CN112230420A - 一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法，涉及干涉成像领域，旨在设计一种多光束干涉合成望远镜实现后期获得目标物体的高分辨率图像。本发明包括光线通过多个子望远镜(1)干涉入射到主镜；主镜传导光线至次镜后改变光线为平行光出射；出射后的平行光汇聚后到CCD相机实时接收。本发明与传统菲索式合成孔径干涉阵列望远镜相比，获得了较大的视场，获取目标的多模态光学信息，有利于对快速移动目标的捕获、跟踪与识别。
Description
技术领域
本发明涉及干涉成像领域，具体涉及一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法。
背景技术
随着人们对高空远距离识别的探索需求，对于承担观测任务的望远系统的高分辨率提出了越来越高的要求。根据经典的瑞利判据：θ＝1.22λ/D，在工作波长确定时，如果要提高系统的角分辨率，则只能增加系统入瞳孔径，导致反射式望远镜的口径尺寸超大，D为孔径的直径，λ为工作波长，θ为角分辨率。
通常大尺寸反射镜的自重较大，会导致反射镜的曲率半径随重力变化而发生改变。同时，过大的自重会导致反射镜的运动支撑结构复杂化。
为了解决制造超大单口径望远镜的困难，人们提出了几种解决方案，包括拼接式多面镜反射望远镜和干涉式望远镜。
拼接式多面镜反射镜会因为子反射镜数量过多，导致支撑调节结构异常复杂，装调精度难以保正，不利于自适应光学实现实时校正。
另一种解决超大口径望远镜制造困难的方法，是通过多个望远镜多光束干涉合成，实现高分辨率成像。光干涉望远镜的基本原理是通过多个小口径的子望远镜收集光束，子望远镜收集的光束相互之间干涉，通过后期数据处理就可以获得目标物体的高分辨率图像。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：设计一种多光束干涉合成望远镜实现后期获得目标物体的高分辨率图像，本发明提供了解决上述问题的一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种光干涉望远镜成像方法，包括如下步骤：
S1，光线通过多个子望远镜干涉入射到主镜；
S2，主镜传导光线至次镜后改变光线为平行光出射；
S3，出射后的平行光汇聚后到CCD相机实时接收。
进一步地，其中，子望远镜分别独立调节状态，包括调节子望远镜的通光口径；
其中，多个子望远镜的孔径形成阵列，其中干涉光线过程中的光瞳函数为：
式中，N是子孔径个数，circ()是圆域函数，(xn,yn)是第n个子孔径系统光瞳的中心坐标，
表示到达第n个子孔径的光束的相位偏移。
进一步地，N＝3时，三个子望远镜呈环形布置，三个子望远镜的孔径的光束复振幅Aarray (θ)分布为：
式中，(ρn,δn)是子孔径阵列的极坐标，ρn是第n个子孔径到阵列中心的距离(干涉仪臂长)，δn是相对于第一个干涉臂的极角；Dn是第n个子孔径的直径；θ是衍射方向与光轴的夹角；γ是相对于第一个干涉臂的极角；
是到达第n个子孔径的光束的相位偏移，λ为工作波长。
进一步地，对比每个子望远镜，子望远镜上的子孔径直径不同。
进一步地，对比每个子望远镜，子望远镜上的子孔径都是D，三个子孔径形成的稀疏阵列的光强分布为：
其中，阵列干涉因子为：
采集子孔径的分布位置，并代入数据式(3)。
进一步地，采集到子孔径的分布位置为3个在圆周上均匀分布时，此时的子孔径组成的稀疏孔径阵列中，ρ1＝ρ2＝ρ3＝ρ，δ1＝0，δ2＝2π/3，δ3＝4π/3，得到此时的光强分布：
将光强分布应用到CCD像面的计算模块中。
进一步地，采集到子孔径的分布位置不为3个在圆周上均匀分布时，此时的子孔径组成的稀疏孔径阵列中：ρ1、ρ2、ρ3互不相等，且δ2≠2π/3，δ3≠4π/3，得到此时的光强分布：
将光强分布应用到CCD像面的计算模块中。
优选的，选择S2中主镜的通光口径为200-350mm。
一种光干涉望远镜成像系统，包括三个独立的子望远镜、基座支架和旋转台，三个子望远镜下设置有旋转台，旋转台配合基座支架用于在轴向旋转调节，旋转台支持所述子望远镜；
所述系统应用上述的一种光干涉望远镜成像方法进行多孔径成像。
优选的，主镜的通光口径为200-350mm。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明与传统菲索式合成孔径干涉阵列望远镜相比，获得了较大的视场，获取目标的多模态光学信息，有利于对快速移动目标的捕获、跟踪与识别。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的俯视图。
图2为本发明的正视图。
图3为本发明的侧视图。
图4为本发明的流程图。
图5为本发明的光束追迹结果图。
图6为本发明的出瞳优化得到的系统传函图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、子望远镜；2、旋转台；3、基座支架。
具体实施方式
在对本发明的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本发明的应用不局限于下面的说明或附图中所示的结构的细节。本发明可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施或被执行。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改进前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
一种光干涉望远镜成像方法，包括如下步骤：
S1，光线通过多个子望远镜1干涉入射到主镜；
S2，主镜传导光线至次镜后改变光线为平行光出射；
S3，出射后的平行光汇聚后到CCD相机实时接收。
进一步地，其中，子望远镜1分别独立调节状态，包括调节子望远镜1的通光口径；
其中，多个子望远镜1的孔径形成阵列，其中干涉光线过程中的光瞳函数为：
式中，N是子孔径个数，circ()是圆域函数，(xn,yn)是第n个子孔径系统光瞳的中心坐标，
表示到达第n个子孔径的光束的相位偏移。
进一步地，N＝3时，三个子望远镜1呈环形布置，三个子望远镜1的孔径的光束复振幅 Aarray(θ)分布为：
式中，(ρn,δn)是子孔径阵列的极坐标，ρn是第n个子孔径到阵列中心的距离(干涉仪臂长)，δn是相对于第一个干涉臂的极角；Dn是第n个子孔径的直径；θ是衍射方向与光轴的夹角；γ是相对于第一个干涉臂的极角；
是到达第n个子孔径的光束的相位偏移，λ为工作波长。
进一步地，对比每个子望远镜1，子望远镜1上的子孔径直径不同。
进一步地，对比每个子望远镜1，子望远镜1上的子孔径都是D，三个子孔径形成的稀疏阵列的光强分布为：
其中，阵列干涉因子为：
采集子孔径的分布位置，并代入数据式(3)。
进一步地，采集到子孔径的分布位置为3个在圆周上均匀分布时，此时的子孔径组成的稀疏孔径阵列中，ρ1＝ρ2＝ρ3＝ρ，δ1＝0，δ2＝2π/3，δ3＝4π/3，得到此时的光强分布：
将光强分布应用到CCD像面的计算模块中。
进一步地，采集到子孔径的分布位置不为3个在圆周上均匀分布时，此时的子孔径组成的稀疏孔径阵列中：ρ1、ρ2、ρ3互不相等，且δ2≠2π/3，δ3≠4π/3，得到此时的光强分布：
将光强分布应用到CCD像面的计算模块中。
优选的，选择S2中主镜的通光口径为200-350mm。
一种光干涉望远镜成像系统，包括三个独立的子望远镜1、基座支架3和旋转台2，三个子望远镜1下设置有旋转台2，旋转台2配合基座支架3用于在轴向旋转调节，旋转台2支持所述子望远镜1；
所述系统应用上述的一种光干涉望远镜成像方法进行多孔径成像。
优选的，主镜的通光口径为200-350mm。
系统作为望远系统应用于可见光波段，因此设计使用工作波长为F,d,C光。望远系统接收信号为远程入射光束，原则上为傍轴光束入射。由于是远距离目标入射，因此可以使用视场角为0的普通望远系统结构。考虑到系统需要具备一定的搜索性能，因此适增加了视场，将视场角进行调整。
利用光线追迹计算不同视场条件下系统的成像效果，比较点列图分布变化，在不产生额外像差的基础上，确定无焦子望远镜1全视场角即系统全视场角定为0.2°，设计结果在0.2°视场内满足衍射极限。
作为望远系统，口径大小直接影响了成效分辨率，由系统截止频率计算
可知，系统最高截止频率与口径大小直接相关。
如图5所示，通过比较Φ100-500范围内的光束追迹结果得知，Φ200-350之间的光束传输效果相近，结合加工难度和周期的限制，确定主镜通光口径为Φ200。
另外，经过主镜反射后，光束出瞳口径的选择会影响到最后整个系统的光能利用率、成像质量的关键参数，因此需要对其进行系统优化。
光学多孔径成像系统的出瞳函数P(xp,yp)可以表示为：
Psub(xp,yp)是无焦子望远镜1的出瞳函数，an、bn为第n个子孔径的中心坐标，(xp,yp)是系统出瞳平面坐标，
是系统出瞳面上第n个子孔径的相位分布。可以看出光学稀疏孔径系统的出瞳函数是子孔径出瞳函数的叠加，光学稀疏孔径系统的出瞳函数不仅包含有子孔径的出瞳函数还包含有子孔径的相位信息，因此，理想光学多孔径成像系统的点扩散函数可以表示为：
其中
通过上式可以看出系统的点扩展函数是在子孔径的点扩展函数基础上叠加上干涉条纹行程，其干涉条纹来自不同孔径之间的相对位置差，因此点扩展函数中就包含了系统子孔径之间的位置信息。
根据光学多孔径成像系统的点扩展函数，光学传递函数可以表示为
其中，
是子孔径的光学传递函数，
为极坐标形式下的空间频率，ρfc是子望远镜1的光学传递函数空间截止频率。
利用传函计算公式对系统传函进行计算并优化，结果如图6所示。
优化结果显示，入瞳出瞳缩放比为2-15时系统均有较好的传函特性。考虑到机械设计、系统调制的难易程度，确定出瞳口径为75mm。
出瞳口径确定后，合束系统的最主要参数——口径即确定，为了确保视场角及所有光束的利用率，合束系统口径因略大于出瞳直径，因此选择75mm作为合束系统通光口径。常规望远结构作为光束系统具有设计方案成熟、便于像差控制的优点，因此成为系统合束器结构的优选方案。在结构确定后，其焦距的选择会影响到整个最终系统的尺寸大小，成像波像差则是整个系统成像质量的重要指标，因此重点对该系统的结构参数进行了计算；通过优化后，通过对系统传函(影响分辨率)和波像差(成像质量)的模拟结果进行比较，焦距超过600mm 后均能获得较好的效果，考虑到整体系统体积的控制600mm作为合束系统焦距。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光干涉望远镜成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，光线通过多个子望远镜(1)干涉入射到主镜；
S2，主镜传导光线至次镜后改变光线为平行光出射；
S3，出射后的平行光汇聚后到CCD相机实时接收。
2.根据权利要求1所述的一种光干涉望远镜成像方法，其特征在于，其中，子望远镜(1)分别独立调节状态，包括调节子望远镜(1)的通光口径；
其中，多个子望远镜(1)的孔径形成阵列，其中干涉光线过程中的光瞳函数为：
式中，N是子孔径个数，circ()是圆域函数，(xn，yn)是第n个子孔径系统光瞳的中心坐标，
表示到达第n个子孔径的光束的相位偏移。
3.根据权利要求2所述的一种光干涉望远镜成像方法，其特征在于，N＝3时，三个子望远镜(1)呈环形布置，三个子望远镜(1)的孔径的光束复振幅Aarray(θ)分布为：
式中，(ρn，δn)是子孔径阵列的极坐标，ρn是第n个子孔径到阵列中心的距离(干涉仪臂长)，δn是相对于第一个干涉臂的极角；Dn是第n个子孔径的直径；θ是衍射方向与光轴的夹角；γ是相对于第一个干涉臂的极角；
是到达第n个子孔径的光束的相位偏移，λ为工作波长。
4.根据权利要求3所述的一种光干涉望远镜成像方法，其特征在于，对比每个子望远镜(1)，子望远镜(1)上的子孔径直径不同。
5.根据权利要求3所述的一种光干涉望远镜成像方法，其特征在于，对比每个子望远镜(1)，子望远镜(1)上的子孔径都是D，三个子孔径形成的稀疏阵列的光强分布为：
其中，阵列干涉因子为：
采集子孔径的分布位置，并代入数据式(3)。
6.根据权利要求5所述的一种光干涉望远镜成像方法，其特征在于，采集到子孔径的分布位置为3个在圆周上均匀分布时，此时的子孔径组成的稀疏孔径阵列中，ρ1＝ρ2＝ρ3＝ρ，δ1＝0，δ2＝2π/3，δ3＝4π/3，得到此时的光强分布：
将光强分布应用到CCD像面的计算模块中。
7.根据权利要求5所述的一种光干涉望远镜成像方法，其特征在于，采集到子孔径的分布位置不为3个在圆周上均匀分布时，此时的子孔径组成的稀疏孔径阵列中：ρ1、ρ2、ρ3互不相等，且δ2≠2π/3，δ3≠4π/3，得到此时的光强分布：
将光强分布应用到CCD像面的计算模块中。
8.根据权利要求1-7任意一条所述的一种光干涉望远镜成像方法，其特征在于，选择S2中主镜的通光口径为200-350mm。
9.一种光干涉望远镜成像系统，其特征在于，包括三个独立的子望远镜(1)、基座支架(3)和旋转台(2)，三个子望远镜(1)下设置有旋转台(2)，旋转台(2)配合基座支架(3)用于在轴向旋转调节，旋转台(2)支持所述子望远镜(1)；
所述系统应用权利要求1-7任意一条所述的一种光干涉望远镜成像方法进行多孔径成像。
10.根据权利要求9所述的一种光干涉望远镜成像系统，其特征在于，主镜的通光口径为200-350mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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