重复部分的面积，分别表示第n帧和第n+1帧的复振幅。

如图3所示，利用计算得到的相邻两帧的方向平移量(Δx,Δy)和相位平移误差可以获得连续两帧的复振幅拼接图中即为连续梁振图像的复振幅拼接成的更大的复振幅。按照同样的计算方法，可以把多帧具有相关性的图像复振幅进行连续拼接，最终可以得到目标在瞳面上的比原光学系统口径大很多的复振幅拼接面，经傅里叶变换即可求得像面光强分布。

总之，本发明的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统成像精度高，为衍射受限光学系统实现超分辨率成像提供了一种新方法。

Claims (10)

1.一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于包括：卡塞格林天文望远镜系统(1)、中继光路系统(8)和瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统(11)；所述瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统(11)包括：分束镜(12)、微阵列透镜(13)、阵列光子计数器(14)、夏克-哈特曼波前传感器(15)、时钟同步信号系统(16)和复振幅拼接和图像处理计算机(17)；卡塞格林天文望远镜系统(1)对运动目标进行跟踪成像，在跟踪时随方位轴(18)和俯仰轴(19)转动过程中自身光学出瞳的位置保持不变；中继光路系统(8)将光学信号传导到后端瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统(11)，并分别将卡塞格林天文望远镜系统(1)的出瞳共轭到微阵列透镜(13)和夏克-哈特曼波前传感器(15)的位置；随后光学信号经分束镜(12)后，一部分经微阵列透镜(13)耦合进阵列光子计数器(14)中，得到系统的瞳面振幅分布矩阵；一部分进入夏克-哈特曼波前传感器(15)得到系统的瞳面相位分布矩阵；时钟同步信号系统(16)根据卡塞格林天文望远镜系统(1)的位置信息实现阵列光子计数器(14)和夏克-哈特曼波前传感器(15)的信号同步采集；复振幅拼接和图像处理计算机(17)利用夏克-哈特曼波前传感器(15)孔径测量的瞳面相位分布矩阵和阵列光子计数器(14)测量的瞳面振幅分布矩阵，重建波前复振幅分布，利用连续多帧图像复振幅信息的相关性，得到一个在沿目标运动方向上的多帧大复振幅面，进而计算像面光场分布，从而完成卡塞格林天文望远镜系统(1)瞳面复振幅的测量、多帧复振幅信息的拼接，最终获得超过系统理论极限分辨率的超分辨率图像相邻帧复振幅匹配与拼接。

2.根据权利要求1所述的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于：所述多帧复振幅信息的拼接为：复振幅拼接和图像处理计算机(17)使用频域互相关算法计算相邻帧的方向平移量，再计算两帧重叠区域的平均相位差获得相邻帧的相位平移误差，然后完成相邻两帧的复振幅拼接，依次获得多帧的复振幅拼接。

3.根据权利要求1所述的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于：所述计算远场像面的光场分布方法为：根据傅里叶光学的相关定理，远场光场分布是瞳面复振幅分布的傅里叶变换，取远场光场分布的模的平方即获得远场像面的光场分布。

4.根据权利要求2所述的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于：所述频域互相关算法计算相邻帧的方向平移量为：相邻两帧的方向平移量(Δx,Δy)和相位平移误差获得第n帧和第n+1帧的复振幅拼接其中，j表示虚数单位 $j=\sqrt{-1};$

第n帧和第n+1帧的复振幅频域的归一化互相关函数其傅里叶逆变换的最高点的坐标即为两帧的方向平移量(Δx,Δy)，其中，表示傅里叶变换，*表示复共轭，C_n，C_n+1分别表示第n帧和第n+1帧的复振幅。

5.根据权利要求2所述的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于：所述两帧重叠区域的平均相位差获得相邻帧的相位平移误差为：其中S_n+1为第n+1帧图像内的重叠部分，S_n为第n幅图像内的重叠部分，S为两帧重复部分的面积，分别表示第n帧和第n+1帧的复振幅。

6.根据权利要求1所述的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于：所述的卡塞格林天文望远镜(1)也可以用其他天文望远镜架构代替，其他天文望远镜架构包括牛顿望远镜和开普勒折射式望远镜。

7.根据权利要求1所述的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于：所述分束镜分束比由阵列光子计数器和夏克-哈特曼波前相位传感器的子孔径数量比及量子效率比决定，以保证振幅探测光路和相位探测光路都有较高的信噪比。

8.根据权利要求1所述的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于：所述夏克-哈特曼波前相位传感器也可以由其他波前相位传感器代替，其他波前相位传感器包括金字塔波前相位传感器。

9.根据权利要求1所述的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于：所述卡塞格林天文望远镜系统(1)包括：抛物面主镜(2)、球面次镜(3)、第一平面反射镜(4)、第二平面反射镜(5)、第三平面反射镜(6)、第四平面反射镜(7)、方位轴(18)、俯仰轴(19)。

10.根据权利要求1所述的虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，其特征在于：所述中继光路系统(8)包括：两个离轴抛物镜(9,10)构成。