CN107450176B - 一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置及控制方法，所述装置包括：稀疏孔径望远镜，其接收外围的入射光线，并通过准直镜生成平行的出射光线，且该稀疏孔径望远镜包括若干带有驱动器的子镜；分束器，其接收所述出射光线，并生成第一分光束和第二分光束；成像系统，其探测所述第一分光束，以获得各个所述子镜的远场图像；滤光片模块，其接收所述第二分光束，并在控制器的控制下对所述第二分光束进行波长选择，以生成具有选定波长的光束；以及四棱锥波前传感器，其探测所述具有选定波长的光束，并采集在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像。本发明可以有效实现平移的探测和补偿校正，与目前同类系统中的技术相比具有更好的准确性与简便性。

Description

一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置及控制方法。

背景技术

利用高空间分辨率的望远镜更好地观测天体、宇宙是天文学家的梦想，也是天文仪器建造者追求的目标。望远镜的空间分辨率与其口径成正比，即，口径越大，望远镜的分辨率越高。目前建造8米以上的单镜面望远镜已经受到了制造工艺、制造成本等因素的限制，若想提高望远镜的空间分辨率，可采用稀疏孔径望远镜技术来建造更大口径的望远镜。

虽然地基光干涉望远镜有巨大的应用潜力与良好的前景，但其成像质量会受到地球大气湍流扰动的影响。而空间望远镜因无大气扰动影响，可以在很宽的光学波段进行观测，对于光干涉测量与观测的发展十分有利，因此吸引着科学家去太空和月球上建造空间稀疏孔径望远镜。NASA、JPL、MIT也都积极开展空间稀疏孔径望远镜的研究。同时，法国和意大利也提出各自的空间稀疏孔径直接成像系统发展计划。

除了天文上的应用，空间稀疏孔径望远镜在航空航天遥感等领域也具有很好的应用前景，其在对地观测方面的研究还有助于提高对地球气候、空间气候、太阳活动时间等预报的准确性，有助于降低地质灾害、恶劣气候环境以及太阳活动变化等对地球和人类的影响，对国民经济的发展以及人民生活质量和水平的提高有很大的社会价值。

空间稀疏孔径望远镜获得接近衍射极限分辨率图像的关键是在整个视场中保证来自子镜的光束在焦面上同位相相干叠加，且共相误差必须稳定控制在十分之一个波长范围内，同时保证各光瞳在合成时精确重合，这是实现稳定斐索干涉成像的前提条件。稀疏孔径望远镜中的平移误差探测与控制技术已成为相关领域研究的热点之一。目前，已提出的平移误差探测技术主要包括以下几种：

1、干涉仪法

对于室内搭建的光干涉望远镜平台，可以采用泰曼格林、斐索干涉仪等对子镜间的平移误差进行检测。中国科学院光电技术研究所宋贺伦等人采用白光和单色光切换的泰曼格林干涉仪对子镜平移误差进行检测，检测结果不确定度为8～10nm，检测范围为45～60μm。(参见：用于拼接子镜相位误差检测的低相干光谱干涉系统分析，2008，应用光学，29298)。虽然此类方法测量范围大，精度高，但这种干涉仪的体积大，结构复杂。

2、相位差法

和Kendrick等人将相位差法用于KeckⅡ共相误差检测，其结果表明该方法在较弱湍流条件下能够准确测量子孔径共相误差(参见：Phase diversity experimentto measure piston misalignment on the segmented primary mirror of the KeckTelescope.Proc.SPIE，1998，3356:1190-1201)。其他的相关实验结果进一步表明相位差法的测量精度优于15nm，但测量范围仅为一个波长(若使用双波长测量范围约可扩大几倍)(参见：Theory and experiment of phasing detection by use of twowavelengths.Applied Optics，2017，56(1):1-7)。中国科学院光电技术研究所罗群等人将相位差法应用于平移误差检测，在一个波长范围内取得了λ/20的检测精度(参见相位差波前检测方法应用于平移误差检测的实验研究，物理学报，2012，61(6))。但该相位差法测量范围小，在一个波长范围内，难以解决2π模糊性问题。

3、色散条纹法

美国加州理工大学喷气动力实验室Fang Shi等人提出了色散条纹法，用于Keck稀疏孔径望远镜子镜间的共相位检测(参见：Experimental verification of dispersedfringe sensing as a segment phasing technique using the Keck telescope，Applied Optics Vol.43，Issue 23，pp.4474-4481(2004))。仿真计算和实验结果表明该方法的测量范围大，测量精度优于0.1μm。但当绝对平移误差小于半个波长时，该方法失效。

在申请号为200810000577.7的中国专利申请中提出了一种用于绝对距离测量的二维色散条纹分析方法，该方法测量范围大，测量精度高。但该方法中需要标定绝对距离为零时的各波长对应的主峰位置，这在实际使用时难以实现，原因在于：首先，控制两子镜间的绝对距离为零是一件很困难的事情，必须借助其他的检测手段；其次，标定光路与实际测量光路通常是两条不同的光路，再或者温度变化、外界振动、大气湍流等因素的存在，都会导致标定绝对距离为零时的各波长对应的主峰位置与实际系统中各波长对应的主峰位置有较大偏差，从而最终导致整个色散条纹分析方法失效。

在申请号为20161288401.0的中国专利申请中提出了一种拼接望远镜共相位控制装置及控制方法，由于该装置与控制方法的实现复杂，因此更适宜于地面的望远镜，而不适合用于空间望远镜。

4、基于远场相似度的相位平移误差方法

在申请号为201110070546.0的中国专利申请中提出了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。虽然该校正装置可以解决相位平移误差探测中的符号判断及2π模糊性问题，但是该校正的实现也需要标定绝对距离为零时的主峰位置，因此会面临同上述色散条纹法一样的难题，而且该方法的探测范围小。

5、基于四棱锥传感器的闭环共相控制方法

欧洲南方天文台对四棱锥传感器在共相检测中的应用进行了研究。相关实验结构与经典的基于四棱锥波前传感器的自适应光学系统结构相同，四棱锥波前传感器除了可以测量倾斜及高阶像差外，还可以测量各子镜间的相位平移误差。实验结果表明该方法测量精度高，对平移误差的测量精度达到了5.7nm，但该方法只能测量一个波长范围内的光程差(参见：Pyramid sensor for segmented mirror alignment，Optics Letters，2005，30(19)：2572-2574)。当采用双波长λ₁和λ₂进行闭环共相校正时，可校正的最大平移误差不超过λ₁λ₂[4(λ₁-λ₂)]，因此该方法通常只能在几个微米范围内对平移误差进行校正。

鉴于上述情况，目前需要对空间稀疏孔径望远镜的共相位控制方法进行改进。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置及控制方法，以克服现有相位平移误差探测技术的不足，实现稀疏孔径望远镜中的平移、倾斜探测和补偿校正。

本发明之一所述的一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置，其包括：

一稀疏孔径望远镜，其接收外围的入射光线，并通过一准直镜生成平行的出射光线，且该稀疏孔径望远镜包括若干带有驱动器的子镜；

一分束器，其接收所述出射光线，并生成第一分光束和第二分光束；

一成像系统，其探测所述第一分光束，以获得各个所述子镜的远场图像；

一滤光片模块，其接收所述第二分光束，并在一控制器的控制下对所述第二分光束进行波长选择，以生成具有选定波长的光束；以及

一四棱锥波前传感器，其探测所述具有选定波长的光束，并采集在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像；

其中，所述控制器还与所述成像系统、所述四棱锥波前传感器以及所述稀疏孔径望远镜连接，该控制器一方面接收并根据各个所述子镜的远场图像，向各个所述子镜的驱动器输出相应的第一驱动电压，以使各个所述子镜在所述成像系统上共焦，另一方面，首先接收并根据在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像，计算非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的相位平移误差，并向各个非中心位置的所述子镜的驱动器输出相应的第二驱动电压，以对所述子镜之间的相位平移误差进行单波长条件下的闭环补偿校正，同时计算获得各个非中心位置的所述子镜相对于其自身的起始位置的平移量，并记为平移量向量，然后根据不同的选定波长以及其各自对应的平移量向量，计算得到非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的绝对高度差，并根据所述绝对高度差向各个所述子镜的驱动器输出相应的第三驱动电压，以对所述子镜之间的相位平移误差进行多波长条件下的补偿校正。

在上述的空间稀疏孔径望远镜共相控制装置中，所述四棱锥波前传感器包括：依次排列的第一消色差透镜、四棱锥、第二消色差透镜和第一科学级相机，其中，

所述第一消色差透镜探测所述具有选定波长的光束，并将自身的光瞳面聚焦于所述四棱锥的顶尖位置；

所述四棱锥位于所述第一消色差透镜的后焦点位置，且位于所述第二消色差透镜的前焦点位置；

所述第二消色差透镜将自身的光瞳面成像于所述第一科学级相机；

所述第一科学级相机采集在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像，并将其传输至所述控制器。

在上述的空间稀疏孔径望远镜共相控制装置中，所述成像系统包括：依次排列的光阑模块、滤光片元件、第三消色差透镜和第二科学级相机，其中，所述光阑模块接收所述第一分光束，以将各个所述子镜接收的光束分别传输进所述成像系统；所述第二科学级相机采集各个所述子镜的远场图像，并将其传输至所述控制器。

在上述的空间稀疏孔径望远镜共相控制装置中，所述子镜的驱动器安装有微位移传感器。

本发明之二所述的一种空间稀疏孔径望远镜共相控制方法，其包括以下步骤：

步骤S1，利用稀疏孔径望远镜和准直镜将外围的入射光线转变为平行的出射光线，其中，所述稀疏孔径望远镜包括若干带有驱动器的子镜；

步骤S2，利用分束器将所述出射光线分成第一分光束和第二分光束；

步骤S3，利用成像系统探测所述第一分光束，获得并将各个所述子镜的远场图像传输给控制器，利用所述控制器对各个所述子镜的远场图像进行分析计算后向各个所述子镜的驱动器输出相应的第一驱动电压，以改变各个所述子镜的远场图像的成像位置；

步骤S4，重复执行所述步骤S3，直至各个所述子镜在所述成像系统上共焦；

步骤S5，利用滤光片模块接收所述第二分光束，并利用所述控制器控制所述滤光片模块，让选定波长为λ₁的光束通过四棱锥波前传感器；

步骤S6，利用所述四棱锥波前传感器探测具有选定波长的光束，并采集在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像，利用所述控制器根据在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像，计算得到各个非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的相位平移误差，并向各个非中心位置的所述子镜的驱动器输出相应的第二驱动电压，以对所述子镜之间的相位平移误差进行单波长条件下的闭环补偿校正；

步骤S7，重复执行所述步骤S6，直至所述子镜之间的相位平移误差小于预设误差，记录各个所述子镜的驱动器的当前位置信息，利用所述控制器计算各个非中心位置的所述子镜相对于在执行所述步骤S6之前其自身的起始位置的平移量，并记为平移量向量P；

步骤S8，利用所述控制器控制所述滤光片模块，分别让选定波长为λ₂和λ₃的光束通过四棱锥波前传感器，并重复执行所述步骤S6和步骤S7；

步骤S9，利用所述控制器根据选定波长λ₁、λ₂和λ₃以及其各自对应的平移量向量和计算得到非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的绝对高度差H，并根据所述绝对高度差H向各个所述子镜的驱动器输出相应的第三驱动电压，以对所述子镜之间的相位平移误差进行多波长条件下的补偿校正；

步骤S10，重复执行所述步骤S5至步骤S9，直至所述子镜之间的相位平移误差在预设的误差范围内。

在上述的空间稀疏孔径望远镜共相控制方法中，所述步骤S6包括：

步骤S61，对在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像进行标定；

步骤S62，从在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像中提取出波前斜率信息S；

步骤S63，利用衍射理论计算得到平移误差响应矩阵C；

步骤S64，计算得到各个非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的相位平移误差Z＝C⁺S；

步骤S65，计算得到各个非中心位置的所述子镜的平移补偿量Q＝-Z/2；

步骤S66，利用所述控制器向各个非中心位置的所述子镜的驱动器输出第二驱动电压，以驱动各个非中心位置的所述子镜产生平移量T(i)＝αQ，其中0＜α＜1，其中，α为比例控制系数，i为所述第二驱动电压驱动所述子镜的驱动器的驱动次数。

在上述的空间稀疏孔径望远镜共相控制方法中，所述步骤S7中，重复执行所述步骤S6的次数为N-1，则各个非中心位置的所述子镜的平移量向量其中，i为所述第二驱动电压驱动所述子镜的驱动器的驱动次数。

在上述的空间稀疏孔径望远镜共相控制方法中，所述步骤S9包括：

首先，建立如下的方程组：

n₁∈Z ④

||n₂|-Round(|n₂|)|<σ⑤

||n₃|-Round(|n₃|)|<σ⑥

依次设定n₁＝0，±1，±2，…；，其中，σ为误差控制系数，取值为0.01，Round()表示四舍五入函数，

然后，从公式①中求解得到非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的绝对高度差H，分别代入公式②和③得到n₂和n₃，若n₂和n₃满足公式⑤和⑥，则此时设定的n₁正确，且此时求解得到的绝对高度差H正确，否则，重新设定n₁，直至其正确。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过采用了多个波长条件下的闭环校正数据，有效解决了相位平移误差探测中的2π模糊性问题与符号判断，而且是一种非接触式的相位平移误差测量方法，在探测准确性和实时性等方面比现有的探测技术有明显改善。

2、与干涉仪法与相位差法相比，本发明结构简单，具有更大的测量范围与更高的测量精度。

3、与色散条纹分析方法和基于远场相似度的相位平移误差方法相比，本发明无需对绝对零位时的条纹主峰位置进行标定，具有更好的稳定性和鲁棒性，具体来说，首先，本发明采用了多个波长条件下的闭环校正数据；此外，本发明中还可以在多个波长条件下重复进行探测与闭环校正，获得更多的数据，从而保证该方法具有更好的稳定性与鲁棒性。

4、本发明无复杂数据运算，提高了相位平移误差探测的实时性。

5、本发明的实现所需元件易于配置，实现简单、方便。

6、本发明可以同时对稀疏合成孔径光学望远镜中的各子镜间的共相误差进行检测与控制校正，不受子镜数目限制(除了基于四棱锥波前传感器的共相检测方法，其他方法都受到子镜数目限制，例如，或每次只能测量一对子镜的共相误差，或需要制造复杂的传感器以及大靶面的相机才能同时对多个子镜进行共相误差的检测)，大大的提高了效率。

综上，本发明通过采用四棱锥波前传感器探测空间稀疏孔径望远镜共相误差，并结合迭代控制方法实现对共相误差的准确校正。与现有技术相比，本发明采用四棱锥波前传感器可以同时对任意多个子镜的共相误差进行探测，多波长技术使得该方法并具有更大的测量范围、更高的测量精度以及更好的稳定性和鲁棒性，且结构简单、成本低、易实现。

附图说明

图1是本发明一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置的结构示意图；

图2是本发明一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置中四棱锥波前传感器的结构示意图；

图3是采用本发明后一个波长范围内的共相误差随迭代校正次数的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1、图2所示，本发明之一，即一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置，其包括：稀疏孔径望远镜1、准直镜2、分束器3、成像系统4、滤光片模块5、四棱锥波前传感器6、控制器7，其中：控制器7分别与稀疏孔径望远镜1、成像系统4、滤光片模块5以及四棱锥波前传感器6连接；具体来说：

稀疏孔径望远镜1接收外围的来自待测物体的入射光线(例如星光或普通宽带光)，其具体包括：副镜11和若干带有驱动器13的子镜12；

准直镜2接收被子镜12再次反射的入射光线，并生成平行(或基本平行)的出射光线

分束器3接收准直镜2生成的出射光线，并生成第一分光束和第二分光束；

成像系统4探测分束器3生成的第一分光束，以获得各个子镜12的远场图像；

滤光片模块5接收分束器3生成的第二分光束，并在控制器7的控制下对该第二分光束进行波长选择，以生成具有选定波长的光束；

四棱锥波前传感器6探测滤光片模块5生成的具有选定波长的光束，并采集在选定波长下的各个子镜12的光瞳像；

控制器7一方面接收并根据成像系统4输出的各个子镜12的远场图像，向各个子镜12的驱动器13输出相应的第一驱动电压，以使各个子镜12在成像系统4上共焦(包括校正倾斜误差)，从而实现子镜12的粗共相；另一方面，首先接收并根据四棱锥波前传感器6采集到的在选定波长下的各个子镜12的光瞳像，计算非中心位置的子镜12相对于中心位置的子镜12的相位平移误差，并向各个非中心位置的子镜12的驱动器13输出相应的第二驱动电压，以对子镜12之间的相位平移误差进行单波长条件下的闭环补偿校正，同时计算获得各个非中心位置的子镜12相对于其自身的起始位置的平移量，并记为平移量向量，然后根据不同的选定波长以及其各自对应的平移量向量，计算得到非中心位置的子镜12相对于中心位置的子镜12的绝对高度差，并根据绝对高度差向各个子镜12的驱动器13输出相应的第三驱动电压，以对子镜12之间的相位平移误差进行多波长条件下的补偿校正。

在本实施例中，稀疏孔径望远镜1为卡赛格林式反射望远镜，子镜12的驱动器13具有厘米级的行程和纳米级的精度，从而可以对平移、倾斜像差进行校正，并且驱动器13安装有高精度、大行程的微位移传感器，可实时记录驱动器13的三维状态；

在本实施例中，四棱锥波前传感器6具体包括：依次排列的第一消色差透镜61、四棱锥62、第二消色差透镜63和第一科学级相机64，其中，第一消色差透镜61用于将自身的光瞳面聚焦于四棱锥62的顶尖位置，四棱锥62位于第一消色差透镜61的后焦点位置，且位于第二消色差透镜63的前焦点位置，第二消色差透镜63用于将自身的光瞳面成像于第一科学级相机64，第一科学级相机64用于采集在选定波长下的各个子镜12的光瞳像，并将其传输至控制器7。

在本实施例中，成像系统4可以具体包括：依次排列的光阑模块、滤光片元件、第三消色差透镜和第二科学级相机，其中，光阑模块接收第一分光束，其可用于将选定的子镜12接收的光束传输到成像系统，滤光片元件用于选择特定观测波长以用于对目标成像，第三消色差透镜用于消除色差，第二科学级相机用于采集各个子镜12的远场图像，并将其传输至控制器7。

在本实施例中，滤光片模块5具体包括：由电机控制的圆盘以及多个安装在该圆盘上的且具有不同波长的滤光片元件，其中，圆盘的电机与控制器7连接，从而通过控制器7可以控制不同波长的滤光片元件旋转到光路中，从而使特定波长的光束通过(由于该技术为公知常识，故此处不再赘述)。

下面对上述空间稀疏孔径望远镜共相控制装置的工作原理，即，本发明之二的一种空间稀疏孔径望远镜共相控制方法进行详细说明；该控制包括以下步骤：

步骤S1，利用稀疏孔径望远镜1和准直镜2将外围的入射光线转变为平行的出射光线，其中，稀疏孔径望远镜1包括副镜11和若干带有驱动器13的子镜12；

步骤S2，利用分束器3将出射光线分成第一分光束和第二分光束；

步骤S3，利用成像系统4探测第一分光束，获得并将各个子镜12的远场图像传输给控制器7，利用该控制器7对各个子镜12的远场图像进行分析计算后，向各个子镜12的驱动器13输出相应的第一驱动电压，以改变各个子镜12的远场图像的成像位置；

步骤S4，重复执行步骤S3，即，经过多次闭环控制，直至各个子镜12在成像系统4上共焦(具体来说，可通过第一驱动电压使驱动器13移动，从而带动子镜12移动，从而实现共焦)，从而实现子镜12的粗共相；

步骤S5，利用滤光片模块5接收第二分光束，并利用控制器7控制滤光片模块5，让选定波长为λ₁的光束通过四棱锥波前传感器6；

步骤S6，利用四棱锥波前传感器6探测具有选定波长的光束，并采集在选定波长下的各个子镜12的光瞳像，利用控制器7根据在选定波长下的各个子镜12的光瞳像，计算得到各个非中心位置的子镜12相对于中心位置的子镜12的相位平移误差(一个波长范围内的相位平移误差存在2π模糊)，并向各个非中心位置的子镜12的驱动器13输出相应的第二驱动电压，以对非中心位置和中心位置的子镜12之间的相位平移误差进行单波长条件下的闭环补偿校正(在此可采用比例积分迭代控制)(校正之后的相位平移误差是所用选定波长的整数倍)；

步骤S7，重复执行所述步骤S6，直至控制器7从光瞳像中提取出的子镜12之间的相位平移误差小于预设误差(此时各个子镜12间的相位平移误差近似为2π的整数倍)，记录各个子镜12的驱动器13的当前位置信息，利用控制器7计算各个非中心位置的子镜12相对于在执行步骤S6之前其自身的起始位置的平移量向量；

步骤S8，利用控制器7控制滤光片模块5切换不同的滤光片元件，分别让选定波长为λ₂和λ₃的光束通过四棱锥波前传感器6，并重复执行所述步骤S6和步骤S7，以获得对应的平移量向量；

步骤S9，利用控制器7根据选定波长λ₁、λ₂和λ₃以及其各自对应的平移量向量和计算得到非中心位置的子镜12相对于中心位置的子镜12的绝对高度差H，并根据该绝对高度差H向各个子镜12的驱动器13输出相应的第三驱动电压，以对子镜12之间的相位平移误差进行多波长条件下的补偿校正(步骤S9与步骤S6的区别在于，步骤S9中的校正是将相位平移误差校正到绝对零位，因此需要采用多个波长，从而计算得到绝对高度差H，相位平移误差是绝对高度差H的两倍)；

步骤S10，重复执行所述步骤S5至步骤S9(期间可以保持采用选定波长λ₁、λ₂和λ₃，也可以改变为其他波长)，直至所述子镜之间的相位平移误差在预设的误差范围内，从而完成共相检测与共相校正，即，如果在多个波长条件下，四棱锥光瞳像中复原出的相位平移误差都在预设的误差范围内，则说明共相校正完成。

具体来说，上述步骤S6包括：

步骤S61，对在选定波长下的各个子镜12的光瞳像进行标定；在本实施例中，可利用已公开的专利申请201610292956.2中的方法对各个子镜12的光瞳像进行标定，由于采用了四棱锥，因此，每个子镜12均对应4个光瞳像，其中，第k个子镜12的光瞳像记为I_k(1)、I_k(2)、I_k(3)、I_k(4)；

步骤S62，从在选定波长下的各个子镜12的光瞳像中提取出各个子镜12的波前斜率信息S；以第k个子镜12为例，其波前斜率信息S_k＝[S_kx；S_ky]，(其中，S_kx、S_ky分别为x、y方向的波前斜率)其中：S_kx＝[I_k(1)+I_k(4)-I_k(2)-I_k(3)]/[I_k(1)+I_k(2)+I_k(3)+I_k(4)]，S_ky＝[I_k(1)+I_k(2)-I_k(3)-I_k(4)]/[I_k(1)+I_k(2)+I_k(3)+I_k(4)]；

步骤S63，利用衍射理论计算得到平移误差响应矩阵C；具体来说：首先，设定任意一个非中心位置的子镜12的相位平移误差为十分之一个波长(该子镜12记为M)，其他子镜12的相位平移误差为0，然后，模拟产生此时系统的远场光瞳像，计算中心位置的子镜12的波前斜率信息S₀＝[S_0x；S_Oy]，计算子镜M的波前斜率信息S_M＝[S_Mx；S_My；]，则平移误差响应矩阵

步骤S64，计算得到各个非中心位置的子镜12相对于中心位置的子镜12的相位平移误差Z＝C⁺S(其中，C⁺是C的伪逆矩阵)，由此可以将所有非中心位置的子镜12相对于中心位置的子镜12的相位平移误差记为相位平移误差向量[Z₁，Z₂…，Z_n]，(n为非中心位置的子镜12的数目)；以第k个子镜12为例，其相对于中心位置的子镜12的相位平移误差

步骤S65，计算得到各个非中心位置的子镜12的平移补偿量Q＝-Z/2；

步骤S66，利用控制器7向各个非中心位置的子镜12的驱动器13输出第二驱动电压，以驱动各个非中心位置的子镜12产生平移量T(i)＝αQ，其中0＜α＜1，其中，α为比例控制系数，i为第二驱动电压驱动子镜12的驱动器13的驱动次数(当第一次执行步骤S6时，i＝1，当执行步骤S7时，会重复执行步骤S6，此时i也就相应变化。

具体来说，在上述步骤S7中，重复执行步骤S6的次数为N-1，则各个非中心位置的子镜12的平移量向量其中，i为第二驱动电压驱动子镜12的驱动器13的驱动次数。

具体来说，上述步骤S9包括：

首先，建立如下的方程组：

n₁∈Z ④

||n₂|-Round(|n₂|)|<σ⑤

||n₃|-Round(|n₃|)|<σ⑥

依次设定n₁＝0，±1，±2，…；，其中，σ为误差控制系数，取值为0.01，Round()表示四舍五入函数，

然后，从公式①中求解得到非中心位置的子镜12相对于中心位置的子镜12的绝对高度差H，分别代入公式②和③得到n₂和n₃，若n₂和n₃满足公式⑤和⑥，则此时设定的n₁正确，且此时求解得到的绝对高度差H正确，否则，重新设定n₁，直至其正确。

以第k个非中心位置的子镜12为例(k＝1，…，n，n为非中心位置的子镜12的数目)，在公式①中，当选定波长为λ₁时，第k个非中心位置的子镜12在驱动器13的作用下产生了的平移量之后，该子镜12与中心位置的子镜12的相位平移误差正好是选定波长λ₁的整数倍；在公式②中，第k个非中心位置的子镜12在选定波长为λ₂的条件下产生了的平移量后，该子镜12与中心位置的子镜12的相位平移误差是选定波长λ₂的整数倍；在公式③中，第k个非中心位置的子镜12在选定波长为λ₃的条件下产生了的平移量后，该子镜12与中心位置的子镜12的相位平移误差是选定波长λ₃的整数倍。上述方程组中可用遍历法来确定n₁(k)，具体来说：依次设定n₁(k)＝0，±1，±2，…，然后从公式①中求解得到第k个非中心位置的子镜12相对于中心位置的子镜12的绝对高度差H(k)，分别带入公式②和③得到n₂(k)和n₃(k)。理论情况下，n₂(k)和n₃(k)应该都是整数，但是由于实际系统中存在探测噪声和驱动器平移时产生的平移误差，它们的数值并不整数，因此需要添加公式⑤和⑥所示的判定条件；若n₁(k)使得公式①-⑥都成立，则此时设定的n₁(k)即为所求，之后代入公式①中得到正确的绝对高度差H(k)。

在本实施例中，采用基于四棱锥波前传感器的共相控制装置及控制方法对两子镜间的共相误差进行检测与校正。两子镜间的平移共相误差37.55μm，在波长为550nm、650nm和750nm条件下进行共相误差的测量与校正。图3示出了一个波长范围内的共相误差随迭代校正次数的变化情况，首先在550nm条件下进行闭环校正，经过20次校正后相位平移误差变为近似零值(此时，共相绝对误差为该波长的整数倍)，记录驱动器的平移量向量为P₅₅₀，后切换到650nm和750nm波长条件下进行探测与校正，同时记录驱动器在每个波长条件下进行闭环校正时的平移量向量P6₅₀、P₇₅₀。由P₅₅₀、P₆₅₀和P₇₅₀，最终计算得到真实的绝对平移误差为37.544μm，测量误差为-6nm。得到真实的平移误差后，可以对子镜进行位置调整，经过几次探测与闭环调整，可将子镜间的平移误差控制在纳米量级。

综上所述，本发明基于四棱锥波前传感器实现，通过在装置方面添加了滤光片模块，可以对进入四棱锥波前传感器的波长进行选择，从而可以在不同波长条件下进行四棱锥对平移误差的检测以及实施平移误差的闭环校正，同时结合特定的平移误差检测算法，解决了平移误差检测范围受限的问题，将平移误差测量范围提高到纳米量级。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种空间稀疏孔径望远镜共相控制装置，其特征在于，所述装置包括：

一稀疏孔径望远镜，其接收外围的入射光线，并通过一准直镜生成平行的出射光线，且该稀疏孔径望远镜包括若干带有驱动器的子镜；

一分束器，其接收所述出射光线，并生成第一分光束和第二分光束；

一成像系统，其探测所述第一分光束，以获得各个所述子镜的远场图像；

一滤光片模块，其接收所述第二分光束，并在一控制器的控制下对所述第二分光束进行波长选择，以生成具有选定波长的光束；以及

一四棱锥波前传感器，其探测所述具有选定波长的光束，并采集在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像；

其中，所述控制器还与所述成像系统、所述四棱锥波前传感器以及所述稀疏孔径望远镜连接，该控制器一方面接收并根据各个所述子镜的远场图像，向各个所述子镜的驱动器输出相应的第一驱动电压，以使各个所述子镜在所述成像系统上共焦，另一方面，首先接收并根据在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像，计算非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的相位平移误差，并向各个非中心位置的所述子镜的驱动器输出相应的第二驱动电压，以对所述子镜之间的相位平移误差进行单波长条件下的闭环补偿校正，同时计算获得所有非中心位置的所述子镜相对于其自身的起始位置的平移量，并记为平移量向量，然后根据不同的选定波长以及这些选定波长各自对应的平移量向量，计算得到非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的绝对高度差，并根据所述绝对高度差向各个所述子镜的驱动器输出相应的第三驱动电压，以对所述子镜之间的相位平移误差进行多波长条件下的补偿校正。

2.根据权利要求1所述的空间稀疏孔径望远镜共相控制装置，其特征在于，所述四棱锥波前传感器包括：依次排列的第一消色差透镜、四棱锥、第二消色差透镜和第一科学级相机，其中，

所述第一消色差透镜探测所述具有选定波长的光束，并将自身的光瞳面聚焦于所述四棱锥的顶尖位置；

所述四棱锥位于所述第一消色差透镜的后焦点位置，且位于所述第二消色差透镜的前焦点位置；

所述第二消色差透镜将自身的光瞳面成像于所述第一科学级相机；

所述第一科学级相机采集在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像，并将其传输至所述控制器。

3.根据权利要求1或2所述的空间稀疏孔径望远镜共相控制装置，其特征在于，所述成像系统包括：依次排列的光阑模块、滤光片元件、第三消色差透镜和第二科学级相机，其中，所述光阑模块接收所述第一分光束，以将各个所述子镜接收的光束分别传输进所述成像系统；所述第二科学级相机采集各个所述子镜的远场图像，并将其传输至所述控制器。

4.根据权利要求1所述的空间稀疏孔径望远镜共相控制装置，其特征在于，所述子镜的驱动器安装有微位移传感器。

5.一种空间稀疏孔径望远镜共相控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，利用稀疏孔径望远镜和准直镜将外围的入射光线转变为平行的出射光线，其中，所述稀疏孔径望远镜包括若干带有驱动器的子镜；

步骤S2，利用分束器将所述出射光线分成第一分光束和第二分光束；

步骤S3，利用成像系统探测所述第一分光束，获得并将各个所述子镜的远场图像传输给控制器，利用所述控制器对各个所述子镜的远场图像进行分析计算后向各个所述子镜的驱动器输出相应的第一驱动电压，以改变各个所述子镜的远场图像的成像位置；

步骤S4，重复执行所述步骤S3，直至各个所述子镜在所述成像系统上共焦；

步骤S5，利用滤光片模块接收所述第二分光束，并利用所述控制器控制所述滤光片模块，让选定波长为λ₁的光束通过四棱锥波前传感器；

步骤S6，利用所述四棱锥波前传感器探测具有选定波长的光束，并采集在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像，利用所述控制器根据在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像，计算得到各个非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的相位平移误差，并向各个非中心位置的所述子镜的驱动器输出相应的第二驱动电压，以对所述子镜之间的相位平移误差进行单波长条件下的闭环补偿校正；

步骤S7，重复执行所述步骤S6，直至所述子镜之间的相位平移误差小于预设误差，记录各个所述子镜的驱动器的当前位置信息，利用所述控制器计算所有非中心位置的所述子镜相对于在执行所述步骤S6之前其自身的起始位置的平移量，并记为平移量向量P；

步骤S8，利用所述控制器控制所述滤光片模块，分别让选定波长为λ₂和λ₃的光束通过四棱锥波前传感器，并重复执行所述步骤S6和步骤S7；

步骤S9，利用所述控制器根据选定波长λ₁、λ₂和λ₃以及这些选定波长各自对应的平移量向量和计算得到非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的绝对高度差H，并根据所述绝对高度差H向各个所述子镜的驱动器输出相应的第三驱动电压，以对所述子镜之间的相位平移误差进行多波长条件下的补偿校正；

步骤S10，重复执行所述步骤S5至步骤S9，直至所述子镜之间的相位平移误差在预设的误差范围内。

6.根据权利要求5所述的空间稀疏孔径望远镜共相控制方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

步骤S61，对在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像进行标定；

步骤S62，从在选定波长下的各个所述子镜的光瞳像中提取出波前斜率信息S；

步骤S63，利用衍射理论计算得到平移误差响应矩阵C；

步骤S64，计算得到各个非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的相位平移误差Z＝C⁺S；

步骤S65，计算得到各个非中心位置的所述子镜的平移补偿量Q＝-Z/2；

步骤S66，利用所述控制器向各个非中心位置的所述子镜的驱动器输出第二驱动电压，以驱动各个非中心位置的所述子镜产生平移量T(i)＝αQ，其中0＜α＜1，其中，α为比例控制系数，i为所述第二驱动电压驱动所述子镜的驱动器的驱动次数。

7.根据权利要求6所述的空间稀疏孔径望远镜共相控制方法，其特征在于，所述步骤S7中，重复执行所述步骤S6的次数为N-1，则各个非中心位置的所述子镜的平移量向量其中，i为所述第二驱动电压驱动所述子镜的驱动器的驱动次数。

8.根据权利要求7所述的空间稀疏孔径望远镜共相控制方法，其特征在于，所述步骤S9包括：

首先，建立如下的方程组：

n₁∈Z ④

||n₂|-Round(|n₂|)|＜σ ⑤

||n₃|-Round(|n₃|)|＜σ ⑥

依次设定n₁＝0，±1，±2，…；其中，σ为误差控制系数，取值为0.01，Round()表示四舍五入函数，

然后，从公式①中求解得到非中心位置的所述子镜相对于中心位置的所述子镜的绝对高度差H，分别代入公式②和③得到n₂和n₃，若n₂和n₃满足公式⑤和⑥，则此时设定的n₁正确，且此时求解得到的绝对高度差H正确，否则，重新设定n₁，直至其正确。