CN106019562B - 一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜 - Google Patents

一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜，包括主成像望远镜、粗跟踪系统、复合轴跟踪系统、自适应光学系统和成像系统，其中，粗跟踪系统控制主成像望远镜机架稳定跟踪探测目标，从目标来的光经过主成像望远镜系统后进入复合轴跟踪系统进行低阶倾斜校正，校正后的目标光进入自适应光学系统进行高阶误差校正，高阶误差校正后的目标光进入成像系统进行高分辨力成像，成像系统包括多个不同波段的成像探测器，可实现对目标的全波段高分辨力成像。

Description

一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜
技术领域
本发明涉及望远镜系统，具体涉及的是一种适用于白天观测的高分辨力成像光学望远镜。
背景技术
当前大多数地基望远镜系统仅工作在夜间或晨昏线附近，无法对白天时段的空间目标进行高分辨力成像，望远镜的工作时段受限，严重影响了望远镜的工作效率。中国专利＂一种适合于白天工作的高分辨力成像自适应光学望远镜＂，公开号为CN1908722A，公开了一种适合于白天工作的望远镜，在该专利中，自适应光学系统和成像系统均工作在近红外波段，自适应光学系统和成像系统需要共享该波段的目标光能量，导致两个系统都无法获得足够的光能，降低了自适应光学系统和成像系统的探测信噪比，当目标与太阳夹角很小时，进入望远镜系统的目标信噪比迅速降低，根据该专利设计的望远镜系统将无法工作，导致白天高分辨力成像的观测区域严重受限。中国专利＂空间目标白天高分辨率光电成像探测系统＂，公开号为CN102662178B，公开了一种适合白天空间目标成像的光电成像望远镜，该专利通过相位差图像复原技术实现对白天目标的高分辨率成像，相位差图像复原技术必需在大气湍流较小、探测目标信噪比较高的条件下才能工作，而大气湍流在白天正午时段最强，大气相干长度只有3cm左右，利用该专利设计的望远镜系统将无法工作，不能实现白天全天时高分辨力成像。中国专利＂适合白天目标观测的地基高分辨力红外成像望远镜＂，公开号为CN103792656A，公开了一种适合白天目标观测的高分辨力红外成像望远镜，该专利中目标光从主成像望远镜出射后经过库德光路进入能动光学系统，能动光学系统由自适应光学系统进行探测校正，根据该专利设计的望远镜系统不包含复合轴跟踪系统，因此无法对望远镜装调误差进行校正，而望远镜装调误差将会导致进入自适应光学系统的天光背景严重不均匀，目标光信噪比较差，降低了自适应光学系统的提取精度，使其无法对暗弱目标进行校正。当目标与太阳夹角较小时，这种不均匀现象将会更加严重，导致望远镜系统只能在晨昏附近天光背景较弱的时段工作，无法实现真正意义的白天全时段观测。此外，以上几个专利都只能对目标的短波红外和中波红外成像，无法实现全波段同时成像。
发明内容
本发明公开了一种适用于白天观测的全波段高分辨力地基成像望远镜的技术方案，志在解决现有技术只能在白天的有限时间段内工作，无法实现白天全时段观测的问题，并提供对目标光在0.7μm以上波段的全波段同时成像技术。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜，包括白天粗跟踪系统、主成像望远镜、复合轴跟踪系统、自适应光学系统和成像系统，其中，白天粗跟踪系统引导主成像望远镜对探测目标实现稳定跟踪；来自目标的光从主成像望远镜进入复合轴跟踪系统进行低阶误差校正，复合轴跟踪系统包括第一倾斜校正器、第二倾斜校正器、白天跟踪误差探测控制系统、一个第一分光镜和多个反射镜，目标光经过复合轴跟踪系统后进入自适应光学系统进行高阶误差校正，自适应光学系统包括第三倾斜校正器、变形反射镜、一个第二分光镜和白天自适应光学探测控制系统，经过高阶误差校正后的目标光进入成像系统进行全波段成像。
所述的复合轴跟踪系统的第一分光镜采用光谱分光及能量分光的方法对目标光进行分束，第一分光镜只对0.56μm以下波段的光进行反射，且反射率为该波段总能量的40％，反射后的目标光进入白天跟踪误差探测控制系统用于跟踪误差探测，其余目标光透射进入第二倾斜校正器，所述的自适应光学系统的第二分光镜采用光谱分光对目标光进行分束，将0.7μm以下的波段反射进入自适应光学探测控制系统用于自适应光学波前误差探测，受白天天光背景影响较少的其他波段的目标光透射进入成像系统，实现0.7μm以上的全波段成像。
所述的主成像望远镜采用遮光罩减少系统杂散光的干扰，白天粗跟踪系统采用光谱滤波和可调式偏振片减少白天天空背景对目标提取的干扰，提升探测目标信噪比。
所述的白天跟踪误差探测控制系统包括滤光片和可调式衰减片、跟踪图像传感器、白天跟踪信号处理系统和高压驱动系统。滤光片对进入跟踪误差探测控制系统的目标光进行光谱滤波，将天光背景较强的0.5μm以下波段的光谱滤除；可调式衰减片将目标光衰减，衰减系数由操作人员根据观测目标亮度进行调整，最低为0.3，最高为1，衰减后的目标光进入跟踪图像传感器；跟踪图像传感器将目标光转换为跟踪图像并输出到白天跟踪信号处理系统；白天跟踪信号处理系统计算第一倾斜校正器和第二倾斜校正器的控制电压，高压驱动系统将白天跟踪信号处理系统计算得到的控制电压转换为高电压信号；白天跟踪信号处理系统的计算步骤如下：
步骤一：计算跟踪图像中前4个像素最大值及其在跟踪图像中的坐标位置，计算这4个像素中像素最大值与像素最小值在跟踪图像中的位置差；
步骤二：对步骤一计算出的位置差进行判断，当如果位置差大于光学系统预设的光斑半径，则说明当前帧跟踪图像内没有出现目标，当前帧跟踪图像丢弃，返回步骤一等待下一帧跟踪图像到来后再次计算位置差，如果位置差小于或等于光学系统预设的光斑半径，则说明当前帧跟踪图像有探测目标，则以步骤一中计算出的像素最大值所在的位置为目标中心位置；
步骤三：以步骤二计算出的目标中心位置为中心，以光学系统设计时预设的光斑动态范围+2作为半径，设置一个背景窗口，以步骤二计算出的目标中心位置为中心，以光学系统设计时预设的光斑动态范围作为半径，再设置一个目标窗口，目标窗口被背景窗口包含；
步骤四:计算步骤三中背景窗口内不属于目标窗口图像的图像平均像素灰度，并将该平均像素灰度乘以系统预设的背景比例系数后作为天空背景；
步骤五：将步骤三得到的目标窗口内图像减去步骤四计算出的天空背景，采用一阶矩质心算法计算目标位置误差；
步骤六：将步骤五得到的目标位置误差利用PID控制算法计算第一倾斜校正器和第二倾斜校正器的控制电源，第一倾斜校正器和第二倾斜校正器电压计算时的PID控制算法中的控制参数不同，是由设计人员根据两个倾斜镜的参数事先测量得到。
所述的白天自适应光学探测控制系统包括视场光阑、滤光片、可调式衰减片、波前传感器、白天实时信号处理系统和高压驱动系统。滤光片对进入白天自适应光学探测控制系统的目标光进行光谱滤波，将天光背景较强的0.5μm以下波段的光谱滤除；可调式衰减片将目标光衰减，衰减系数由操作人员根据观测目标亮度进行调整，最低为0.3，最高为1，衰减后的目标光进入波前传感器；波前传感器输出包含多个子光斑图像的波前图像；白天实时信号处理系统计算第三倾斜校正器和变形反射镜的控制电压；高压驱动系统将白天实时信号处理系统计算得到控制电压转换为高电压信号；其中，白天实时处理系统的计算流程如下所示：
步骤一：计算当前帧波前图像中各子光斑图像的中值，作为孔径阈值，并存储用于下一帧波前图像进行噪声；
步骤二：将当前帧波前图像中各子光斑减去步骤一计算所得的上一帧波前图像的对应孔径阈值，获得滤波后图像；
步骤三：用步骤二的滤波后图像计算波前斜率，将波前斜率经过波前复原计算后获得波前相位误差，将波前相位误差进行PID控制运算后得到第三倾斜校正器和变形反射镜的控制电压；返回步骤一，等待下一帧波前图像输入；
所述的成像系统包括多级分光镜、多个不同波段的成像探测系统和实时数据记录仪，每一级分光镜都采用光谱分光的方法对目标光进行分束，将需要成像的波段反射进入对应波段的成像探测系统，将其余波段的光透射进入下一级分光镜，中波以上的各成像探测系统均采用大F数制冷型红外相机，成像系统分辨率不受光学系统限制，多个不同波段的成像探测系统将图像传输到实时数据记录系统进行实时存储。
本发明相对于于现有技术具有如下优点：
1)本发明的探测校正系统，即精跟踪系统和自适应光学系统，工作在0.5～0.7μm波段，将受天光背景和大气湍流影响较小的0.7μm以上的光分给成像系统，探测校正系统和成像系统不工作在同一个波段，即提高了白天成像系统的成像效果，又满足了探测校正系统拥有足够的目标光能量，使探测校正系统的图像具有足够的信噪比，采用该专利的望远镜系统可以工作在白天所有时段，实现真正意义的白天高分辨力成像。
2)本发明的复合轴跟踪跟踪系统采用了白天跟踪误差探测控制系统实现对望远镜装调误差和目标光的低阶误差校正，使进入自适应光学系统的天光背景尽量均匀，减小了由于天光背景不均匀而导致的自适应光学系统中目标光信噪比较差的问题，使自适应光学系统能对较暗弱的目标光进行校正，同时保障了望远镜系统工作在白天全时段。
3)本发明将0.7μm以上的目标光全部透射进入成像系统，在成像系统中采用多个基于光谱分光的分光镜将目标光分束进入不同波段的成像系统，实现对目标光在0.7μm以上的全波段成像。
附图说明
图1为本发明的地基成像望远镜示意图，其中，1为白天粗跟踪系统，2为主成像望远镜，3为复合轴跟踪系统，4为自适应光学系统，5为成像系统，①为第一倾斜校正器，②为第一分光镜，③为白天跟踪误差探测控制系统，④为第二倾斜校正器，⑤为第三倾斜校正器，⑥为变形反射镜，⑦为白天自适应光学探测控制系统，⑧为第二分光镜；
图2为本发明的成像系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
本发明一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜包括白天粗跟踪系统1、主成像望远镜2、复合轴跟踪系统3、自适应光学系统4和成像系统5组成。其中，白天粗跟踪系统1引导主成像望远镜对探测目标实现稳定跟踪；来自目标的光从主成像望远镜2进入复合轴跟踪系统3进行低阶误差校正，复合轴跟踪系统3包括第一倾斜校正器①、第二倾斜校正器④、白天跟踪误差探测控制系统③、一个第一分光镜②和多个反射镜，目标光经过复合轴跟踪系统3后进入自适应光学系统4进行高阶误差校正，自适应光学系统4包括第三倾斜校正器⑤、变形反射镜⑥、一个第二分光镜⑧和白天自适应光学探测控制系统⑦，经过高阶误差校正后的目标光进入成像系统5进行全波段成像。
复合轴跟踪系统3的第一分光镜②采用光谱分光+能量分光的方法对目标光进行分束，第一分光镜②只对0.56μm以下波段的光进行反射，且反射率为该波段总能量的40％，反射后的目标光进入白天跟踪误差探测控制系统③用于跟踪误差探测，其余目标光透射进入第二倾斜校正器④，自适应光学系统4的第二分光镜⑧采用光谱分光对目标光进行分束，将0.7μm以下的波段反射进入自适应光学探测控制系统⑦用于自适应光学波前误差探测，受白天天光背景影响较少的其他波段的目标光透射进入成像系统5，实现0.7μm以上的全波段成像。
主成像望远镜2采用遮光罩减少系统杂散光的干扰，白天粗跟踪系统1采用光谱滤波和可调式偏振片减少白天天空背景对目标提取的干扰，提升探测目标信噪比。
白天跟踪误差探测控制系统③包括滤光片和可调式衰减片、跟踪图像传感器、白天跟踪信号处理系统和高压驱动系统。滤光片对进入跟踪误差探测控制系统③的目标光进行光谱滤波，将天光背景较强的0.5μm以下波段的光谱滤除；可调式衰减片将目标光衰减，衰减系数由操作人员根据观测目标亮度进行调整，最低为0.3，最高为1，衰减后的目标光进入跟踪图像传感器；跟踪图像传感器将目标光转换为跟踪图像并输出到白天跟踪信号处理系统；白天跟踪信号处理系统计算第一倾斜校正器①和第二倾斜校正器④的控制电压，高压驱动系统将白天跟踪信号处理系统计算得到的控制电压转换为高电压信号；白天跟踪信号处理系统的计算步骤如下：
步骤一：计算跟踪图像中前4个像素最大值及其在跟踪图像中的坐标位置，计算这4个像素中像素最大值与像素最小值在跟踪图像中的位置差；
步骤二：对步骤一计算出的位置差进行判断，当如果位置差大于光学系统预设的光斑半径，则说明当前帧跟踪图像内没有出现目标，当前帧跟踪图像丢弃，返回步骤一等待下一帧跟踪图像到来后再次计算位置差，如果位置差小于或等于光学系统预设的光斑半径，则说明当前帧跟踪图像有探测目标，则以步骤一中计算出的像素最大值所在的位置为目标中心位置；
步骤三：以步骤二计算出的目标中心位置为中心，以光学系统设计时预设的光斑动态范围+2作为半径，设置一个背景窗口，以步骤二计算出的目标中心位置为中心，以光学系统设计时预设的光斑动态范围作为半径，再设置一个目标窗口，目标窗口被背景窗口包含；
步骤四:计算步骤三中背景窗口内不属于目标窗口图像的图像平均像素灰度，并将该平均像素灰度乘以系统预设的背景比例系数后作为天空背景；
步骤五：将步骤三得到的目标窗口内图像减去步骤四计算出的天空背景，采用一阶矩质心算法计算目标位置误差；
步骤六：将步骤五得到的目标位置误差利用PID控制算法计算第一倾斜校正器和第二倾斜校正器的控制电源，第一倾斜校正器和第二倾斜校正器电压计算时的PID控制算法中的控制参数不同，是由设计人员根据两个倾斜镜的参数事先测量得到。
白天自适应光学探测控制系统③包括视场光阑、滤光片、可调式衰减片、波前传感器、白天实时信号处理系统和高压驱动系统。滤光片对进入白天自适应光学探测控制系统的目标光进行光谱滤波，将天光背景较强的0.5μm以下波段的光谱滤除；可调式衰减片将目标光衰减，衰减系数由操作人员根据观测目标亮度进行调整，最低为0.3，最高为1，衰减后的目标光进入波前传感器；波前传感器输出包含多个子光斑图像的波前图像；白天实时信号处理系统计算第三倾斜校正器和变形反射镜的控制电压；高压驱动系统将白天实时信号处理系统计算得到控制电压转换为高电压信号；其中，白天实时处理系统的计算流程如下所示：
步骤一：计算当前帧波前图像中各子光斑图像的中值，作为孔径阈值，并存储用于下一帧波前图像进行噪声；
步骤二：将当前帧波前图像中各子光斑减去步骤一计算所得的上一帧波前图像的对应孔径阈值，获得滤波后图像；
步骤三：用步骤二的滤波后图像计算波前斜率，将波前斜率经过波前复原计算后获得波前相位误差，将波前相位误差进行PID控制运算后得到第三倾斜校正器⑤和变形反射镜⑥的控制电压；返回步骤一，等待下一帧波前图像输入；
成像系统5包括多级分光镜、多个不同波段的成像探测系统和实时数据记录仪，成像系统的结构如图2所示，每一级分光镜都采用光谱分光的方法对目标光进行分束，将需要成像的波段反射进入对应波段的成像探测系统，将其余波段的光透射进入下一级分光镜，中波以上的各成像探测系统均采用大F数制冷型红外相机，成像系统分辨率不受光学系统限制，多个不同波段的成像探测系统将图像传输到实时数据记录系统进行实时存储。

Claims (3)

1.一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜，其特征在于：包括白天粗跟踪系统(1)、主成像望远镜(2)、复合轴跟踪系统(3)、自适应光学系统(4)和成像系统(5)，其中，白天粗跟踪系统(1)引导主成像望远镜对探测目标实现稳定跟踪；来自目标的光从主成像望远镜(2)进入复合轴跟踪系统(3)进行低阶误差校正，复合轴跟踪系统包括第一倾斜校正器(①)、第二倾斜校正器(④)、白天跟踪误差探测控制系统(③)、一个第一分光镜(②)和多个反射镜，目标光经过复合轴跟踪系统(3)后进入自适应光学系统(4)进行高阶误差校正，自适应光学系统(4)包括第三倾斜校正器(⑤)、变形反射镜(⑥)、一个第二分光镜(⑧)和白天自适应光学探测控制系统(⑦)，经过高阶误差校正后的目标光进入成像系统(5)进行全波段成像；
所述的复合轴跟踪系统(3)的第一分光镜(②)采用光谱分光及能量分光的方法对目标光进行分束，第一分光镜(②)只对0.56μm以下波段的光进行反射，且反射率为该波段总能量的40％，反射后的目标光进入白天跟踪误差探测控制系统(③)用于跟踪误差探测，其余目标光透射进入第二倾斜校正器(④)，所述的自适应光学系统(4)的第二分光镜(⑧)采用光谱分光对目标光进行分束，将0.7μm以下的波段反射进入自适应光学探测控制系统(⑦)用于自适应光学波前误差探测，受白天天空背景影响较少的其他波段的目标光透射进入成像系统，实现0.7μm以上的全波段成像；
所述的白天跟踪误差探测控制系统(③)包括滤光片和可调式衰减片、跟踪图像传感器、白天跟踪信号处理系统和高压驱动系统，滤光片对进入跟踪误差探测控制系统(③)的目标光进行光谱滤波，将天空背景较强的0.5μm以下波段的光谱滤除；可调式衰减片将目标光衰减，衰减系数由操作人员根据观测目标亮度进行调整，最低为0.3，最高为1，衰减后的目标光进入跟踪图像传感器；跟踪图像传感器将目标光转换为跟踪图像并输出到白天跟踪信号处理系统；白天跟踪信号处理系统计算第一倾斜校正器(①)和第二倾斜校正器(④)的控制电压，高压驱动系统将白天跟踪信号处理系统计算得到的控制电压转换为高电压信号；白天跟踪信号处理系统的计算步骤如下：
步骤一：计算跟踪图像中前4个像素最大值及其在跟踪图像中的坐标位置，计算这4个像素中像素最大值与像素最小值在跟踪图像中的位置差；
步骤二：对步骤一计算出的位置差进行判断，当如果位置差大于光学系统预设的光斑半径，则说明当前帧跟踪图像内没有出现目标，当前帧跟踪图像丢弃，返回步骤一等待下一帧跟踪图像到来后再次计算位置差，如果位置差小于或等于光学系统预设的光斑半径，则说明当前帧跟踪图像有探测目标，则以步骤一中计算出的像素最大值所在的位置为目标中心位置；
步骤三：以步骤二计算出的目标中心位置为中心，以光学系统设计时预设的光斑动态范围+2作为半径，设置一个背景窗口，以步骤二计算出的目标中心位置为中心，以光学系统设计时预设的光斑动态范围作为半径，再设置一个目标窗口，目标窗口被背景窗口包含；
步骤四：计算步骤三中背景窗口内不属于目标窗口图像的图像平均像素灰度，并将该平均像素灰度乘以系统预设的背景比例系数后作为天空背景；
步骤五：将步骤三得到的目标窗口内图像减去步骤四计算出的天空背景，采用一阶矩质心算法计算目标位置误差；
步骤六：将步骤五得到的目标位置误差利用PID控制算法计算第一倾斜校正器和第二倾斜校正器的控制电源，第一倾斜校正器和第二倾斜校正器电压计算时的PID控制算法中的控制参数不同，是由设计人员根据两个倾斜镜的参数事先测量得到。
2.根据权利要求1所述的一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜，其特征在于：所述的白天自适应光学探测控制系统(⑦)包括视场光阑、滤光片、可调式衰减片、波前传感器、白天实时信号处理系统和高压驱动系统，滤光片对进入白天自适应光学探测控制系统(⑦)的目标光进行光谱滤波，将天空背景较强的0.5μm以下波段的光谱滤除；可调式衰减片将目标光衰减，衰减系数由操作人员根据观测目标亮度进行调整，最低为0.3，最高为1，衰减后的目标光进入波前传感器；波前传感器输出包含多个子光斑图像的波前图像；白天实时信号处理系统计算第三倾斜校正器(⑤)和变形反射镜(⑥)的控制电压；高压驱动系统将白天实时信号处理系统计算得到控制电压转换为高电压信号；其中，白天实时处理系统的计算流程如下所示：
步骤一：计算当前帧波前图像中各子光斑图像的中值，作为孔径阈值，并存储用于下一帧波前图像；
步骤二：将当前帧波前图像中各子光斑减去步骤一计算所得的上一帧波前图像的对应孔径阈值，获得滤波后图像；
步骤三：用步骤二的滤波后图像计算波前斜率，将波前斜率经过波前复原计算后获得波前相位误差，将波前相位误差进行PID控制运算后得到第三倾斜校正器(⑤)和变形反射镜(⑥)的控制电压；返回步骤一，等待下一帧波前图像输入。
3.根据权利要求1所述的一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜，其特征在于：所述的成像系统包括多级分光镜、多个不同波段的成像探测系统和实时数据记录仪，每一级分光镜都采用光谱分光的方法对目标光进行分束，将需要成像的波段反射进入对应波段的成像探测系统，将其余波段的光透射进入下一级分光镜，中波以上的各成像探测系统均采用大F数制冷型红外相机，成像系统分辨率不受光学系统限制，多个不同波段的成像探测系统将图像传输到实时数据记录系统进行实时存储。
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