CN112097909B - 恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法和系统，所述该光程差检测方法基于干涉光谱实现，利用色散棱镜获得干涉光束的干涉光谱，有效检测范围达到百微米量级，可快速捕获干涉条纹，同时实现光程差高精度检测。根据光程差检测结果进行条纹跟踪，通过延迟线系统补偿光程差，该延迟线系统由直线位移平台与纳米级压电位移平台组成，利用实时控制算法控制，同时以光程差检测结果作为反馈形成闭环，实现实时的一个波长量级的光程差补偿。本发明光程差检测精度可达一个波长量级、检测范围可达195μm，可快速捕获干涉条纹。本发明光程差补偿为闭环控制，在高效运行的同时，保证了光程差补偿的精度。

Description

恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法和系统
技术领域
本发明涉及天体高分辨成像、天文终端设备、光学检测等技术领域；具体涉及一种恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法和系统；特别是涉及一种基于干涉光谱的恒星光干涉光程差检测方法及条纹跟踪方法，更具体的涉及一种应用于恒星光干涉装置中为保证干涉条纹对比度的光程差细分检测和条纹跟踪方法。
背景技术
恒星光干涉测量方法是天文高分辨观测技术发展的前沿，在恒星的形成及演化，系外行星探测等热点天文问题的研究中发挥着重要作用。条纹跟踪是恒星光干涉观测方法中的关键技术，在光学和红外波段实现恒星光干涉高分辨观测，其先决条件就是要将两束星光之间的光程差控制在相干长度以内，否则无法保证光干涉测量精度，在最坏的情况下将会导致干涉条纹丢失。
由于恒星干涉仪的基线长度、地球自转引起的星光方向变化、大气扰动和仪器机械因素等均会导致光程差的变化，且不同原因导致的光程差变化量级也不相同。因此当前大型光干涉装置普遍采用多级延迟线进行光程差实时补偿。首先，由于长基线光干涉的基线长度通常为数十米至数百米之多，为了快速锁定干涉条纹，必须要求干涉仪的条纹跟踪系统拥有大行程检测范围。其次，为了精密测定干涉条纹的对比度，需要将光程差锁定至相干长度的1/10以内，在可见光波段通常为亚微米量级，这就对光程差的检测和跟踪精度提出了很高的要求。
发明内容
针对条纹跟踪技术中要求大行程检测范围与高光程差检测精度的特点，本发明提供一种基于干涉光谱的恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法和系统，本发明兼顾了百微米级的光程差检测范围与亚微米级的检测精度，在快速捕获和锁定干涉条纹的同时，保证光程差检测的精度。本发明利用直线位移平台和纳米级压电位移平台组成的二级延迟线与实时控制算法，结合基于干涉光谱的光程差检测方法形成闭环，保证光程差实时补偿的精度。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法，基于干涉光谱检测光程差，包括：
将两束星光合束后经过色散棱镜后成像形成干涉光谱；
采集干涉光谱，分析干涉光谱频谱，得到光程差；
基于延迟线对光程差进行实时跟踪补偿。
进一步的，所述分析干涉光谱频谱过程包括：
根据干涉光谱的形成，建立干涉光谱强度分布与波长之间的函数关系，并据此建立干涉光谱条纹数目与两束星光之间光程差的函数关系；
将波长用波数表示，从而建立干涉光谱强度分布与波数之间的函数关系；
假定棱镜的色散在波数上是线性的，即波数与探测器坐标轴之间有线性变换，将波数用像素位置表示，从而建立探测器上干涉光谱强度分布与探测器像素位置间的函数关系；
在干涉光谱信号后补零；
通过傅里叶变换求解，获取干涉光谱的条纹数目，根据干涉光谱条纹数目与光程差之间的函数关系计算得到光程差。
进一步的，所述干涉光谱采集方式为：
在暗室条件下，以实际图像采集时同样的曝光时间采集一副图像，作为相机的噪声样本；
在图像无干涉条纹时采集一副图像，作为光源的光谱样本，并按像素转化为对应的校正系数；
采集图像，减去噪声后，框取图像中干涉光谱的范围，根据采集范围内像素灰度最大值统一像素值范围；
在图像中干涉光谱的中心位置选取若干行，按列平均像素值；
采用光谱强度校正系数校正图像，得到一维干涉光谱。
光源的光谱强度分布不均匀，导致干涉光谱的频谱被光源的光谱轮廓干扰，影响干涉条纹的判断以及光程差的计算。图像采集时的随机噪声以及相机本身的暗电流噪声、本底噪声、读出噪声和坏点，降低了干涉光谱图像信噪比，亦会影响干涉条纹的判断以及光程差的计算。采用上述方式采集干涉光谱，可提高干涉光谱的信噪比，提升光程差检测范围。
进一步的，所述延迟线为由一级直线位移平台和二级压电位移平台组成二级延迟线，所述二级延迟线安装于光路的第一干涉臂和第二干涉臂处。本发明中的二级延迟线系统中，一级直线位移平台对应大范围的光程差检测，可用于扫描光程以捕获干涉条纹。二级压电位移平台用于高速、高精度补偿光程差，对应高精度的光程差检测。
进一步的，第一干涉臂的一级直线位移平台在行程内扫描光程，通过相机采集的图像判断是否捕获到干涉条纹，当捕获到干涉条纹后，停止扫描光程，实现干涉条纹捕获。具体的，通过检测频谱中是否存在零频位置以外的峰判断是否发生干涉。
进一步的，第二干涉臂的延迟线平移以附加光程扰动，采集干涉光谱图像，检测光程差，并计算光程差补偿量反馈至第一干涉臂的延迟线，第一干涉臂延迟线的二级压电位移平台做出位移补偿光程扰动。
本发明还提供了基于上述方法的恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪系统，包括光源输入系统、干涉光路形成系统、检测跟踪系统和光路装调辅助与较准系统；
所述光源输入系统包括准直镜、滤光片组、针孔和孔径光阑，白光光源依次经过上述结构后输入干涉光路；
所述干涉光路为：在迈克尔逊干涉系统的基础上，将干涉臂上的平面镜替换为屋脊棱镜，在两束光合束后依次通过色散棱镜、反射镜、成像透镜成像；
所述检测跟踪系统包括延迟线、相机和控制装置，所述延迟线分别设置于两条干涉臂处，将屋脊棱镜放置于延迟线上；所述相机用于成像，所述控制装置用于实施干涉光谱采集，光程差计算和条纹跟踪；
所述光路装调辅助与较准系统设置于入射光路和干涉光路之间，依次包括氦氖激光器、中性滤光器和合束器；所述氦氖激光器发射的激光经中性滤光器衰减后通过合束器与光源输入系统输出的白光耦合。
进一步的，所述延迟线为一级直线位移平台、二级压电位移平台组成的二级延迟线，二级压电位移平台固定于一级直线位移平台上。
进一步的，所述控制装置中，干涉光谱采集，光程差计算和条纹跟踪采用并行结构实施运算，通过消息队列保证并行时序。
本发明为了合理利用有限的探测带宽，通过在信号后补零，使傅里叶变换后可得到分数的条纹数目，有效提高了光程差检测精度。本发明在室内验证时，干涉光谱范围选择500-600nm，通过在干涉信号后补零，干涉光谱频谱的4倍细分，使干涉光谱的条纹数目分辨能力达到0.25条，光程差检测精度0.75μm，实现了亚微米级光程差检测。如图2，为基于干涉光谱的恒星光干涉光程差检测方法仿真结果示意图，图中一维干涉光谱光程差4μm，通过本发明中基于干涉光谱的光程差检测方法计算得到光程差3.75μm，误差0.25μm，图3为利用本发明多次计算光程差的结果，光程差检测精度0.75μm，达到光程差高精度检测的目的。经过室内实验验证，本发明实测可清晰分辨的最大干涉光谱条纹数目为65，最大光程差检测范围195μm，达到光程差大范围检测的目的。
图4为基于干涉光谱的恒星光干涉光程差检测与条纹跟踪方法的实时控制算法示意图。相机以50fps的速率运行，每幅图像的采集时间为20ms，基于干涉光谱的光程差检测方法计算一次光程差耗时10ms，延迟线的硬件响应时间小于10ms。程序采用并行结构，图像采集、光程差计算、硬件控制三部分独立工作，通过消息队列关联。在室内验证时采用500-600nm光谱范围的白光，本发明实测可实现50Hz的闭环条纹跟踪，跟踪误差±0.75μm，跟踪频率50Hz，光程差检测精度0.75μm，达到光程差实时高精度补偿的目的。
本发明具有如下有益效果：
(1)基于干涉光谱兼顾大范围与高精度的光程差检测。传统的光程差检测方法难以兼顾大范围与高精度两方面，本发明利用色散棱镜获得干涉光谱，通过补零与分析干涉光谱频谱，实现了一个波长量级的光程差的高精度检测。干涉光谱图像在经过处理后，提升了光程差检测范围，使本发明的光程差检测方法兼顾了大范围与高精度的特点。
(2)应用二级延迟线与并行实时控制系统。本发明中的延迟线系统同时用于干涉条纹的快速捕获与光程差的补偿。同时，实时控制系统采用并行结构，结合基于干涉光谱的光程差检测方法，使光程差的补偿形成闭环，保证了条纹跟踪的频率与精度。
附图说明
图1示出干涉光谱的形成原理示意图。
图2示出基于干涉光谱的恒星光干涉光程差检测方法仿真结果。
图3示出多次利用本发明的光程差计算方法仿真计算结果。
图4示出本发明的实时控制算法示意图。
图5示出本发明的一种实施光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的实施例，以详细说明技术方案。
基于干涉光谱的恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法，图1是本发明中干涉光谱的形成原理示意图，是条纹跟踪方法的根本。实行条纹跟踪可分为两个步骤，首先捕获干涉，其次补偿光程差实现条纹跟踪。
实施例1
本实施例具体说明应用本发明的系统结构(实施光路)。
如图5所示，所述系统包括光源输入系统、干涉光路形成系统、检测跟踪系统和光路装调辅助与较准系统；
所述光源输入系统包括准直镜组3、滤光片组4、针孔2和孔径光阑5，白光光源1依次经过上述结构后输入干涉光路；
所述干涉光路为：在迈克尔逊干涉系统的基础上，将干涉臂上的平面镜替换为屋脊棱镜8，10，在两束光合束后依次通过色散棱镜11、反射镜15、成像透镜12成像，补偿板19用于补偿两个干涉臂之间的固有光程差；
所述检测跟踪系统包括延迟线7、9、相机13和控制装置14，所述延迟线7、9分别设置于两条干涉臂处，将屋脊棱镜8，10放置于延迟线7、9上；所述相机13用于成像，所述控制装置14用于实施干涉光谱采集，光程差计算和条纹跟踪。
所述光路装调辅助与较准系统包括氦氖激光器16、中性滤光器17和合束器18，所述氦氖激光器16用于发出装调与较准光路时所用的激光；所述中性滤光器17用于衰减氦氖激光器发出的激光光强，避免损坏相机；所述合束器18用于将激光与白光耦合，便于光路的装调与较准。
所述延迟线7、9为一级直线位移平台、二级压电位移平台组成的二级延迟线，二级压电位移平台固定于一级直线位移平台上。
所述控制装置14中，干涉光谱采集，光程差计算和条纹跟踪采用并行结构实施运算，通过消息队列保证并行时序。
本实施例中，光源为白光光源1(LED)通过针孔2与准直镜组3后利用滤光片组4截取的光谱范围500-600nm的白光，通过孔径光阑5调整光束口径。相机13为sCMOS相机。压电位移平台分辨率1nm，行程48μm；直线位移平台重复定位精度0.25μm，位置精度3μm。
实施例2
本实施例具体说明本发明基于干涉光谱的光程差检测方法。
图1为干涉光谱的形成示意图，其强度分布可表示为：
Figure BDA0002612125680000051
其中，Is为光谱强度轮廓，Ib为背景光强，s为光程差，|γ|和φγ为复相干度的模和相位。根据式(1)，可以计算出在给定光谱范围的条件下，阵列探测器上可接收到条纹个数m可表示为：
Figure BDA0002612125680000052
其中，λmin为光谱范围下限，λmax为光谱范围上限，根据干涉光谱的条纹数目即可推算出光程差。
令波数k＝1/λ，根据式(1)，在探测器上探测到的干涉光谱强度分布与波数之间的关系可表示为：
I(k)＝I<sub>s</sub>[1+|γ|cos(2πsk+φ<sub>γ</sub>)]+I<sub>b</sub> (3)
假设探测器有N个像素，像素位置表示为n(n＝0,1,...,N-1)，每个像素大小为Δl，令
Figure BDA0002612125680000061
假定棱镜的色散在波数上是线性的，即波数k与探测器坐标轴l之间有线性变换k＝c0l，那么波数k可以用像素位置n表示为：
k<sub>n</sub>＝k<sub>min</sub>+nc<sub>0</sub>Δl (4)
假设探测器上的条纹数目为m(m＝0,1,...,N/2)，根据式(2)可得光程差s＝m/Δk，光程差分辨率Δs＝1/Δk，将其与式(4)带入式(3)得到干涉光谱强度分布与探测器像素位置之间关系的表达式：
Figure BDA0002612125680000062
对式(5)做离散傅里叶变换有：
Figure BDA0002612125680000063
干涉光谱的条纹数目m可通过傅里叶变换在频域获得。根据式(2)将干涉光谱的条纹数目乘以光程差分辨率Δs，得到光程差s。光程差分辨率Δs的大小取决于干涉光谱的光谱范围，直接利用傅里叶变换得到的干涉光谱条纹数目分辨能力为1条，通过在干涉信号后补零，可利用傅里叶变换得到带有分数的干涉光谱条纹数目，使条纹数目分辨能力小于1，在光谱范围有限的条件下实现了光程差检测精度的提升。
实施例3
通过基于干涉光谱的恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法，捕获干涉条纹。图5光路中延迟线A7在行程内扫描光程，通过sCMOS相机13采集的图像判断是否捕获到干涉条纹。
图2和图3是本发明中光程差检测方法的仿真结果，当发生干涉时，干涉光谱的频谱中除零频外将出现明显的峰。
图4是本发明中实时控制算法的示意图，在光程差计算部分程序发现干涉光谱中出现除零频外明显的峰时，判断捕获了干涉条纹，控制延迟线A7停止扫描光程，实现干涉条纹捕获；
干涉光谱采集方式如下：
(1)在暗室条件下，以实际采集时同样的曝光时间，采集一副图像，作为相机的自身噪声样本在采集图像时减去，以去除相机自身带来的本底噪声、暗电流噪声、读出噪声以及坏点。
(2)在图像无干涉条纹时采集一副图像，作为光源的光谱样本，并按像素转化为对应的校正系数，用于校正光源的光谱强度分布不均匀。
(3)框取图像中干涉光谱的范围，根据采集范围内像素灰度最大值统一像素值范围。
(4)在图像中干涉光谱的中心位置选取若干行，按列平均像素值，减小随机噪声。
(5)最后乘以光谱强度校正系数，校正光源的光谱强度分布不均匀得到一维干涉光谱。
实施例4
通过基于干涉光谱的恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法，实现条纹跟踪。图5光路中延迟线B9前后移动，给延迟线B9所在的干涉臂附加光程扰动。
图2和图3是本发明中光程差检测方法的仿真结果，在延迟线B9附加光程差时，根据图5所示的实时控制算法采集干涉光谱图像，利用基于干涉光谱的光程差检测方法实时高精度的检测光程差，并计算光程差补偿量反馈至延迟线A7，延迟线A7中的压电位移平台做出位移补偿光程扰动。
基于干涉光谱的恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法在实施例4中在500-600nm的白光条件下，实现了50Hz的闭环条纹跟踪，跟踪误差±0.75μm。达到了实时高精度补偿光程差的目的。
本发明不限于上述实施方式，凡是在本发明权利要求书技术方案基础上作简单变形，都在本发明意图保护范围之内。

Claims (6)

1.一种恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法，其特征在于，基于干涉光谱检测光程差，包括：
将两束星光合束后经过色散棱镜后成像形成干涉光谱；
采集干涉光谱，分析干涉光谱频谱，得到光程差，包括：
根据干涉光谱的形成，建立干涉光谱强度分布与波长之间的函数关系，并据此建立干涉光谱条纹数目与两束星光之间光程差的函数关系；
将波长用波数表示，从而建立干涉光谱强度分布与波数之间的函数关系；
假定棱镜的色散在波数上是线性的，即波数与探测器坐标轴之间有线性变换，将波数用像素位置表示，从而建立探测器上干涉光谱强度分布与探测器像素位置间的函数关系；
在干涉光谱信号后补零；
通过傅里叶变换求解，获取干涉光谱的条纹数目，根据干涉光谱条纹数目与光程差之间的函数关系计算得到光程差；
基于延迟线对光程差进行实时跟踪补偿；
所述延迟线为由一级直线位移平台和二级压电位移平台组成的二级延迟线，所述二级延迟线安装于光路的第一干涉臂和第二干涉臂处；
第一干涉臂的一级直线位移平台在行程内扫描光程，通过相机采集的图像判断是否捕获到干涉条纹，当捕获到干涉条纹后，停止扫描光程，实现干涉条纹捕获；
第二干涉臂的延迟线平移以附加光程扰动，采集干涉光谱图像，检测光程差，并计算光程差补偿量反馈至第一干涉臂的延迟线，第一干涉臂延迟线的二级压电位移平台做出位移补偿光程扰动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干涉光谱采集方式为：
在暗室条件下，以实际图像采集时同样的曝光时间采集一副图像，作为相机的噪声样本；
在图像无干涉条纹时采集一副图像，作为光源的光谱样本，并按像素转化为对应的校正系数；
采集图像，减去噪声后，框取图像中干涉光谱的范围，根据采集范围内像素灰度最大值统一像素值范围；
在图像中干涉光谱的中心位置选取若干行，按列平均像素值；
采用光谱强度校正系数校正图像，得到一维干涉光谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过检测频谱中是否存在零频位置以外的峰判断是否发生干涉。
4.基于权利要求1~3任一项所述方法进行恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪的系统，其特征在于，包括：光源输入系统、干涉光路形成系统、检测跟踪系统和光路装调辅助与较准系统；
所述光源输入系统包括准直镜组（3）、滤光片组（4）、针孔（2）和孔径光阑（5），白光光源（1）依次经过上述结构后输入干涉光路；
所述干涉光路为：在迈克尔逊干涉系统的基础上，将干涉臂上的平面镜替换为屋脊棱镜（8，10），在两束光合束后依次通过色散棱镜（11）、反射镜（15）、成像透镜（12）成像；
所述检测跟踪系统包括延迟线（7、9）、相机（13）和控制装置（14），所述延迟线（7、9）分别设置于两条干涉臂处，将屋脊棱镜（8，10）放置于延迟线（7、9）上；所述相机用于成像，所述控制装置（14）用于实施干涉光谱采集，光程差计算和条纹跟踪；
所述光路装调辅助与较准系统设置于入射光路和干涉光路之间，依次包括氦氖激光器（16）、中性滤光器（17）和合束器（18）；所述氦氖激光器（16）发射的激光经中性滤光器（17）衰减后通过合束器（18）与光源输入系统输出的白光耦合。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述延迟线（7、9）为一级直线位移平台、二级压电位移平台组成的二级延迟线，二级压电位移平台固定于一级直线位移平台上。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制装置（14）中，干涉光谱采集，光程差计算和条纹跟踪采用并行结构实施运算，通过消息队列保证并行时序。
CN202010757686.4A 2020-07-31 2020-07-31 恒星光干涉光程差检测及条纹跟踪方法和系统 Active CN112097909B (zh)

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《一种基于空间光程差调制的条纹位置测量方法》;孙长胜 等;《光子学报》;20160930;第45卷(第9期);全文 *

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