CN113917686A - 一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法。其校正过程为：首先通过建立基于稀疏孔径结构的拼接衍射望远镜模型，构建多种拼接误差像差模式与远场图像MTF指标之间的数理关系，随后采用一个与拼接衍射主镜构型相匹配的阵列透镜，安装在远场成像相机之前，由分光镜分出一定比例成像光束经过阵列透镜汇聚成像，然后对每一个衍射子镜的成像进行单独的提取并计算图像指标，最后采用基于拼接像差模式的并行迭代校正算法，实现拼接衍射望远镜拼接误差的并行化快速校正。本发明优势在于省略拼接衍射望远镜拼接误差的测量步骤，降低拼接误差校正的器件需求，提供一种直接基于图像的拼接误差校正技术手段。
Description
技术领域
本发明属于衍射望远镜成像技术领域，具体涉及一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法。
背景技术
衍射望远镜以二元微结构衍射光学元件来代替传统光学元件，显著地减小了镜体质量和体积；且衍射光学元件容易复制和集成，有效缩短了加工周期；采用透射式构型，也使得主镜面形公差更加宽松。衍射望远镜的这些优势为轻量化大口径的空间成像系统的火箭运输与空间布置创造了条件，已成为轻量化、大口径、高分辨率空间成像系统的研究前沿热点。
美国劳伦斯-利弗莫尔(LLNL)国家实验室先后提出了空间衍射望远镜“眼镜”方案和“莫尔纹”项目(参见Hyde R.A.,Dixit S.Weisberg A,et al,Eyeglass:A very largeaperture diffractive telescopes[J],SPIE,2002(4984):28-39.；Rose H.Developinglightweight Optics for space,Sci.Tech.Review,2013,1(3):20-23)，计划利用衍射光学元件实现口径大于20m的空间衍射望远镜。国内方面，从2010年开始，多家研究单位和高校对衍射望远镜的研究工作相继展开。中科院长光所、中科大、哈工大等单位也在菲涅尔波带片、光子筛等衍射元件加工及其成像性能中开展了大量研究工作(参见张健，栗孟娟，阴刚华，等.用于太空望远镜的大口径薄膜菲涅尔衍射元件[J].光学精密工程,2016,24(6):1289-1296.；王若秋.基于衍射成像系统的薄膜元件关键技术研究[D].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2017.；刘骏鹏.薄膜衍射成像系统设计与分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2018.；苏金炎.菲涅尔透镜拼接失调误差分析与仿真[D].成都：中科院光电技术研究所，2017.)。文献表明，国内外正逐步将衍射望远镜的研究由原理探索推向工程应用阶段。
但受目前微细加工能力的限制，现有的单体衍射主镜的口径很难达到米级水平，类似詹姆斯·韦伯望远镜的拼接主镜方案仍然是实现数米级以上大口径空间衍射望远镜的有效途径。然而，拼接衍射望远镜面临一个与拼接反射望远镜所具有的共性问题，即拼接误差引入的波前像差问题。由于每块子镜都可能存在沿光轴(z轴)或镜面x、y轴的平移和旋转，各个自由度内的拼接误差将会给拼接主镜引入不同程度的波前像差，造成成像性能退化。
目前国内外对传统拼接反射望远镜拼接误差开展了相当深入的研究。其中，光学式拼接误差检测方法主要包括宽带、窄带夏克哈特曼法、干涉条纹法、四棱锥检测法、色散条纹传感器法等。但由于大口径拼接衍射望远镜采用稀疏孔径构型，子镜间过大的间隙和有限的干涉区域会导致检测光相干性降低，从而限制了目前使用广泛的宽带、窄带夏克-哈特曼共相检测方法的应用；其次，米级以上口径的二元衍射元件目前的加工精度不够，衍射台阶数少导致衍射效率较低，子镜间其他级次的衍射光相互耦合，影响干涉法以及色散条纹法的测量精度；最重要的是，太空望远镜一旦发射升空，设备的运行调试和日常维修变得异常困难，因此力求拼接误差检测设备结构简单，方法高效通用，需要配套较为复杂测量设备的检测方法难以适用天基系统中。
但是国内外对衍射望远镜拼接误差检测的相关研究鲜见报道，目前国内还是借鉴传统拼接反射望远镜的检测方案，如采用干涉条纹法对两块小口径拼接菲涅耳透镜开展相关研究(参见周旭东.二元微结构光学主镜拼接对准检测技术[D].成都:中科院光电技术研究所，2015.；汪利华，吴时彬，杨伟，等.拼接菲涅耳透镜子镜失调误差分析[J].光学学报,2016(7):138-145.；苏金炎.菲涅尔透镜拼接失调误差分析与仿真[D].成都：中科院光电技术研究所，2017.)。因此，发展不依赖波前测量，又能校正快速且能适应不同口径、不同成像场景下的拼接误差校正方法，已经成为大口径拼接衍射望远镜实现高分辨成像亟待解决的关键问题。
因此，本发明提出一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：实现大口径拼接衍射望远镜高分辨成像还面临着子镜拼接误差引入的波前像差难题。但由于拼接衍射型与拼接反射型望远镜存在的诸多本质差异，导致传统拼接反射望远镜的拼接误差检测方法并不完全适用于拼接衍射望远镜。研究原理简单，高效通用，设备需求度较低的拼接误差检测和校正方法是大口径拼接衍射望远镜实现高分辨成像的关键核心问题。本发明提供一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，基于子镜拼接误差像差模式与远场图像MTF指标之间的数理关系，采用一个与拼接衍射主镜构型相匹配的阵列透镜，结合并行迭代校正算法，实现拼接衍射望远镜拼接误差的并行化快速校正。此方法具有原理简单，高效通用，设备需求度较低的优势。
本发明采用的技术方案是：一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其步骤如下：
步骤(1)：基于拼接衍射望远镜空间模型，推导拼接误差像差模式系数与远场图像MTF指标之间的数理关系；
步骤(2)：使用分光镜从系统成像光束中分出一定比例成像光束，随后使光束透过一个与拼接衍射主镜构型相匹配的阵列透镜，经阵列透镜汇聚后，在子镜远场相机上成像；
步骤(3)：采集每一个衍射子镜的成像光斑，并进行图像指标的提取，并根据步骤(1)中的数理关系，采用基于拼接像差模式的并行迭代校正算法，对所有子镜进行并行化拼接误差校正；
步骤(4)：从系统远场相机中提取拼接衍射望远镜成像光斑，计算远场图像MTF指标，并采用逐个校正的方式对子镜间piston误差进行校正，最终完成拼接误差的整体校正。
进一步地，所述步骤(1)中，拼接衍射望远镜模型是指参考美国“莫尔纹”项目的拼接衍射主镜方案，由若干块圆形衍射子镜以稀疏孔径布局方式参与主镜的拼接。
进一步地，所述步骤(1)中，数理关系是指拼接子镜每种类别的拼接误差量与远场图像MTF指标之间的数学关系，通过这种数学关系，可以建立远场图像MTF指标的变化量与不同拼接误差变化量的直接联系。
进一步地，所述步骤(1)中，远场图像MTF指标采用的MTF指标，由于拼接衍射望远镜的PSF不仅是所有拼接子镜PSF的叠加，还包含拼接子镜之间相干项的叠加，因此系统的MTF为：
式中，FT表示傅立叶变换，N表示拼接子镜个数，m和n表示拼接子镜序号，λ为成像光中心波长，f为望远镜焦距，(xm，ym)为第m个子镜的空间位置坐标，(ξ，η)为频域空间坐标，Wm和Wn分别表示第m块和第n块拼接子镜的波前相位，MTFm(ξ,η)为第m个拼接子镜的MTF，MTF的相干项与任意两个拼接子镜之间的相位差k(Wn-Wm)是相互关联的，当选定某一块子镜为参考基准时，就可以建立每种类别的拼接误差与MTF图像指标的联系。
进一步地，所述步骤(2)中，阵列透镜是指一块与拼接衍射主镜的稀疏孔径结构相似的小透镜阵列，用于将每块拼接子镜的成像光束汇聚在子镜远场相机上。
进一步地，所述步骤(2)中，并行迭代校正算法是指根据子镜远场相机上同时采集的各个子镜的远场图像，计算相应的图像指标，并基于步骤(1)中的数理关系，同时计算获得各个子镜拼接误差校正量的计算方法，通过多次迭代，即可实现子镜拼接误差的校正。
进一步地，所诉步骤(3)中，子镜远场相机是指专门用于采集所有拼接子镜远场图像的CCD传感器；
进一步地，所述步骤(4)中，系统远场相机是指采集拼接衍射望远镜远场图像的CCD传感器；
进一步地，所述步骤(4)中，子镜间piston误差是指，在完成子镜倾斜、平移拼接误差校正之后，各个子镜之间存在沿光轴方向微小的平移误差，这时以系统远场图像为参考依据，对子镜间piston误差进行统一的校正。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)直接基于远场相机图像指标，不需要专门的拼接误差测量器件，可以显著降低拼接误差校正的器件需求。
(2)拼接误差校正过程采用并行迭代校正算法，有效提升校正效率，增强了该方法在地面装调和在轨运行的拼接衍射望远镜拼接误差校正的适用性。
(3)由于校正使用的优化指标为远场图像的MTF指标，因此可以适用于对点目标或面目标成像应用场景中，不需要固定的信标进行标定，对在轨运行的拼接衍射望远镜具有更好的实用价值。
附图说明
图1为大口径拼接衍射主镜结构结构简图；
图2拼接衍射望远镜拼接误差校正步骤；
图3为大口径拼接衍射主镜结构结构简图，其中，1为拼接衍射主镜，2为中继光路，3为分光镜，4为系统远场相机，5为系统PSF，6为阵列透镜，7为紫境远场相机；
图4为拼接误差与远场图像指标数理模型的确立过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例子，参照附图对本发明进一步详细说明。
本发明一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，包括如下步骤：
步骤(1)：基于拼接衍射望远镜空间模型，推导拼接误差像差模式系数与远场图像MTF指标之间的数理关系；
所述步骤(1)中，拼接衍射望远镜模型是指参考美国“莫尔纹”项目的拼接衍射主镜方案，由若干块圆形衍射子镜以稀疏孔径布局方式参与主镜的拼接，如图1所示。
拼接衍射主镜本质仍然是一块拼接式透镜，因此，每块衍射子镜相当于是一块大口径整体式菲涅耳透镜的在子镜光瞳位置处的切割部分，然后再将若干个小口径衍射子镜以稀疏孔径结构方式进行拼接，构成大口径拼接衍射主镜。
所述步骤(1)中，数理关系是指拼接子镜每种类别的拼接误差量与远场图像MTF指标之间的数学关系，通过这种数学关系，可以建立远场图像MTF指标的变化量与不同拼接误差变化量的直接联系。
所述步骤(1)中，图像指标采用的MTF指标，由于拼接衍射望远镜的PSF不仅是所有拼接子镜PSF的叠加，还包含拼接子镜之间相干项的叠加，因此望远镜的MTF为：
式中，FT表示傅立叶变换，N表示拼接子镜个数，m和n表示拼接子镜序号，λ为成像光中心波长，f为望远镜焦距，(xm，ym)为第m个子镜的空间位置坐标，(ξ，η)为频域空间坐标，Wm和Wn分别表示第m块和第n块拼接子镜的波前相位，MTFm(ξ,η)为第m个拼接子镜的MTF，MTF的相干项与任意两个拼接子镜之间的相位差k(Wn-Wm)是相互关联的，当选定某一块子镜为参考基准时，就可以建立每种类别的拼接误差与MTF图像指标的联系。
步骤(2)：为了便于衍射子镜的拼接共相调整，子镜一般固定在具有六个维度的六轴并联平台上。这六个自由度包括沿镜体水平轴上(x轴)的平移、沿镜体垂直轴上(y轴)的平移、沿光轴上(z轴)的平移、绕镜体水平轴(x轴)的旋转、绕镜体垂直轴(y轴)的旋转和绕光轴(z轴)的旋转，如图3所示。由于拼接菲涅耳透镜为中心对称结构，菲涅耳子镜绕z轴的旋转不改变子镜的焦距，也不会引入额外的光程差，因此除去菲涅耳子镜绕z轴的旋转误差外，根据五种拼接共相误差引入的光程差，其相应的波前像差可以表示为：
其中，x、y、z表示拼接子镜的空间位置坐标，Δx、Δy、Δz代表拼接子镜在x、y、z轴上的的平移误差。θx和θy轴是绕x轴和y轴的旋转角度误差，f表示成像焦距。当五类共相误差同时存在时，衍射子镜的波前像差W(x,y)可以表示为：
由步骤(1)望远镜MTF的表达式可知，只有当衍射子镜的拼接误差得到完全校正后，它的波前像差最小，此时的MTF相干项才能取得最大值，因此拼接误差的校正可以改善整个拼接菲涅耳透镜的MTF。由此建立拼接子镜每种类别的拼接误差量与远场图像MTF指标之间的数学关系。
步骤(3)：使用分光镜从系统成像光束中分出一定比例成像光束，随后使光束透过一个与拼接衍射主镜构型相匹配的阵列透镜，经阵列透镜汇聚后，在子镜远场相机上成像；
所述步骤(3)中，阵列透镜是指一块与拼接衍射主镜的稀疏孔径结构相似的小透镜阵列，用于将每块拼接子镜的成像光束汇聚在子镜远场相机上。
所述步骤(3)中，并行迭代校正算法是指根据子镜远场相机上同时采集的各个子镜的远场图像，计算相应的图像指标，并基于步骤(1)中的数理关系，同时计算获得各个子镜拼接误差校正量的计算方法，通过多次迭代，即可实现子镜拼接误差的校正。此外，为消除子镜之间可能存在残余的共相误差，可以系统远场相机获取望远镜成像效果，计算远场图像指标，采用逐个校正的方式对每个子镜的z轴平移量进行细微调整，直至子镜间piston误差校正到最小值，最终完成拼接误差的整体校正。具体校正流程如图2所示。
步骤(4)：采集每一个衍射子镜的成像光斑，并进行图像指标的提取，并根据步骤(1)中的数理关系，采用基于拼接像差模式的并行迭代校正算法，对所有子镜进行并行化拼接误差校正；
所述步骤(4)中，子镜远场相机是指专门用于采集所有拼接子镜远场图像的CCD传感器。
步骤(5)：从系统远场相机中提取拼接衍射望远镜成像光斑，计算远场图像MTF指标，并采用逐个校正的方式对子镜间共相误差(piston误差)进行校正，最终完成拼接误差的整体校正。
所述步骤(5)中，系统远场相机是指采集拼接衍射望远镜远场图像的CCD传感器。
所述步骤(5)中，子镜间piston误差是指，在完成子镜倾斜、平移拼接误差校正之后，各个子镜之间存在沿光轴方向微小的平移误差，这时以系统远场图像为参考依据，对子镜间piston误差进行统一的校正。
实施实例
实例系统由一套拼接衍射望远镜构成，包括拼接衍射主镜、拼接控制系统、中继光路、分光镜、阵列透镜、子镜远场相机、系统远场相机等，如图1所示。成像光束透过拼接衍射主镜，经过中继光路后，被分光镜分成两束光束，其中一束光束经过阵列透镜后，将每个子镜的成像光束进行分割，然后汇聚到子镜远场相机上成像，另一束光束则由一块透镜汇聚到系统远场相机成像。
光学成像过程为：拼接衍射主镜接收来自成像目标的光束，经过汇聚后通过中继光路，随后采用分光镜将成像光束分别引入子镜远场相机和系统远场相机，子镜远场相机之前安装的阵列透镜将每个拼接子镜的成像光束进行单独的汇聚，由此在子镜远场相机的CCD传感器形成一系列光斑；另一束光则在系统远场相机上呈现出拼接衍射望远镜成像效果。
拼接误差校正过程为：如图2所示，在子镜并行校正环路中，在校正之前，首先操作拼接控制系统对每块子镜的每种拼接误差类型进行传递函数测量，获得所有拼接子镜的控制传递函数矩阵，随后，通过计算子镜远场相机上每个光斑相应的图像指标，结合图像指标与拼接误差的数学关系，建立起每个子镜对应的拼接误差与图像指标的一一对应关系，如图4所示。
当采用阵列透镜对每个衍射子镜PSF单独提取后，各个子镜的MTF指标就可以独立进行运算。依据拼接误差与图像指标的数理关系，我们可以将N个衍射子镜的拼接误差变化量与其对应的图像指标变化量之间的数理关系用如下矩阵关系表示：
式中，ΔPi＝(ΔPx平移,ΔPy平移,ΔPz平移,ΔPx旋转,ΔPy旋转)表示第i个衍射子镜五种拼接误差扰动量，ΔMi表示相应的MTF指标变化量，由此可以得出衍射子镜之间的拼接误差解耦矩阵B。由于各个子镜的图像指标分别独立提取，因此解耦矩阵B实则为对角矩阵。那么在拼接误差的迭代校正中，就可以依据离线计算得到的解耦矩阵以及实时测量得到的图像指标，同步解算出各个衍射子镜的拼接误差校正量。
最后，为了消除子镜之间存在残余的piston误差对系统成像的影响，通过系统远场相机采集获得拼接衍射望远镜成像，并计算远场图像MTF指标，采用逐个校正的方式对每个子镜的z轴平移量进行细微调整，直至子镜间piston误差校正到最小值，最终完成拼接误差的整体校正。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：基于拼接衍射望远镜空间模型，推导拼接误差像差模式系数与远场图像MTF指标之间的数理关系；
步骤(2)：使用分光镜从拼接衍射望远镜成像光束中分出一定比例成像光束，随后使光束透过一个与拼接衍射主镜构型相匹配的阵列透镜，经阵列透镜汇聚后，在子镜远场相机上成像；
步骤(3)：采集每一个衍射子镜的成像光斑，并进行图像指标的提取，并根据步骤(1)中的数理关系，采用基于拼接误差像差模式的并行迭代校正算法，对所有子镜进行并行化拼接误差校正；
步骤(4)：从拼接衍射望远镜远场相机中提取拼接衍射望远镜成像光斑，计算远场图像MTF指标，并采用逐个校正的方式对子镜间共相误差进行校正，最终完成拼接误差的整体校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中，拼接衍射望远镜模型是指参考美国“莫尔纹”项目的拼接衍射主镜方案，由若干块圆形衍射子镜以稀疏孔径布局方式参与主镜的拼接。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中，数理关系是指拼接子镜每种类别的拼接误差量与远场图像MTF指标之间的数学关系，通过这种数学关系，可以建立远场图像MTF指标的变化量与不同拼接误差变化量的直接联系。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中，远场图像MTF指标采用的MTF指标，由于拼接衍射望远镜的PSF不仅是所有拼接子镜PSF的叠加，还包含拼接子镜之间相干项的叠加，因此拼接衍射望远镜的MTF为：
式中，FT表示傅立叶变换，N表示拼接子镜个数，m和n表示拼接子镜序号，λ为成像光中心波长，f为望远镜焦距，(xm，ym)为第m个子镜的空间位置坐标，(ξ，η)为频域空间坐标，Wm和Wn分别表示第m块和第n块拼接子镜的波前相位，MTFm(ξ,η)为第m个拼接子镜的MTF，MTF的相干项与任意两个拼接子镜之间的相位差k(Wn-Wm)是相互关联的，当选定某一块子镜为参考基准时，就可以建立每种类别的拼接误差与MTF图像指标的联系。
5.根据权利要求1所述的一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其特征在于：所述步骤(2)中，阵列透镜是指一块与拼接衍射主镜的稀疏孔径结构相似的小透镜阵列，用于将每块拼接子镜的成像光束汇聚在子镜远场相机上。
6.根据权利要求1所述的一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其特征在于：所述步骤(2)中，并行迭代校正算法是指根据子镜远场相机上同时采集的各个子镜的远场图像，计算相应的图像指标，并基于步骤(1)中的数理关系，同时计算获得各个子镜拼接误差校正量的计算方法，通过多次迭代，即可实现子镜拼接误差的校正。
7.根据权利要求1所述的一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其特征在于：所述步骤(3)中，子镜远场相机是指专门用于采集所有拼接子镜远场图像的CCD传感器。
8.根据权利要求1所述的一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其特征在于：所述步骤(4)中，系统远场相机是指采集拼接衍射望远镜远场图像的CCD传感器。
9.根据权利要求1所述的一种基于图像的拼接衍射望远镜拼接误差并行校正方法，其特征在于：所述步骤(4)中，子镜间piston误差是指，在完成子镜倾斜、平移拼接误差校正之后，各个子镜之间存在沿光轴方向微小的平移误差，这时以系统远场图像为参考依据，对子镜间piston误差进行统一的校正。
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| CN117848681A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-04-09 | 中国科学院云南天文台 | 一种基于环形拼接望远镜的主动光学探测方法 |
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