CN111638040B - 适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法，可用于光学合成孔径成像系统子孔径指向的实时校正。本方法利用沿光轴方向较大尺度偏置于成像焦平面的探测器将交叠的合束光斑解耦为多个离焦子孔径光斑；分别计算每个离焦子孔径光斑的像素偏移量，将其转化为各子孔径光轴的指向偏差，控制执行机构进行相应补偿，实现光学合成孔径成像系统的实时闭环指向校正。本方法仅需一个置于长离焦面的探测器即可实现对合束光斑的解耦，相对于目前通过设计特殊光学模块分离光斑的方法，光路更加简单紧凑，不受孔径排布、孔径数量、光路结构以及系统参数等的限制，在保证同等精度前提下，具有普适性强、移植性好等优点。

Description

适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法

技术领域

本发明属于光学合成孔径成像领域，特别涉及一种适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法。

背景技术

光电望远镜是远距离目标探测识别的重要手段之一，在深空探测、遥感成像等诸多领域都发挥着非常重要的作用。从理论上讲，望远镜口径越大，其集光能力愈强、分辨力愈高。然而，系统口径增大会增加制造、检测和装配的难度，同时加剧大气湍流的影响。20世纪70年代新兴的光学合成孔径成像技术为突破系统口径的限制提供了新的思路。

光学合成孔径成像要提升分辨率，各子孔径系统之间必须共焦和共相，否则只能起到收集光能的作用。其中，共相是关键，共焦是前提。各子孔径之间的指向差异会破环共焦状态，导致各子孔径图像彼此交错，成像像质严重下降。对于传统单孔径望远镜而言，指向误差很容易通过光斑的脱靶量解算。然而对于光学合成孔径系统而言，由于成像共焦面上各个子孔径光斑彼此交叠，很难从光斑的抖动变化中获取各子孔径光轴单独的指向误差。因此，光学合成孔径指向误差的检测难点就在于各子孔径光斑的解耦。

工程中常通过设计特殊的光斑分离模块实现各子孔径光斑解耦。法国I2T干涉仪和美国MarkⅢ恒星干涉仪分别利用光锥和环形楔镜使两个子望远镜的光斑分离。国内中科院国家天文台研制的三孔望远镜阵列由多个棱镜组成的光斑分离模块划分三个子孔径光斑。特殊设计的光斑分离模块无疑会显著增加系统的复杂度，同时往往还受到孔径排布、孔径数量、光路结构以及系统参数等的限制，不具有普适性和可移植性。

发明内容

为克服现有方法的问题和局限，本发明提供一种离焦解耦指向校正方法，无需复杂的光斑分离模块，结构简单紧凑，适用于几乎所有的光学合成孔径成像系统。

本发明采用的技术方案是：一种适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法，在指向误差探测过程中，探测器沿光轴方向较大尺度偏置于光学合成孔径成像焦平面，基于光束合成的几何关系实现子孔径光斑的自然解耦；根据解耦的各子孔径光斑偏移量解算对应子孔径光轴的指向误差，控制相应的指向校正执行机构予以校正。

其中，在指向误差探测过程中置于长离焦面的探测器同时实现子孔径光斑分离和光强采集的功能。

其中，选择指向误差探测器的偏置离焦距离，既要使合束光斑解耦为多个离焦子孔径光斑，且各光斑彼此完全分离，也要保证各子孔径光斑在探测器视场范围内。

其中，通过指向误差探测器采集的单帧长离焦图像实时获取各子孔径光轴的指向误差，无需离焦和焦面图像联合检测。

其中，当用于拼接主镜时，加入子孔径光阑弱化各光斑之间的串扰。

适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法具体步骤如下：

步骤1)、对n孔望远镜阵列成像主镜后的汇聚光束分光，其中n≥2，一部分用于成像探测，一部分用于指向探测；

步骤2)、在指向误差探测过程中，将探测器沿光轴方向大尺度偏置于光学合成孔径成像焦平面，以产生较大离焦像差，在该长离焦探测面，交叠的合束光斑在较大离焦像差作用下解耦为n个离焦子孔径光斑；

步骤3)、分时准直n个子孔径光轴，通过依次调节高精度偏摆镜使成像焦平面上的n个子孔径光斑一一重和，校正子孔径之间的光程差，产生理想干涉点扩散函数，此时，在长离焦指向误差探测器上，n个离焦子孔径光斑按n孔阵列构型等比缩放排布，利用形心算法、质心算法或相关算法标定准直状态下各子孔径光斑在指向误差探测器上的参考位置；

步骤4)、由于n个子孔径光轴的抖动，初始准直状态遭到破坏，焦平面上的干涉点扩散函数发生畸变，利用形心算法、质心算法或相关算法实时计算动态情况下n个子孔径光斑在指向误差探测器上的瞬时位置，将其与参考位置对比，得到各自像素偏移量；

步骤5)、将n个子孔径光斑在指向误差探测器上的像素偏移量转化为各子孔径光轴的指向误差，通过伺服控制模块驱动高精度偏摆镜对指向误差进行补偿，实现n孔望远镜阵列的实时闭环指向校正，闭环校正后的干涉点扩散函数恢复至理想情况。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明利用一个置于长离焦面的普通探测器即实现了子孔径的光斑分离，无需楔镜、棱镜等光学元件，结构简单紧凑，降低了光学合成孔径成像的系统复杂度。

2)本发明与利用焦前焦后联合检测的相位差技术相比，通过指向误差探测器采集的单帧长离焦图像即可提取各子孔径指向误差，检测范围大，精度高，且算法复杂度低，无需迭代，可实现实时检测。

3)本发明不受孔径排布、孔径数量、光路结构以及系统参数等的限制，在保证同等精度前提下具有极强的普适性和可移植性，适用于几乎所有的光学合成孔径成像系统。

附图说明

图1为适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法基本原理示意图。其中，1为探测器，2为光学合成孔径成像焦平面，3为指向校正执行机构。

图2为三孔望远镜阵列实施例准直后在焦面上未干涉的点扩散函数示意图、准直后在焦面上干涉的点扩散函数示意图以及在长离焦指向误差探测面上子孔径光斑分布示意图，其中，图2(a)为三孔望远镜阵列实施例准直后在焦面上未干涉的点扩散函数示意图；图2(b)为三孔望远镜阵列实施例准直后在焦面上干涉的点扩散函数示意图；图2(c)为三孔望远镜阵列实施例准直后在长离焦指向误差探测面上子孔径光斑分布示意图。

图3为三孔望远镜阵列实施例受光轴抖动在焦面上干涉的点扩散函数示意图以及利用本发明闭环抑制抖动后焦面上干涉的点扩散函数示意图，其中，图3(a)为三孔望远镜阵列实施例受光轴抖动在焦面上干涉的点扩散函数示意图；图3(b)为三孔望远镜阵列实施例利用本发明闭环抑制抖动后焦面上干涉的点扩散函数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

本发明一种适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法，基本原理如图1所示，在指向误差探测过程中，探测器1沿光轴方向较大尺度偏置于光学合成孔径成像焦平面2，基于光束合成的几何关系实现子孔径光斑的自然解耦；根据解耦的各子孔径光斑偏移量解算对应子孔径光轴的指向误差，控制相应的指向校正执行机构3予以校正。

本发明实施例为一个三孔望远镜合成孔径阵列，具体实施步骤如下：

1)对三孔望远镜阵列成像主镜后的汇聚光束分光，一部分用于成像探测，一部分用于指向探测。

2)在指向误差探测过程中，将探测器沿光轴方向大尺度偏置于光学合成孔径成像焦平面，以产生较大离焦像差。在该长离焦探测面，交叠的合束光斑在较大离焦像差作用下解耦为三个离焦子孔径光斑。

3)分时准直三个子孔径光轴，通过依次调节高精度偏摆镜使成像焦平面上的三个子孔径光斑一一重和，如图2(a)所示。校正子孔径之间的光程差，产生理想三孔干涉点扩散函数，如图2(b)所示。此时，在长离焦指向误差探测器上，三个离焦子孔径光斑按三孔阵列构型等比缩放排布，如图2(c)所示，利用形心算法标定准直状态下各子孔径光斑在指向误差探测器上的参考位置，如图2(c)三个黑点标记所示。

4)由于三个子孔径光轴的抖动，初始准直状态遭到破坏，焦平面上的干涉点扩散函数发生畸变，如图3(a)所示。利用形心算法实时计算动态情况下三个子孔径光斑在指向误差探测器上的瞬时位置，将其与参考位置对比，得到各自像素偏移量。

5)将三个子孔径光斑在指向误差探测器上的像素偏移量转化为各子孔径光轴的指向误差，通过伺服控制模块驱动高精度偏摆镜对指向误差进行补偿，实现三孔望远镜阵列的实时闭环指向校正，闭环校正后的干涉点扩散函数恢复至理想情况，如图3(b)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。只要是通过将探测器置于长离焦面使光学合成孔径系统各子孔径光斑自然解耦的指向校正方法、装置和系统，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法，其特征在于：在指向误差探测过程中，探测器(1)沿光轴方向大尺度偏置于光学合成孔径成像焦平面(2)，基于光束合成的几何关系实现子孔径光斑的自然解耦；根据解耦的各子孔径光斑偏移量解算对应子孔径光轴的指向误差，控制相应的指向校正执行机构(3)予以校正，其中，通过指向误差探测器采集的单帧长离焦图像实时获取各子孔径光轴的指向误差，无需离焦和焦面图像联合检测；

其中大尺度是指向误差探测器的偏置离焦距离，既要使合束光斑解耦为多个离焦子孔径光斑，且各光斑彼此完全分离，也要保证各子孔径光斑在探测器视场范围内。

2.根据权利要求1所述的一种适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法，其特征在于：在指向误差探测过程中置于长离焦面的探测器同时实现子孔径光斑分离和光强采集的功能。

3.根据权利要求1所述的一种适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法，其特征在于：当用于拼接主镜时，加入子孔径光阑弱化各光斑之间的串扰。

4.根据权利要求1所述的一种适用于光学合成孔径成像系统的离焦解耦指向校正方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1)、对n孔望远镜阵列成像主镜后的汇聚光束分光，其中n≥2，一部分用于成像探测，一部分用于指向探测；

步骤2)、在指向误差探测过程中，将探测器沿光轴方向大尺度偏置于光学合成孔径成像焦平面，以产生较大离焦像差，在该长离焦探测面，交叠的合束光斑在较大离焦像差作用下解耦为n个离焦子孔径光斑；

步骤3)、分时准直n个子孔径光轴，通过依次调节高精度偏摆镜使成像焦平面上的n个子孔径光斑一一重和，校正子孔径之间的光程差，产生理想干涉点扩散函数，此时，在长离焦指向误差探测器上，n个离焦子孔径光斑按n孔阵列构型等比缩放排布，利用形心算法、质心算法或相关算法标定准直状态下各子孔径光斑在指向误差探测器上的参考位置；

步骤4)、由于n个子孔径光轴的抖动，初始准直状态遭到破坏，焦平面上的干涉点扩散函数发生畸变，利用形心算法、质心算法或相关算法实时计算动态情况下n个子孔径光斑在指向误差探测器上的瞬时位置，将其与参考位置对比，得到各自像素偏移量；

步骤5)、将n个子孔径光斑在指向误差探测器上的像素偏移量转化为各子孔径光轴的指向误差，通过伺服控制模块驱动高精度偏摆镜对指向误差进行补偿，实现n孔望远镜阵列的实时闭环指向校正，闭环校正后的干涉点扩散函数恢复至理想情况。

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