CN109946711A - 基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，包括：目标光源；子孔径，为多组主动式光学反射镜，各子孔径采用分立式结构，每个子孔径设于对应的滑轨上并能够沿滑轨滑动，滑轨沿高精密转台的径向设置；光路折转模块，光程探测模块，倾斜探测模块，第一变阵控制模块，第二变阵控制模块，聚焦透镜和合光成像模块。本发明实现基线旋转和伸缩，依靠子孔径的主动光学系统，通过倾斜探测和光程探测的双闭环回路校正，实时补偿指向偏差和光程偏差，保证光路折转模块发出的光经过聚焦透镜后，实现等相位干涉，为光干涉合成孔径成像理论和光路设计提供验证平台，提高成像系统的精度。

Description

基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统

技术领域

本发明属于空间光学成像技术领域，涉及一种空间光学合成孔径成像的地面试验系统，具体涉及一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统。

背景技术

合成孔径光学成像是实现高分辨率成像的有效途径，在对地高分辨率成像、军事侦查、天文观测和深空探测等领域具有广泛的应用前景。在空间光学成像领域，为了提高成像系统的角分辨率，一般是通过增加系统孔径，然而系统孔径的增加会受到加工工艺的制约，同时制造成本也会大幅增加，系统加工成本与孔径的2.76次方成正比。此外，对于空间光学观测系统而言，还受到飞行器有效载荷舱体积(系统发射直径一般< 5m)和发射质量的限制。体积和质量过大的光学系统给航天发射也带来的很大的困难。为了克服上述矛盾，一种光学合成孔径成像系统的思想被提了出来，光学合成孔径成像方法采用多个子孔径光学系统获得高分辨率成像效果，子口径光学系统可以是单独的镜片，也可以是独立的光学系统。通过改变子孔径的排布结构，灵活控制光学合成孔径成像系统的光学传递函数，已成为空间光学遥感器和天文望远镜新的发展方向之一。

目前，涉及光学合成孔径成像试验系统采用计算机仿真或静止理想成像仿真。计算机仿真是利用干涉成像的数学模型，进行仿真计算，这种方法仅仅能够验证成像理论与方法，不具备验证实际光路设计和杂散光抑制等环境因素；静止理想成像仿真是利用预置的掩模板模拟成像中的子孔径，从光源发出的光束经过掩模板上的子孔径，在聚焦望远镜像面处相干涉，产生干涉条纹花样，再经显微镜镜头放大后被CCD相机所接收，模拟在理想情况下的点扩散函数强度分布图。这种实验系统不考虑运动的情况，也忽略其它因素对干涉成像的影响。

环境噪声和旋转运动是地面实验系统设计中必须考虑的因素。光学合成孔径成像本质上是从干涉条纹图案中恢复物象信息，要求成像系统中的位置控制精度达到1/10波长量级的精度，例如，对于532nm波长的蓝光而言，成像系统的精度要求为53.2nm，对于如此高的精度要求，在实验室环境下，任何的环境噪声都会对成像结果造成很大的影响。此外，根据合成孔径的成像原理，子孔径是通过不断地旋转运动，最终实现空间UV覆盖，因此，地面实验系统的设计中还需要考虑子孔径的旋转运动。这些是地面实验系统设计中必须考虑到的问题。

发明内容

为了解决上述问题，针对高分辨率分布式合成孔径光学成像的地面验证需求，本发明提供一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，实现基线旋转和伸缩，依靠子孔径的主动光学系统，通过倾斜探测和光程探测的双闭环回路校正，实时补偿指向偏差和光程偏差，保证光路折转模块发出的光经过聚焦透镜后，实现等相位干涉，为光干涉合成孔径成像理论和光路设计提供验证平台，提高成像系统的精度。

本发明所采用的技术方案是，一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，包括：

目标光源，用于产生成像目标发出的光信号；

子孔径，用于接收目标光源发出的光信号，子孔径为多组主动式光学反射镜，各子孔径采用分立式结构，每个子孔径设于对应的滑轨上并能够沿滑轨滑动，滑轨沿高精密转台的径向设置；

光路折转模块，用于将子孔径输出的光线折转为三路，一路进入聚焦透镜，另外两路分别进入光程探测模块和倾斜探测模块；

光程探测模块，用于接收和识别光路折转模块发出光信号的垂直光程差，将其变为电信号，通过第二变阵控制模块控制和调整子孔径的垂直距离；光程探测模块与第二变阵控制模块构成闭环回路校正系统；

倾斜探测模块，用于接收和识别光路折转模块发出光信号的倾斜光程差，将其变为电信号，通过第一变阵控制模块控制和调整子孔径的倾斜度；倾斜探测模块与第一变阵控制模块构成闭环回路校正系统；

合光成像模块，用于接收透过聚焦透镜的光信号，进行合光成像。

进一步的，所述第一变阵控制模块和第二变阵控制模块均采用分离变形镜，第一变阵控制模块通过分离变形镜内部的压电陶瓷驱动器控制对应的子孔径做两维倾斜运动，第二变阵控制模块通过分离变形镜内部的压电陶瓷驱动器控制对应的子孔径做垂直于高精密转台的活塞运动，以实现垂直光程差和倾斜光程差的闭环补偿。

进一步的，所述滑轨采用高精度滚针导轨，轻微的波动控制在nm量级，通过电机控制子孔径在滑轨上滑动；所述高精密转台的转角精度优于1角秒，转角分辨率优于0.1角秒。

进一步的，所述光路折转模块包括平面反射镜、半透半反的第一分光镜和半透半反的第二分光镜，平面反射镜、第一分光镜、第二分光镜分立设置，第二分光镜的中心置于平面反射镜中心和第一分光镜中心的连线延长线上，平面反射镜和第一分光镜平行，第一分光镜和第二分光镜形成90度的夹角；子孔径反射的光线经过平面反射镜反射后，依次经过第一分光镜、第二分光镜，第一分光镜的第一反射光被送入倾斜探测模块，第二分光镜的第二反射光被送入光程探测模块，第二分光镜的透射光被送入聚焦透镜。

进一步的，所述光程探测模块采用色散哈特曼传感器，采用适合点源目标的色散条纹法进行探测，采用基于傅里叶变换的次峰位置法对色散条纹信号进行高速实时探测，计算出垂直光程差。

进一步的，所述倾斜探测模块采用哈特曼传感器，利用聚焦光斑最大强度位置的偏移量和入射光束的斜率成线性关系、条纹的倾斜方向与光程差成线性关系，探测光斑的极大值偏离量，从而计算出入射光束的倾斜量。

进一步的，所述子孔径的个数不少于3个。

进一步的，所述目标光源为单色且波长可调的点光源，输出为平行光，采用激光器、氪灯、氦灯、氖灯或氢灯中任意一种。

进一步的，所述高精密转台、光路折转模块、倾斜探测模块、光程探测模块、第一变阵控制模块、第二变阵控制模块、聚焦透镜、合光成像模块均置于真空罐内，目标光源设于真空罐外侧，真空罐上设置有透明的真空观测窗，允许目标光源发出的光信号透过并发射至子孔径。

进一步的，所述真空罐内安装温度控制装置，用于调节、监测真空罐内的温度。

本发明的有益效果是，本发明为光干涉合成孔径成像理论和光路设计等方面提供验证平台，将子孔径置于精密转台的滑轨上，通过精密转台转动实现基线旋转，通过子孔径在滑轨上的运动实现基线的伸缩，以此模拟空间卫星光学系统的基线伸缩与旋转运动；依靠子孔径的主动光学系统，通过倾斜探测和光程探测的双闭环回路校正，实时补偿指向偏差和光程偏差，保证光路折转模块发出的光经过聚焦透镜后，实现等相位干涉，考虑子孔径的旋转运动，实现基线旋转和伸缩，降低环境噪音对光干涉合成孔径成像的影响，提高成像系统的精度，有助于更准确的从干涉条纹图案中恢复物象信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图。

图2是光路折转模块的结构示意图。

图中，1.目标光源，2.真空观测窗，3.高精密转台，4.子孔径，5.光路折转模块，50.平面反射镜，51.第一分光镜，52.第二分光镜，6.光程探测模块，7.倾斜探测模块，8.第一变阵控制模块，9.第二变阵控制模块，10.聚焦透镜，11.合光成像模块，12.真空罐，13.滑轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

从空间光学合成孔径成像的功能实现上看，需要各子孔径旋转运动才能实现U-V覆盖，单纯的分布式静止的子孔径是难以成像的，也就是空间光学合成孔径成像需要通过运动才能实现，现有的静态模拟是通过改变掩模板上的子孔径分布，实现一种“等效运动”，并无法模拟实际运动中存在的问题；从技术上看，干涉成像对共相的精度要求非常高，约为1/10波长量级，而子孔径在运动中会不断地引入垂直光程差和倾斜误差，导致不能干涉成像，这与静止状态下固定光程差是不同的；本发明通过后端的光程探测模块6和倾斜探测模块7，将探测到的光程差信息实时反馈，并通过第一变阵控制模块8和第二变阵控制模块9，实时地消除光程差的影响，即通过设计光程探测与补偿的反馈部分，保证干涉成像能够高精度地实现。

本发明基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，如图1所示，包括：

目标光源1，用于产生成像目标发出的光信号；目标光源1为单色且波长可调的点光源，采用激光器、氪灯、氦灯、氖灯或氢灯中任意一种，目标光源1输出为平行光，用于模拟远场平面波，以便于验证干涉成像；选择但不限于单色性较好的氦氖激光器，激光器出射光经过滤波、扩束实现平行光出射，模拟远场的光源。

子孔径4，用于接收目标光源1发出的光信号，子孔径4为多组主动式光学反射镜，每个子孔径4设于对应的滑轨13上并能够沿滑轨13滑动，滑轨13沿高精密转台3的径向设置，高精密转台3的转角精度优于1角秒，转角分辨率优于0.1角秒；滑轨13采用高精度滚针导轨，轻微的波动控制在nm量级，通过电机控制子孔径4在滑轨13上滑动。滑轨13提供直线运动轨迹和支撑点，为了减小摩擦，本发明可采用但不局限于东芝系列的高精度滚针V-V导轨，将高精密转台3的高转角精度与滑轨13的精确运动结合在一起。

各子孔径4采用分立式结构，便于模拟实际成像中的多个子孔径光束，子孔径4中心之间的位置矢量构成基线；子孔径4能够在滑轨13上沿高精密转台3径向运动，同时能够跟随高精密转台3旋转，从而模拟基线的旋转和伸缩运动。每条滑轨13上安装一个子孔径4，子孔径4用于模拟实际成像中的多个子孔径光束，子孔径4的个数不少于3个，模拟实际成像更准确。

光路折转模块5，用于将子孔径4输出的光线折转为三路，一路进入聚焦透镜10，另外两路分别进入光程探测模块6和倾斜探测模块7，分别进行光程探测和倾斜探测，以补偿指向误差和光程误差。

如图2所示，光路折转模块5包括平面反射镜50、半透半反的第一分光镜51和半透半反的第二分光镜52，平面反射镜50、第一分光镜51、第二分光镜52分立设置，第二分光镜52的中心置于平面反射镜50中心和第一分光镜51中心的连线延长线上，平面反射镜50和第一分光镜51平行，第一分光镜51和第二分光镜52形成90度的夹角；通过这样的位置和角度设置，将光束折转到不同的方向，以实现光程探测和倾斜探测的技术效果。子孔径4反射的光线经过平面反射镜50反射后，依次经过第一分光镜51、第二分光镜52，第一分光镜51的第一反射光被送入倾斜探测模块7，第二分光镜52的第二反射光被送入光程探测模块6，第二分光镜52的透射光被送入聚焦透镜10。

光程探测模块6，用于接收和识别光路折转模块5发出光信号的垂直光程差，将其变为电信号，通过第二变阵控制模块9控制和调整子孔径4的垂直距离；光程探测模块6与第二变阵控制模块9构成闭环回路校正系统；光程探测模块6采用色散哈特曼传感器，并且采用适合点源目标的色散条纹法进行探测，该技术通过棱栅，将光谱在垂直于基线方向上进行展开，形成色散干涉条纹，因此可以通过探测色散条纹的方向变化，进行实时的光程差探测。色散条纹信号处理方面，采用基于傅里叶变换的次峰位置法进行高速的实时探测，计算出垂直光程差。

倾斜探测模块7，用于接收和识别光路折转模块5发出光信号的倾斜光程差，将其变为电信号，通过第一变阵控制模块8控制和调整子孔径4的倾斜度，倾斜探测模块7与第一变阵控制模块8构成闭环回路校正系统；倾斜探测模块7采用哈特曼传感器，利用哈特曼传感器的聚焦光斑最大强度位置的偏移量和入射光束的斜率成线性关系，条纹的倾斜方向与光程差成线性关系，根据这一现象，探测出光斑的极大值偏离量，从而计算出入射光束的倾斜量。

通过倾斜探测和光程探测的双闭环回路校正系统，实时补偿指向偏差和光程偏差，保证到达不同孔径瞳面具有相等的光程，从而使得来自不同子孔径4的光实现合束干涉成像，干涉成像可以是在瞳面或者焦面上，即实现共相干涉成像。

第一变阵控制模块8和第二变阵控制模块9均采用分离变形镜，分离变形镜内部的压电陶瓷驱动器与子孔径4电连接，第一变阵控制模块8通过分离变形镜内部的压电陶瓷驱动器控制子孔径4做两维倾斜运动，第二变阵控制模块9通过分离变形镜内部的压电陶瓷驱动器控制子孔径4做垂直于高精密转台3的活塞运动，以实现垂直光程差和倾斜光程差的闭环补偿。由于分离变形镜属于比较成熟的技术，这里没有专门阐述其结构。

合光成像模块11，用于接收透过聚焦透镜10的光信号，进行合光成像。

高精密转台3、光路折转模块5、倾斜探测模块7、光程探测模块6、第一变阵控制模块8、第二变阵控制模块9、聚焦透镜10、合光成像模块11均置于真空罐12内，目标光源1设于真空罐12外侧，真空罐12上设置有透明的真空观测窗2，允许目标光源1发出的光信号透过并发射至子孔径4，真空观测窗2的材料采用真空玻璃或石英玻璃。真空罐12内部的空气被抽出，降低空气扰动对光传播的影响，同时，真空罐12内能够安装温度控制装置（温度控制装置为本领域常用装置，在此不赘述其具体结构），用于调节、监测真空罐12内的温度，以方便研究温度变化对干涉成像的影响。

本发明实施例的工作原理：

目标光源1模拟成像目标发出的光信号，被置于高精密转台3上的子孔径4接收，高精密转台3能够旋转，高精密转台3上沿径向置有滑轨13，使得子孔径4能够在滑轨13上滑动，光路折转模块5将子孔径4输出的光折转为三路，一路经过倾斜探测模块7，另一路经过光程探测模块6，第三路经过聚焦透镜10并由合光成像模块11合光成像；根据光程探测模块6和倾斜探测模块7的输出，第一变阵控制模块8或第二变阵控制模块9实时控制、调整子孔径4的倾斜度和垂直距离，保证光路折转模块5发出的光经过聚焦透镜10后，实现等相位干涉，最终在合光成像模块11中干涉成像。该系统能够为光干涉合成孔径成像理论和光路设计等方面提供验证平台。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，包括：

目标光源（1），用于产生成像目标发出的光信号；

子孔径（4），用于接收目标光源（1）发出的光信号，子孔径（4）为多组主动式光学反射镜，各子孔径（4）采用分立式结构，每个子孔径（4）设于对应的滑轨（13）上并能够沿滑轨（13）滑动，滑轨（13）沿高精密转台（3）的径向设置；

光路折转模块（5），用于将子孔径（4）输出的光线折转为三路，一路进入聚焦透镜（10），另外两路分别进入光程探测模块（6）和倾斜探测模块（7）；

光程探测模块（6），用于接收和识别光路折转模块（5）发出光信号的垂直光程差，将其变为电信号，通过第二变阵控制模块（9）控制和调整子孔径（4）的垂直距离；光程探测模块（6）与第二变阵控制模块（9）构成闭环回路校正系统；

倾斜探测模块（7），用于接收和识别光路折转模块（5）发出光信号的倾斜光程差，将其变为电信号，通过第一变阵控制模块（8）控制和调整子孔径（4）的倾斜度；倾斜探测模块（7）与第一变阵控制模块（8）构成闭环回路校正系统；

合光成像模块（11），用于接收透过聚焦透镜（10）的光信号，进行合光成像。

2.根据权利要求1所述的一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，所述第一变阵控制模块（8）和第二变阵控制模块（9）均采用分离变形镜，第一变阵控制模块（8）通过分离变形镜内部的压电陶瓷驱动器控制对应的子孔径（4）做两维倾斜运动，第二变阵控制模块（9）通过分离变形镜内部的压电陶瓷驱动器控制对应的子孔径（4）做垂直于高精密转台（3）的活塞运动，以实现垂直光程差和倾斜光程差的闭环补偿。

3.根据权利要求1所述的一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，所述滑轨（13）采用高精度滚针导轨，轻微的波动控制在nm量级，通过电机控制子孔径（4）在滑轨（13）上滑动；所述高精密转台（3）的转角精度优于1角秒，转角分辨率优于0.1角秒。

4.根据权利要求1所述的一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，所述光路折转模块（5）包括平面反射镜（50）、半透半反的第一分光镜（51）和半透半反的第二分光镜（52），平面反射镜（50）、第一分光镜（51）、第二分光镜（52）分立设置，第二分光镜（52）的中心置于平面反射镜（50）中心和第一分光镜（51）中心的连线延长线上，平面反射镜（50）和第一分光镜（51）平行，第一分光镜（51）和第二分光镜（52）形成90度的夹角；子孔径（4）反射的光线经过平面反射镜（50）反射后，依次经过第一分光镜（51）、第二分光镜（52），第一分光镜（51）的第一反射光被送入倾斜探测模块（7），第二分光镜（52）的第二反射光被送入光程探测模块（6），第二分光镜（52）的透射光被送入聚焦透镜（10）。

5.根据权利要求1所述的一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，所述光程探测模块（6）采用色散哈特曼传感器，采用适合点源目标的色散条纹法进行探测，采用基于傅里叶变换的次峰位置法对色散条纹信号进行高速实时探测，计算出垂直光程差。

6.根据权利要求1所述的一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，所述倾斜探测模块（7）采用哈特曼传感器，利用聚焦光斑最大强度位置的偏移量和入射光束的斜率成线性关系、条纹的倾斜方向与光程差成线性关系，探测光斑的极大值偏离量，从而计算出入射光束的倾斜量。

7.根据权利要求1所述的一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，所述子孔径（4）的个数不少于3个。

8.根据权利要求1所述的一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，所述目标光源（1）为单色且波长可调的点光源，输出为平行光，采用激光器、氪灯、氦灯、氖灯或氢灯中任意一种。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，所述高精密转台（3）、光路折转模块（5）、倾斜探测模块（7）、光程探测模块（6）、第一变阵控制模块（8）、第二变阵控制模块（9）、聚焦透镜（10）、合光成像模块（11）均置于真空罐（12）内，目标光源（1）设于真空罐（12）外侧，真空罐（12）上设置有透明的真空观测窗（2），允许目标光源（1）发出的光信号透过并发射至子孔径（4）。

10.根据权利要求9所述的一种基线伸缩与旋转的合成孔径光学成像试验系统，其特征在于，所述真空罐（12）内安装温度控制装置，用于调节、监测真空罐（12）内的温度。