CN110794576A - 一种基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法 - Google Patents

一种基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法，可用于光学合成孔径成像望远镜阵列中的偏心误差探测。本方法通过在合成孔径望远镜阵列任一子镜中产生特定的相位调制，用相机在系统像面记录一组相应点扩散函数PSF分布，利用傅里叶逆变换得到一组系统的光学传递函数OTF，对这些数据进行处理，复原合成孔径望远镜阵列系统出瞳面光瞳分布，得到系统各个子镜的偏心误差。本方法使用三维位移台对合成孔径望远镜的一个子镜进行相位调制，一次性获取所有望远镜子镜的偏心误差，没有额外引入其他器件，解决了传统望远镜阵列中安装位置传感器来监测偏心误差的缺点，极大地提高了偏心误差的探测能力。

Description

一种基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差 探测方法
技术领域
本发明属于光学成像望远镜领域，具体涉及一种基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法。
背景技术
随着人类探测需求的不断增加，望远镜口径越来越大。现有的技术水平难以实现大口径望远镜研制要求，光学合成孔径望远镜阵列系统是代替传统单一口径望远镜的解决方法。光学合成孔径望远镜阵列是采用多个独立的子镜来实现等效大通光口径望远镜分辨率能力的望远镜系统。不仅可以降低望远镜制造成本，而且由于其尺寸小、重量轻等优点，可以满足现有的飞行器的载荷要求进而在太空实现高分辨成像。在实际应用中，由于装调误差、固有误差等原因，望远镜阵列出瞳面难以完全满足“黄金准则”的要求，即望远镜出瞳面光瞳分布应为入瞳面光瞳分布的等比复制，从而带来望远镜阵列的偏心误差。子孔径间偏心误差的存在会大大影响光学合成孔径望远镜阵列的视场，进而影响成像结果。为保证光学合成孔径望远镜阵列的视场要求，需要将望远镜阵列的偏心误差控制在几十个微米以内。偏心误差探测与校正是望远镜阵列成像的前提，对于光学合成孔径望远镜阵列实现高分辨成像具有重要意义。现有的大型望远镜阵列偏心误差的探测主要通过在子孔径边缘安装传感器以监测子孔径位置，这会使望远镜阵列系统变得更加复杂，且安装外置传感器也会使望远镜表面发生形变，带来新的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种实时性好，测量范围大、不破坏系统结构的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法实现步骤如下：
(1)设置光学合成望远镜阵列含有N个子孔径，点光源的发出光的波长为λ；
(2)通过对合成孔径望远镜系统任一子孔径进行M次相位调制，相应的调制量分别为φ1,φ2,···,φk,···φM，其中
Figure BDA0002256939650000021
且1≤k≤M，使用相机在系统像面处获取的合成孔径望远镜系统点扩散函数依次为PSF1,PSF2,···,PSFk,···,PSFM；
(3)通过一个计算求解过程得到各个子望远镜在出瞳面处的偏心误差，计算过程如下：
1)通过傅里叶逆变换，将不同调制量下得到的点扩散函数变换成一组合成孔径望远镜系统的光学传递函数OTF1,OTF2,···,OTFk,···,OTFM；
2)将上述的光学传递函数分别乘以相位调制exp(iφk)并线性叠加，得到C：
Figure BDA0002256939650000022
其中，n代表除参考孔径外的任一孔径，Δn为第n块子镜的波前像差分布，Br为参考孔径的光瞳函数，BT为其余子镜的光瞳函数，(an,bn)代表第n个子镜的偏心误差，此时C代表包含偏心误差分布的集合；
3)包含偏心误差的合成望远镜系统出瞳面分布为：
Figure BDA0002256939650000023
其中，
Figure BDA0002256939650000024
为第n个子望远镜在出瞳面处包含偏心误差的分布函数，Im()和Re()分别代表求复数的虚部和实部。通过上式可以计算出合成望远镜系统各子镜偏心误差分布。
本发明与现有技术相比具有的特点：
(1)不需要额外安装位置传感器，简化了系统结构；
(2)直接利用合成孔径望远镜某一子镜作为参考孔径，不需要额外添加参考孔径，节省空间。
(3)在探测偏心误差的同时，本方法可以同时探测合成孔径成像望远镜阵列的倾斜误差及活塞误差。
(4)望远镜阵列高占空比情况下，本方法仍然可以提取子镜偏心误差。
附图说明
图1是呈Golay3分布的光学合成孔径望远镜阵列的子镜分布示意图，其中每个子镜均为一路单独的卡塞格林式望远镜；
图2是望远镜阵列的上面一路子望远镜光路结构示意图；
图3是望远镜阵列的下面两路子望远镜光路结构示意图；
图4是七孔合成孔径望远镜系统的仿真结果，其中，图4(a)是偏心误差探测精度示意图，4(b)是各子镜预加载的活塞误差，图4(c)是七孔合成孔径望远镜结构，图4(d)是通过移动右侧子镜产生偏心误差，偏心误差探测结果，代表光瞳初始位置，图4(e)是通过移动右侧子镜产生偏心误差，偏心误差探测结果，代表结束位置；
图中：1为单波长激光器，2为扩束光路，3为卡塞格林式子望远镜，4为直角反射棱镜，5为平面反射镜，6为锥形反射棱镜，7为成像系统子镜，8为CCD探测器，9为液晶相位延迟器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍发明。
图1是呈Golay3分布的光学合成孔径望远镜阵列的子镜分布示意图，其中每个子镜均为一路单独的卡塞格林式望远镜。
图2是望远镜阵列的上面一路子望远镜光路结构示意图。
图3是望远镜阵列的下面两路子望远镜光路结构示意图。包括：单波长激光器1，扩束光路2，卡塞格林式子望远镜3，直角反射棱镜4，平面反射镜5，锥形反射棱镜6，成像系统子镜7，CCD探测器8，液晶相位延迟器9。
单波长激光器1输出的激光经过扩束镜2照射到卡塞格林式子望远镜3，光束经过各个望远镜子镜后，再通过各路直角反射棱镜4、平面反射镜5，共同进入锥形反射棱镜6，最终成像在成像透镜7的焦面上，最后利用CCD探测器8获取目标的灰度图像。其中，在某一子镜出瞳面处利用透射式液晶相位延迟器9增加相位调制用来在探测器上获取目标的相位调制图像。
本实施方案测量的对象是一个Golay3光学合成孔径望远镜阵列，采用波长为635nm的光纤激光器作为光源，利用液晶相位延迟器作为相位调制器件，具体实施步骤如下：
(1)设置点光源的发出光的波长为635nm；
(2)采用四步相位调制，即M＝4，选取任一子镜作为参考孔径并分别添加相位量：相应的调制量0、π/2、π、3π/2，使用相机在系统像面处得到的合成孔径望远镜系统点扩散函数依次为PSF1,PSF2,PSF3,PSF4；
(3)通过一个计算求解过程得到各个子望远镜在出瞳面处的偏心误差，计算过程如下：
1)通过傅里叶逆变换，将得到的四个点扩散函数变换成一组合成孔径望远镜系统的光学传递函数OTF1,OTF2,OTF3,OTF4；
2)将上述四个光学传递函数分别乘以相应的相位调制
Figure BDA0002256939650000041
并线性叠加，得到C；
3)由公式(2)计算出第n块望远镜的偏心误差(an,bn)；
图4为七孔合成孔径望远镜系统的仿真结果，其中七孔合成孔径望远镜结构如图4(c)所示，图4(b)为各子镜预加载的活塞误差，通过移动右侧子镜产生偏心误差，偏心误差探测结果如图4(d)和4(e)所示，分别代表光瞳初始位置和结束位置，偏心误差探测精度如图4(a)所示。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。只要是通过选取任一子镜进行相位调制来获取不同点扩散函数并进一步得到光学合成孔径望远镜出瞳面处光瞳分布进而测量偏心误差探测方法，装置均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：
(1)设置光学合成望远镜阵列含有N个子孔径，点光源的发出光的波长为λ；
(2)选定合成孔径望远镜阵列中某一子镜作为参考孔径，通过对其进行M次相位调制，相应的调制量分别为φ1,φ2,···,φk,···φM，其中
Figure FDA0002256939640000011
且k满足1≤k≤M，使用相机在合成孔径望远镜系统像面处获取的点扩散函数依次为PSF1，PSF2，…，PSFk，…，PSFM；
(3)通过一个计算求解过程得到各个子望远镜在出瞳面处的偏心误差，计算过程如下：
1)通过傅里叶逆变换，将不同调制量下得到的点扩散函数变换成一组合成孔径望远镜系统的光学传递函数OTF1，OTF2，…，OTFk，…，OTFM；
2)将上述的光学传递函数分别乘以相位调制exp(iφk)并线性叠加，得到包含偏心误差分布的C：
其中，n代表除参考孔径外的其余子镜，Δn为第n块子镜的波前像差分布，Br为参考孔径的光瞳函数，BT为其余子镜的光瞳函数，(an,bn)代表第n个子镜的偏心误差；
3)包含偏心误差的合成望远镜系统出瞳面分布为：
其中，
Figure FDA0002256939640000014
为第n个望远镜子镜在出瞳面处的分布函数，Im()和Re()分别代表求复数的虚部和实部，通过上式可以计算出合成望远镜系统各子镜偏心误差分布。
2.根据权利要求1所述的基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法，其特征在于：通过将子镜作为参考孔径并引入相应的相位调制，引入相位调制的子镜可以任意选取，也可以引入新的子望远镜作为系统的参考孔径。
3.根据权利要求1所述的基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法，其特征在于：通过将系统的光学传递函数乘以相应的相位调制，恢复出望远镜阵列出瞳面光瞳分布，探测出子镜偏心误差。
4.根据权利要求1所述的基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法，其特征在于：相位调制器件可以采用反射式液晶空间光调制器件、透射式液晶相位延迟器，也可以采用三维快反镜、六自由度位移台器件。
5.根据权利要求1所述的基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法，其特征在于：相位调制可以采用三步调制，亦可采用四步调制或者更多步数相位调制。
6.根据权利要求1所述的基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法，其特征在于：成像器件可以是CCD相机，亦可是CMOS相机或者满足条件的其他面阵探测器。
7.根据权利要求1所述的基于相位调制的光学合成孔径成像望远镜阵列偏心误差探测方法，其特征在于：望远镜阵列子镜可以是透射式望远镜，也可以是反射式望远镜。
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