CN110849591A - 一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法 - Google Patents

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刘柱
彭起
任戈
马浩统
谭玉凤
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Abstract

本发明公开了一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法，可用于拼接式望远镜系统中的共相误差探测。该方法选定参考子光瞳，获取参考子光瞳的点扩散函数、剩余子光瞳的点扩散函数以及系统的点扩散函数；再对所得到的三个点扩散函数采用反解卷积方法求解出在该波长下系统的部分共相误差分布；再多次更换波长，并求解出其相应的部分共相误差分布，最后利用多谱合成算法计算出系统整体的共相误差。该方法无需在合成孔径面上额外添加参考光瞳，结构紧凑，效率高；同时该方法采用多波长对相位差进行处理，能有效抑制2π模糊影响，提高探测范围。

Description

一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法
技术领域
本发明属于稀疏光学合成孔径领域，具体涉及稀疏光学合成孔径成像系统基于光瞳空间调制的一种多谱共相误差探测方法。
背景技术
在天体物理学中，望远镜一直起着至关重要的作用。近现代，随着观测对象和观测距离的改变，对望远镜的分辨率和集光能力的要求也逐渐提高。但这两个重要指标都依赖于望远镜口径的增大，然而，若依赖单一主镜来制造大口径望远镜时会面临材料成本、加工技术和主镜重量增加导致像差增大等诸多因素的限制。稀疏光学合成孔径成像技术是一种新型的制造极大口径望远镜的技术，它通过将多路分离的子孔径系统组合，达到等效大口径望远镜分辨率的效果，同时，其单路的子孔径口径小，镜面制造难度小、成本低，体积小、重量轻，完美地解决了单口径望远镜上的难题。
但该方法必须要控制各个子孔径间的共相误差。也正因为如此，稀疏光学合成孔径成像系统的共相探测技术引起了相关学术界的极大关注。1994年Gary Chanan对传统的夏克-哈特曼传感器进行改进，使其能适用于拼接子镜面之间的平移误差探测，并将其应用于Keck望远镜的共相中；2008年，欧洲南方天文台的相关研究人员用改进型的曲率传感器，通过结合分析系统离焦图和两相邻子镜之间的边缘衍射图，获取两两相邻子镜之间的共相平移误差；2015年以色列研究人员提出用模拟退火法来探测光学合成孔径成像系统的平移误差，通过建立平移误差与系统远场图的评价函数，使用模拟退火算法不断控制和修正系统的平移误差，最终达到共相。
Figure BDA0002266058230000011
Hénault提出了一种概念性的基于多波长相移调制的平移误差探测设计方案，该方法给光学合成孔径系统引入一个额外的小孔径作为参考光瞳，针对三个不同的波长对参考光瞳进行相移调制，再从系统经过调制的点扩散函数图中求解出系统子孔径间的平移误差。对比上面那些方法，多波长相移调制法的优点在于实时性高、可探测的平移误差范围大，但在该方法中，引入额外的小孔径也会影响系统的最终成像质量，虽然其影响可以解决，但实际也给系统的共相误差检测带来了复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法，减少因为迭代次数多而对实时性的影响，获得更宽的探测范围，同时获得更快的调制速度。
本发明采用的技术解决方案是：一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法，用于拼接式望远镜系统各子孔径的共相误差检测，其具体步骤是：
步骤一 光路的搭建：
首先在实验平台上搭建起如图2所示的实验光路；宽波带光从激光器出射，经扩束系统进入多光瞳光路系统。取边缘一个光瞳作为参考光路，剩余光瞳作为调整光路；让这两部分光路分别经过缩束系统；再然后调整光路的光经过两平行但与传播光成逆时针45°的平面反射镜，调整其空间位置，让其能与参考光通过卡塞格林系统最后汇聚到系统的面阵探测器上。在系统的面阵探测器与卡塞格林系统之间，参考光路上有一个半透半反镜，从光路上反射部分光线让其进入参考光路的面阵探测器中；而调整光路也有一半透半反镜，反射部分光线让其进入调整光路的面阵探测器中。
步骤二 光瞳空间调制：
首先选取波长为λ1的点光源，假设系统总共有N+1路子光路，然后选取边缘某一路光路的子光瞳作为参考光瞳，在参考光瞳后面添加半透半反棱镜，然后让探测器件位于焦平面上，测得其点扩散函数为PSF1(P)；在剩下的N个子光瞳的后面也添加一块半透半反棱镜，并让其位于焦平面上，测得点扩散函数为PSFN(P)，最后让第三个探测器件位于系统的焦平面上，测得系统的点扩散函数PSFN+1(P)；
步骤三 光学传递函数的求取：
将得到的两个点扩散函数PSF1(P)，PSFN(P),PSFN+1(P)进行逆傅里叶变换进而得到其对应的光学传递函数OTF1(P)，OTFN(P),OTFN+1(P)，它们间存在以下的关系：
Figure BDA0002266058230000021
其中B1为参考光瞳的光瞳函数，BN表示待测子光瞳的光瞳函数，Pn为第n个子孔径的中心坐标，Δ(P-Pn)为第n个子孔径的波前分布，符号*表示卷积运算，OTF1(P)和OTFN(P)分别表示参考光瞳和N路所有光瞳的光学传递函数。
步骤四 相位分布的计算：
对上式进行傅里叶变换，可以得到：
Figure BDA0002266058230000031
因为光瞳函数B1已知，则可以对上式两边除以FT(B1)，得到：
Figure BDA0002266058230000032
再对上式进行逆傅里叶变换，便得到了以下式子：
Figure BDA0002266058230000033
利用反解卷积得到上式的相位分布后，只需要右侧第一部分的相位即得到了该系统在λ1波长情况下的相位分布
Figure BDA0002266058230000034
步骤五 共相误差的计算：
依次将步骤二中的点光源波长换成λ2，λ3的光，再重复步骤二、步骤三和步骤四，并分别得到φ2n，φ3n，则第n块子镜的共相误差Δ为：
Δ＝(n1+φ1n)λ1＝(n2+φ2n)λ2＝(n3+φ3n)λ3
因为上式是一个欠约束方程，所以定义合成波长λ：
λ＝(1/λ1-2/λ2+1/λ3)-1
利用该合成波长及欠约束方程，再结合多谱合成算法，便可以求解出共相误差Δ。
本发明的系统组成成分主要有：能提供多种波长的点光源、多路子光路、半透半反棱镜、面阵探测器件、多谱合成算法。
本发明的原理是：利用半透半反棱镜，可以快速地对各路子孔径进行空间调制，再利用三个焦平面上的面阵探测器可以分别得到个子光瞳、剩余光瞳以及系统的点扩散函数，然后利用反解卷积得到该波长情况下的部分相位分布，但因为单波长下会有2π模糊的影响，在该情况下，再多次更换点光源的波长，并按照前面的步骤，分别得到各自波长情况下的部分相位分布情况，所有的相位分布方程组合得到一个欠约束方程，再假设一个合成波长的方程，联合起来利用多谱合成算法便可以得到系统的共相误差分布。
本发明与当前现有技术相比，具有以下优点：
(1)利用半透半反棱镜对系统各子孔径进行空间调制，让系统结构更简单，让调制速度更快；
(2)在对单波长相位分布的求解过程中，用反解卷积方法来代替再额外引入小尺寸的参考光瞳，能有效简化系统结构，并完全避免了由小尺寸参考光瞳带来的一系列问题。
(3)多谱合成算法的应用，有效提高了检测的实时性。
(4)多种不同波长光源的应用，有效地去除了2π模糊的影响，并提高了对系统共相误差的检测范围。
附图说明
图1为基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法的流程图；
图2为系统光路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施步骤对本发明方案作进一步描述。
如图1的流程图所示，基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法包括如下步骤：
步骤一 光路的搭建：
首先在实验平台上搭建起如图2所示的实验光路；宽波带光从激光器出射，经扩束系统进入多光瞳光路系统。取边缘一个光瞳作为参考光路，剩余光瞳作为调整光路；让这两部分光路分别经过缩束系统；再然后调整光路的光经过两平行但与传播光成逆时针45°的平面反射镜，调整其空间位置，让其能与参考光通过卡塞格林系统最后汇聚到系统的面阵探测器上。在系统的面阵探测器与卡塞格林系统之间，参考光路上有一个半透半反镜，从光路上反射部分光线让其进入参考光路的面阵探测器中；而调整光路也有一半透半反镜，反射部分光线让其进入调整光路的面阵探测器中。
步骤二 光瞳空间调制：
首先选取波长为λ1的点光源，假设系统总共有N+1路子光路，然后选取边缘某一路光路的子光瞳作为参考光瞳，在参考光瞳后面添加半透半反棱镜，然后让探测器件位于焦平面上，测得其点扩散函数为PSF1(P)；在剩下的N个子光瞳的后面也添加一块半透半反棱镜，并让其位于焦平面上，测得点扩散函数为PSFN(P)，最后让第三个探测器件位于系统的焦平面上，测得系统的点扩散函数PSFN+1(P)；
步骤三光学传递函数的求取：
将得到的两个点扩散函数PSF1(P)，PSFN(P),PSFN+1(P)进行逆傅里叶变换进而得到其对应的光学传递函数OTF1(P)，OTFN(P),OTFN+1(P)，它们间存在以下的关系：
Figure BDA0002266058230000051
其中B1为参考光瞳的光瞳函数，BN表示待测子光瞳的光瞳函数，Pn为第n个子孔径的中心坐标，Δ(P-Pn)为第n个子孔径的波前分布，符号*表示卷积运算，OTF1(P)和OTFN(P)分别表示参考光瞳和N路所有光瞳的光学传递函数。
步骤四相位分布的计算：
对上式进行傅里叶变换，可以得到：
Figure BDA0002266058230000052
因为光瞳函数B1已知，则可以对上式两边除以FT(B1)，得到：
Figure BDA0002266058230000053
再对上式进行逆傅里叶变换，便得到了以下式子：
Figure BDA0002266058230000054
利用反解卷积得到上式的相位分布后，只需要右侧第一部分的相位即得到了该系统在λ1波长情况下的相位分布
Figure BDA0002266058230000055
步骤五共相误差的计算：
依次将步骤二中的点光源波长换成λ2，λ3的光，再重复步骤二、步骤三和步骤四，并分别得到φ2n，φ3n，则第n块子镜的共相误差Δ为：
Δ＝(n1+φ1n)λ1＝(n2+φ2n)λ2＝(n3+φ3n)λ3
因为上式是一个欠约束方程，所以定义合成波长λ：
λ＝(1/λ1-2/λ2+1/λ3)-1
利用该合成波长及欠约束方程，再结合多谱合成算法，便可以求解出共相误差Δ。

Claims (6)

1.一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法，用于拼接式望远镜系统各子镜间的共相误差探测，其特征在于，步骤如下：
步骤一 光路的搭建：
首先在实验平台上搭建起实验光路；宽波带光从激光器出射，经扩束系统进入多光瞳光路系统，取边缘一个光瞳作为参考光路，剩余光瞳作为调整光路；让这两部分光路分别经过缩束系统；再然后调整光路的光经过两平行但与传播光成逆时针45°的平面反射镜，调整其空间位置，让其能与参考光通过卡塞格林系统最后汇聚到系统的面阵探测器上，在系统的面阵探测器与卡塞格林系统之间，参考光路上有一个半透半反镜，从光路上反射部分光线让其进入参考光路的面阵探测器中；而调整光路也有一半透半反镜，反射部分光线让其进入调整光路的面阵探测器中；
步骤二 光瞳空间调制：
首先选取波长为λ1的单色光，假设系统总共有N+1路子光路，然后选取边缘某一路光路的子光瞳作为参考光瞳，在参考光瞳后面添加半透半反棱镜，然后让探测器件位于焦平面上，测得其点扩散函数为PSF1(P)；在剩下的N个子光瞳的后面也添加一块半透半反棱镜，并让其位于焦平面上，测得点扩散函数为PSFN(P)，最后让第三个探测器件位于系统的焦平面上，测得系统的点扩散函数PSFN+1(P)；
步骤三 光学传递函数的求取：
将得到的两个点扩散函数PSF1(P)，PSFN(P),PSFN+1(P)进行逆傅里叶变换进而得到其对应的光学传递函数OTF1(P)，OTFN(P)，OTFN+1(P)，它们间存在以下的关系：
Figure FDA0002266058220000011
其中B1为参考光瞳的光瞳函数，BN表示待测子光瞳的光瞳函数，Pn为第n个子光瞳的中心坐标，Δ(P-Pn)为第n个子光瞳的波前分布，符号*表示卷积运算，OTF1(P)和OTFN(P)分别表示参考光瞳和N路所有光瞳的光学传递函数；
步骤四 相位分布的计算：
通过对上式进行一系列傅里叶变换积运算，可以得到：
Figure FDA0002266058220000021
利用反解卷积得到上式的相位分布后，只需要右侧第一部分的相位即得到了该系统在λ1波长情况下的相位分布
Figure FDA0002266058220000022
步骤五 共相误差的计算：
依次将步骤二中的点光源波长换成λ2，λ3的光，再重复步骤二、步骤三和步骤四，并分别得到φ2n，φ3n，则第n块子镜的共相误差Δ为：
Δ＝(n1+φ1n)λ1＝(n2+φ2n)λ2＝(n3+φ3n)λ3
因为上式是一个欠约束方程，所以定义合成波长λ：
λ＝(1/λ1-2/λ2+1/λ3)-1
利用该合成波长及欠约束方程，再结合多谱合成算法，便可以求解出共相误差Δ。
2.根据权利要求1所述的一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法，其特征在于：步骤一中的实验光路指的是拼接式望远镜系统光路。
3.根据权利要求1所述的一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法，其特征在于：步骤二中的λ1以及步骤五中的λ2，λ3指任意随机波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法，其特征在于：步骤二中的点光源也可以用宽波段光源配合窄带滤波器替代。
5.根据权利要求1所述的一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法，其特征在于：步骤二中的探测器件可以是CCD相机，CMOS相机或其他面阵探测器件。
6.根据权利要求1所述的一种基于光瞳空间调制的多谱共相误差探测方法，其特征在于：步骤五中依次选取λ2，λ3的光，实际上可以选取两个但不限于两个波长来处理，即在该步骤中可以选取更多不同的波长来替代这两个波长。
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