CN113945952A - 空间分布式合成孔径光学探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间分布式合成孔径光学探测方法，包括利用直接探测法,即合成孔径消零干涉探测法，进行探测，所述直接探测法包括以下步骤：a、在望远镜的反射镜面上镀制金属镀膜；b、通过场向量反转实现π相位延迟；c、利用全对称合束器对反射光线进行瞳面干涉合束；d、对干涉结果进行采样。本发明可以解决系外宜居行星直接探测中的高灵敏度、高分辨率、高对比度等技术挑战，并可实现观测资源的高效使用，兼顾可开展单孔径望远镜高精度测光法、合成孔径菲索干涉成像法、合成孔径恒星干涉仪探测法和合成孔径消零菲索干涉成像法等其他探测法。

Description

空间分布式合成孔径光学探测方法

技术领域

本发明涉及一种空间分布式合成孔径光学探测方法。

背景技术

随着人类对外太空的探索不断加深，系外宜居行星的宜居性及是否有生命存在成为了一个重要研究方向。对系外行星的探测可分为间接探测法和直接探测法。间接探测法主要有多普勒视向速度法、凌星法、微引力透镜法和天体测量法等，其中凌星法是应用最广泛的观测系外行星的方法。但这些间接探测法均无法获取行星光子，更无法对行星大气进行光谱分析，因此难以对行星上是否存在生命信号做出判断。直接探测法则可直接获取来自系外行星的光子，因此相比于间接探测法，无观测几何限制，且有可能获得行星温度、大气成分等更全面的物理信息，进而有望解答地外生命是否存在这一基本科学问题。因此，直接探测技术在系外行星探测领域日益受到重视。

不过，现有的对系外宜居行星直接探测技术仍面临一系列挑战。首先，系外宜居行星与其主星辐射对比度相差悬殊，其中可见光波段对比度约为10^-10，红外波段约为10^-7。另外，系外宜居行星与主星间距离很近，在典型的一个天文单位下，探测能力需达到0.1″，样本选择范围接近10个秒差距，在该范围内系外宜居行星数量预计可达数百个，这样才能满足科学家的研究需求。因此，需取主星与类地行星张角0.1″的条件下开展研究。由此可见，为实现对系外宜居行星的直接探测，探测设备需具有极高的角分辨率能力、聚光能力和恒星光抑制能力，否则行星目标即使在探测器的探测极限能力范围内，也很容易被淹没在强噪声下。

现有技术中，实现系外行星高对比直接探测的主要手段之一是光学干涉技术。天基干涉观测相比于地基观测，可获得不受大气干扰的高分辨率图像，且能够极大地拓宽系外行星观测波段等优势。因此，基于系外宜居行星直接探测的科学需求和技术挑战，以及天基干涉仪相关技术的发展，空间分布式合成孔径光学干涉探测成为一项实现系外宜居行星直接探测非常有潜力的探测手段。而系外宜居行星直接探测的难点之一就在于类地行星与其宿主恒星亮度的高对比度，使得来自行星的微弱辐射将被淹没在恒星信号背景下。为抑制恒星噪声影响，需要降低乃至消除恒星光。由于通常入射的恒星光是宽谱段的，若简单的利用光学延迟线添加半波延迟会由于色差效应而无法保证不同波段光波的相位一致，且对系外行星的观测通常要求系统达到极深的消零深度，这进一步要求引入的π相位延迟需要是宽谱段的，且对于二元消零方案而言，左右两个干涉臂在发生干涉时需尽量保证光的强度相等。

但是，虽然在天体物理领域的相关技术研究也涉及干涉成像探测系外行星项目，而一些技术研究却因成本过高而搁置，因此现有技术中还没有基于空间干涉的天文望远镜的成型技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间分布式合成孔径光学探测方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种空间分布式合成孔径光学探测方法，包括利用直接探测法进行探测，所述直接探测法包括以下步骤：

a、在望远镜的反射镜面上镀制金属镀膜；

b、通过场向量反转实现π相位延迟；

c、利用全对称合束器对反射光线进行瞳面干涉合束；

d、对干涉结果进行采样。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(a)中，入射光经镀制金属镀膜的镜面反射后，沿垂直于入射面的偏振分量s方向上振动的入射电场反射后振动方向反向，沿平行于入射面的偏振分量p方向上振动的入射电场反射后振动方向不变。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，利用潜望镜光路实现两个干涉臂之间π的相对相位延迟。

根据本发明的一个方面，通过两组相对摆放的潜望镜，使两个干涉臂的入射光之间发生180度的场相位翻转。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(c)中，利用马赫—曾德尔合束器构造两次通过型合束器使两个干涉臂平衡。

根据本发明的一个方面，使用2块50-50分束器，并将镀膜面朝相反方向放置。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(d)中，基于迈克尔逊型干涉仪，利用时间调制或空间调制采样干涉结果，利用ABCD采样算法计算干涉结果的相位和可见度；

其中，ABCD采样算法记录干涉条纹上或延迟线调制一个波长的光程的时间段内间隔为π/2的4个采样点的干涉强度；

观测时通过改变基线长度和方向获得不同频域的目标信息，当满足图像重构要求时，再进行傅里叶逆变换，得到目标的像。

根据本发明的一个方面，利用其他探测法与所述直接探测法并行或切换完成探测；

所述其他探测法包括单孔径望远镜高精度测光法、合成孔径菲索干涉成像法、合成孔径恒星干涉仪探测法和合成孔径消零菲索干涉成像法；

所述直接探测法为合成孔径消零干涉探测法。

根据本发明的一个方面，所述单孔径望远镜高精度测光法为，在集光望远镜后端加装聚光系统，并设置成像或光谱观测终端的接口，使集光望远镜相对于干涉观测系统并行或单独地开展成像或光谱观测；

所述合成孔径菲索干涉成像法为，利用多个集光望远镜和一个合束望远镜直接产生目标的像；其中，使合束望远镜主镜不丢失合束光，合束望远镜副镜不遮挡合束光，且集光望远镜光压缩比等于干涉基线长度和合束望远镜前两光束间距比值；所述合成孔径菲索干涉成像法所使用的二元对称性菲索干涉成像系统按照以下公式设计：

f＝r·f₃；

其中，f为干涉系统的总焦距；f₃为合束望远镜焦距；r为集光望远镜的光束压缩比；L为干涉基线长度；l为合束望远镜前两光束间距；D₃为合束望远镜口径；m₃为合束望远镜副镜的大小；W为集光望远镜离合束望远镜的距离；θ₁为干涉系统视场角大小的一半；D₁为集光系统口径大小；

为集光望远镜与合束望远镜连线之间的夹角；η为合束望远镜设计比例系数，取值1.2；当系统存在多种不同的干涉基线时，先将每条基线分开计算，再综合得出最终的菲索干涉成像系统设计指标；所述合成孔径菲索干涉成像法所使用的合束终端与所述直接探测法的合束终端并列位于合束系统中；

所述合成孔径恒星干涉仪探测法中，所使用的合成孔径恒星干涉仪的干涉基线的长度根据观测需要调节；

所述合成孔径消零菲索干涉成像法中，使集光望远镜光压缩比等于干涉基线长度和合束望远镜前两光束间距比值。

根据本发明的构思，系外宜居行星直接探测法和其他多种探测法并行或切换工作，实现多功能探测，从而不仅解决了系外宜居行星搜寻任务面临的目标位置、状态、特性不确定性突出等问题，突破了面向系外宜居行星直接探测中的高灵敏度、高分辨率、高对比度等技术挑战，并可实现观测资源的高效使用，同时兼具一般天文探测能力，可应用于对系外宜居行星候选体的直接探测，确认其存在性、宜居性以及寻找生命信号等领域，还可用于系外行星搜寻与间接观测、多行星系统或极早期行星系统(例如原行星盘阶段)的直接成像等。根据本发明的方案，采用合成孔径消零干涉探测对系外宜居行星候选体进行直接探测，确认其存在性、宜居性并寻找生命信号。采用单孔径望远镜高精度测光法实现系外行星搜寻与间接观测及其它天文探测。采用合成孔径菲索干涉成像法来对一般场景高分辨率天文成像观测。采用合成孔径恒星干涉仪探测法进行高精度天体测量。采用合成孔径消零菲索干涉成像法对多行星系统或极早期行星系统(例如原行星盘阶段)直接成像。其中，单孔径望远镜高精度测光和其他探测可同时并行开展。

根据本发明的方案，利用潜望镜式无色差半波延迟器，即通过潜望镜式组合的一对平面反射镜将两路光束进行不同方向的场向量翻转来实现宽波段的高抑制比的消零干涉，再基于ABCD采样获得足够的频域信息，然后通过傅里叶逆变换完成恒星宜居带的干涉成像，并可适当在合束后加入相应的分光系统以开展宜居带类地行星干涉光谱探测。

根据本发明的方案，合成孔径消零干涉探测法、单孔径望远镜高精度测光法、合成孔径菲索干涉成像法、合成孔径恒星干涉仪法和合成孔径消零菲索干涉成像法均可复用集光望远镜的前端光路。合成孔径恒星干涉仪模式与合成孔径菲索干涉成像模式的光路均可复用。合成孔径消零菲索干涉成像法与合成孔径消零干涉探测法的集光望远镜、潜望镜和延迟线光路均可复用，并可复用合成孔径菲索干涉成像模式中用于直接成像的合束望远镜。

根据本发明的方案，同时采用场向量反转π相位技术和全对称合束器技术实现无色差锁相消零干涉，能够极大的抑制恒星辐射，使系外宜居行星观测系统达到理想的消零深度，不再对观测波段范围和宽度提出严苛的限制，从而使基于宽波段光谱观测来研究系外行星的宜居性成为可能。

根据本发明的方案，单孔径望远镜高测光精度法使各集光望远镜相对于其他干涉探测模式，可并行或单独地开展成像或光谱观测来服务于高测光精度要求的科学目标，且不影响整体系统原有的干涉观测功能。

根据本发明的方案，基于四项条件来设计二元对称性菲索干涉成像系统，从而可以实现对观测目标光能量的最大化获取。

根据本发明的方案，基于光线追迹仿真手段来验证探测方法的有效性和正确性，构建序列和非序列两种模式的多功能系统，从而可更真实和全面地对光学系统及其误差进行仿真分析，能够高精度地分析成像效果，查看更多样的成像效果评价函数，并开展更全面的光学系统性能分析，例如杂散光抑制性能分析。还可实现对光学仿真系统的智能控制，使仿真分析各种天基真实观测情况成为可能，并可批量生成观测数据，从而极大地推动了用于系外宜居行星搜寻任务的探测系统的工程研究进程以及更好地保证研究结果的准确性。

根据本发明的方案，利用改良型马赫—曾德尔合束器来构造两次通过型(double-pass)合束器实现两个干涉臂的平衡，并在合束器之前，通过使用延迟线等方式补偿合束器内部产生的光程差，以平衡消零输出光路左右两个干涉臂间的总光程，从而使具有π相对相位延迟的两个干涉臂的光进行瞳面干涉合束，输出两臂平衡的干涉结果。

附图说明

图1示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的入射光经金属镀膜镜面反射的效果图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的潜望镜光路实现π相位延迟示意图；

图3示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法所用的改良型马赫—曾德尔合束器的光路图；

图4示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的合成孔径消零干涉系统整体布局图；

图5示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的二元消零干涉基线光路图(序列模式)；

图6示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的单路入射光惠更斯PSF图；

图7示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的双路光合束后的惠更斯PSF分析图(消零)；

图8示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的单孔径望远镜高精度测光模式下的集光望远镜与干涉系统并行工作示意图；

图9示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的单孔径望远镜高精度测光模式下的集光望远镜单独工作示意图；

图10示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的合成孔径菲索干涉成像模式下的合成孔径菲索干涉成像系统布局俯视示意图；

图11示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的合成孔径菲索干涉成像模式下的合成孔径菲索干涉成像系统仿真图；

图12示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的合成孔径菲索干涉成像模式下的一个集光望远镜下的惠更斯PSF图；

图13示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的合成孔径菲索干涉成像模式下的四个集光望远镜下的惠更斯PSF图；

图14示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的合成孔径消零菲索干涉成像模式下的合成孔径消零菲索干涉成像系统仿真图；

图15示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的合成孔径消零菲索干涉成像模式下的一个集光望远镜下的惠更斯PSF图；

图16示意性表示本发明的一种实施方式的空间分布式合成孔径光学探测方法中的合成孔径消零菲索干涉成像模式下的四个集光望远镜下的惠更斯PSF图(消零)。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

本发明的用于系外宜居行星搜寻任务的空间分布式合成孔径光学探测方法，可应用于天文光学探测技术领域，用于探测系外行星。本方法主要利用的方法(或称模式)为直接探测法(即合成孔径消零干涉探测法)进行探测。本发明中的系外宜居行星直接探测法，首先在望远镜的反射镜面上镀制金属镀膜，然后通过场向量反转实现π相位延迟(潜望镜光路)，再利用全对称合束器对反射光线进行瞳面干涉合束，最后对干涉结果进行采样。

如图1所示，本发明中，入射光经镀制金属镀膜的镜面反射后，沿垂直于入射面的偏振分量s方向上振动的入射电场反射后振动反向，沿平行于入射面的偏振分量p方向上振动的入射电场不受影响(即反射后振动方向不发生变化)。

如图2所示，本发明利用潜望镜光路来实现两个干涉臂之间π的相对相位延迟。具体为，通过两组相对摆放的潜望镜，使得两个干涉臂的入射光之间发生180度的场相位翻转。其中，干涉是指两个或两个以上的光路之间发生光学干涉，而干涉臂则为其中一个参与干涉的光路，即干涉仪的一条光路。

如图3所示，由潜望镜引入了π的相位延迟后，两个干涉臂的光需进行瞳面干涉合束。在此过程中需保证两个干涉臂的光强度相等，且不能引入任何额外的相位差。因此，本发明利用马赫—曾德尔合束器来构造两次通过型(double-pass)合束器实现两个干涉臂的平衡。即，将马赫—曾德尔合束器进行改良，其中，需要在合束器之外，通过使用延迟线等方式补偿合束器内部产生的光程差，以平衡消零输出光路左右两个干涉臂间的总光程，可参见图3中入射光路上的横线段。具体为使用2块50-50分束器，并将镀膜面朝相反方向放置，光路也可参见图3所示。

本发明中，基于迈克尔逊型干涉仪，利用时间调制或空间调制来采样干涉结果(条纹)。利用ABCD采样算法计算干涉结果的相位和可见度。并且，该算法也同时适用于上述两种调制方式，其需要记录干涉条纹上或延迟线调制一个波长的光程的时间段内，间隔为π/2的4个采样点的干涉强度。观测时可适当地改变基线长度和方向，从而获得不同频域的目标信息，当满足图像重构要求时，再进行傅里叶逆变换，即可得到目标(物体)的像。

由此，本方法采用场向量反转消零干涉技术，在反射镜面使用金属镀膜的基础上，同时采用场向量反转π相位技术和全对称合束器技术，实现无色差锁相消零干涉，能够极大抑制恒星辐射，使系外宜居行星观测系统达到理想的消零深度。

本发明中还利用到了其他探测法(或称其他探测模式)，该方法可与直接探测法并行或切换完成探测。具体的，其他探测法可在以上利用无色差锁相合成孔径消零干涉探测方法实现恒星宜居带干涉成像和宜居带类地行星干涉光谱探测的主要科学目标的基础上，实现恒星光谱监测与系外行星大气凌星光谱探测等功能。本发明的其他探测法包含以下四种子方法，分别为单孔径望远镜高精度测光法、合成孔径菲索干涉成像法、合成孔径恒星干涉仪探测法和合成孔径消零菲索干涉成像法。由此，也可以理解为其他探测法具有四种探测模式。

单孔径望远镜高精度测光法以不影响整体系统原有的干涉观测功能为原则，在集光望远镜后端加入大视场高稳定聚光系统，并配有灵活选用成像或光谱观测终端的接口，从而使集光望远镜相对于干涉观测系统，可并行或单独地开展成像或光谱观测，来服务于高测光精度要求的科学目标，用于系外行星搜寻与间接观测及其它天文探测。

合成孔径菲索干涉成像法为，利用多个集光望远镜和一个合束望远镜直接产生目标的像。这种方式成像视场大，基本可达到单一子系统的成像视场，可用于一般场景高分辨率天文成像观测。其中，需使合束望远镜主镜不丢失合束光，合束望远镜副镜不遮挡合束光，从而实现能量最大化的利用。并且，根据集光望远镜光压缩比等于干涉基线长度和合束望远镜前两光束间距比值的原则，该方式所使用的二元对称性菲索干涉成像系统按照以下公式(四项条件)设计：

f＝r·f₃；

其中，二元对称性指的是合束望远镜处于两个集光望远镜之间连线的中垂线上；f为干涉系统的总焦距；f₃为合束望远镜焦距；r为集光望远镜的光束压缩比；L为干涉基线长度；l为合束望远镜前两光束间距；D₃为合束望远镜口径；m₃为合束望远镜副镜的大小；W为集光望远镜离合束望远镜的距离；θ₁为干涉系统视场角大小的一半；D₁为集光系统口径大小；

为集光望远镜与合束望远镜连线之间的夹角；η为合束望远镜设计比例系数，取值1.2。当实际系统存在多种不同的干涉基线时，可先将每条基线分开计算，再综合得出最终的菲索干涉成像系统设计指标。其中，合成孔径菲索干涉成像法所使用的合束终端(即菲索干涉合束望远镜)与系外宜居行星直接探测法的合束终端(即消零干涉合束终端)属于并列的合束终端，均存在于合束系统中，从而可根据实际的观测需求利用反射镜将压缩光导入不同的合束终端。

合成孔径恒星干涉仪探测法相比于合成孔径菲索干涉成像法而言，在系统构建上更具灵活性。主要体现在集光望远镜光压缩比不需要等于干涉基线长度和合束望远镜前两光束间距比值，即在调节干涉基线的长度时，合束望远镜前两光束间距不一定进行同比例的变化。该方式所使用的合成孔径恒星干涉仪的干涉基线的长度根据观测需要调节。并且，该方式可开展高精度天体测量等，其与合成孔径菲索干涉成像法的光路均可复用。

合成孔径消零菲索干涉成像法相比于合成孔径消零干涉探测法而言，是将改良型马赫—曾德尔合束器改成直接成像系统，并使集光望远镜光压缩比等于干涉基线长度和合束望远镜前两光束间距比值。该方式可用于多行星系统或极早期行星系统(例如原行星盘阶段)直接成像，其与合成孔径消零干涉探测模式的集光望远镜、潜望镜和延迟线光路均可复用，并可复用合成孔径菲索干涉成像模式中用于直接成像的合束望远镜。

由此，本发明的面向系外宜居行星直接探测法解决了高对比度、高分辨率、高灵敏度技术难点，开展空间分布式合成孔径光学干涉探测方法研究。同时，为实现观测资源的高效使用，还进一步提出了多工作模式并行或切换工作的多功能探测方法，并搭建起相应的光学探测系统仿真模型，从原理和仿真分析上验证所提方法的正确性和合理性，完成了用于系外宜居行星搜寻任务的空间分布式合成孔径光学探测方法的研究，为系外宜居行星搜寻任务的发展奠定基础。

以下以一种实施方式来具体描述本发明的方法，具体的，本实施方式通过Zemax软件和MATLAB软件实现。

首先，针对于系外宜居行星直接探测法，基于系外宜居行星搜寻任务科学需求，干涉系统阵列基线长度为40米至300米可变，集光子孔径不小于2米。基于航天技术的发展，仿真时的集光望远镜口径选为4米。并且，本实施方式还进行了系统构型最优选择，其总共包括四个集光望远镜和一个合束系统，可两两之间实现一级消零干涉。合成孔径消零干涉系统的整体布局图如图4所示，其为非序列模式下构建的系外宜居行星直接探测模式的总体布局图，望远镜之间的基线可以根据观测需求进行变动。其中，压缩光束从集光望远镜到合束系统的辅助直角光路，是仿真时为避免

这一无限不循环小数计算的麻烦而进行的对等设置，实际系统中的压缩光束可直接从集光望远镜后端反射到合束系统。

参见图5示出的序列模式下构建的二元消零干涉基线光路图，其所用原理与非序列模式下构建的干涉基线光路图一样。基于无色差锁相消零干涉技术，即瞳面场向量反转的消零干涉方式(潜望镜及改良型马赫-曾德尔合束器)进行建模仿真，由两个集光望远镜和一个合束系统组成，可实现一级消零干涉。其中，两个集光望远镜分别实现光压缩后，光束进入潜望镜系统，该部分实现两路光的无色差半波延迟，再依次进入延迟线和马赫-曾德尔合束器部分，完成全对称合束的消零干涉。图5所示的光路系统的二元消零干涉基线消零干涉结果可参见图6和图7，图6为单路入射光惠更斯PSF图，较大区域能量都超过了0.50，图7为双路光合束后的惠更斯PSF分析图(消零)，能量最高点仅为2.40E-018。由此可见，该干涉系统很好地实现了消零干涉观测，因此可以在光路系统的消零干涉输出端，使用“时间调制”方式来采样干涉结果(条纹)。另外，每个集光望远镜都可独立工作，即通过后端系统直接对天文目标进行成像观测(可参见单孔径望远镜高精度测光法)。

其他探测法的实施方式如下：

针对于单孔径望远镜高精度测光法，每个集光望远镜都可独立工作，即通过后端系统直接对天文目标进行成像或光谱观测，来服务于高测光精度要求的科学目标，且不影响整体系统原有的干涉观测功能。高精度测光模式下集光望远镜的成像质量主要通过后端系统来修正。根据观测需求，高精度测光模式下集光望远镜的视场设计为2′，观测波段覆盖可见光、近红外和中红外，即0.4μm-13μm。集光望远镜与干涉系统并行工作时的光路图以及集光望远镜单独工作时的光路图分别如图8和图9所示。

针对于合成孔径菲索干涉成像法，其成像视场大，可用于一般场景高分辨率天文成像观测，例如对太阳系行星或其卫星的实时成像。如图10所示，本实施方式在系外宜居行星直接探测法(即合成孔径消零干涉探测模式)以及干涉系统构型的基础上，开展菲索干涉成像模式。该方式所使用的系统包括四个集光望远镜和一个合束系统，集光望远镜口径D₁＝4m，菲索干涉成像模式需在合束系统中增加另一终端，即合束望远镜，口径D₃＝4m，集光望远镜的光束压缩比r＝50。由于相对于拉格朗日L2点，太阳系行星或其卫星的张角都较小，大部分小于26″，取菲索干涉成像系统的视场角2θ₁＝30″，并按图10布局望远镜阵，即集光望远镜离合束望远镜的距离

集光望远镜与合束望远镜连线之间的夹角

基于以上输入值，通过四项条件的第四项可得，需满足干涉基线长度L＜91m。本实施方式使平均波长λ＝10μm处的系统分辨率优于0.03″，从而取该布局中最短基线L＝80m，则通过四项条件计算得m₃<1.31m，D₃>3.55m，l＝1.6m。

在本实施方式中，由L＝80m，平均波长λ＝10μm可知，系统的艾里斑半径为0.03″。由此，为保证系统分辨率优于0.03″，系统的单像元张角应优于0.03″，取6×6像素覆盖艾里斑，则系统的单像元张角应为0.01″，取探测器单像元大小为30μm，从而可得干涉系统的总焦距f为618.80m，根据第一项条件可得f₃＝12.38m。当D₃设计为4m时，合束望远镜的焦比F₃＝f₃/D₃＝3.10。由于tanθ₂＝r·tanθ₁，可得θ₂＝0.21°。因此合束望远镜的主要指标为口径4m，焦比3.10，视场角0.42×0.42°。干涉系统总视场为30×30″，单像元张角0.01″，探测器靶面大小为3000×3000像素。

基于以上指标，在Zemax软件中构建的菲索干涉成像系统仿真效果如图11所示。可见，该系统合束望远镜各组件不存在挡光现象，实现了对观测目标光能量的最大化获取。如图12(一个集光望远镜)和图13(四个集光望远镜)所示的仿真系统在观测波段10μm、观测视场角取0°时的不同集光望远镜数量下的惠更斯PSF图(图12和图13均截取了2048×2048像素)可知，多集光望远镜下获得了相应的干涉图像。

另外，在损失一些光能量可以接受的情况下，由于本发明设置的第四项条件得出需D₃>3.55m，而实际D₃设计为4m，并且l＝1.6m比第三条件计算的m₃对应的1.31m大一些，因此该菲索干涉成像系统可在一定范围内拉大或缩小干涉基线，同时合束望远镜前两光束间距l进行同比例的变化即可。

针对于合成孔径恒星干涉仪探测法，在该模式下可开展高精度天体测量等。该方式所用的合成孔径恒星干涉仪可直接在以上合成孔径菲索干涉仪的基础上，根据观测需要适当地调节干涉基线的长度，并且此时集光望远镜光压缩比不需要等于干涉基线长度和合束望远镜前两光束间距比值，即合束望远镜前两光束间距不一定进行同比例的变化。

针对于合成孔径消零菲索干涉成像法，其可用于多行星系统或极早期行星系统(例如原行星盘阶段)直接成像。该方式所用的合成孔径消零菲索干涉仪的前端部分可复用合成孔径消零干涉探测模式的集光望远镜、潜望镜和延迟线光路，后端成像部分可复用合成孔径菲索干涉成像模式中的合束望远镜。该方式构建的合成孔径消零菲索干涉成像系统仿真效果如图14。

由图15(一个集光望远镜)和图16(四个集光望远镜(消零))示出的仿真系统在观测波段10μm、观测视场角取0°时，不同集光望远镜数量下的惠更斯PSF图可知，多集光望远镜下获得了相应的消零干涉图像。其中，图15为单路入射光惠更斯PSF图，像中心能量最高，达到了1.00；图16为四路光合束后的惠更斯PSF图，像中心部分得到了较深的消零，因此该干涉系统很好地实现了消零干涉观测。

最后，即可进行仿真数据的生成，具体为基于以上Zemax构建的系外宜居行星直接探测模式和其他探测模式仿真系统，进一步通过Zemax编程接口编写光学系统智能控制软件，可仿真分析各种仪器状况以及天基真实观测情况，例如镜面抖动、镜面移动、镜面倾斜、面源目标成像等，均可实现智能仿真，并可批量生成观测数据，从而极大地推动了干涉系统工程化的研究进程，且能够更好地保证研究结果的准确性。

综合来讲，本发明的用于系外宜居行星搜寻任务的空间分布式合成孔径光学探测方法使用无色差锁相消零干涉的技术方案解决了高对比度、高分辨率、高灵敏度的问题。而在实现观测资源的高效使用方面，通过进一步优化干涉系统，提出多模式探测技术方案，包括多集光望远镜可并行或独立地开展恒星光谱测光、集光望远镜与合束系统组成菲索干涉仪对潜在目标开展干涉成像等，从而可完成多工作模式并行或切换工作的多功能探测方法研究。本方法除了实现恒星宜居带干涉成像和宜居带类地行星干涉光谱探测的主要科学目标外，还可实现恒星光谱监测与系外行星大气凌星光谱探测等科学目标。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空间分布式合成孔径光学探测方法，包括利用直接探测法进行探测，所述直接探测法包括以下步骤：

a、在望远镜的反射镜面上镀制金属镀膜；

b、通过场向量反转实现π相位延迟；

c、利用全对称合束器对反射光线进行瞳面干涉合束；

d、对干涉结果进行采样。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，入射光经镀制金属镀膜的镜面反射后，沿垂直于入射面的偏振分量s方向上振动的入射电场反射后振动方向反向，沿平行于入射面的偏振分量p方向上振动的入射电场反射后振动方向不变。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，利用潜望镜光路实现两个干涉臂之间π的相对相位延迟。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过两组相对摆放的潜望镜，使两个干涉臂的入射光之间发生180度的场相位翻转。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(c)中，利用马赫—曾德尔合束器构造两次通过型合束器使两个干涉臂平衡。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用2块50-50分束器，并将镀膜面朝相反方向放置。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(d)中，基于迈克尔逊型干涉仪，利用时间调制或空间调制采样干涉结果，利用ABCD采样算法计算干涉结果的相位和可见度；

其中，ABCD采样算法记录干涉条纹上或延迟线调制一个波长的光程的时间段内间隔为π/2的4个采样点的干涉强度；

观测时通过改变基线长度和方向获得不同频域的目标信息，当满足图像重构要求时，再进行傅里叶逆变换，得到目标的像。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，利用其他探测法与所述直接探测法并行或切换完成探测；

所述其他探测法包括单孔径望远镜高精度测光法、合成孔径菲索干涉成像法、合成孔径恒星干涉仪探测法和合成孔径消零菲索干涉成像法；

所述直接探测法为合成孔径消零干涉探测法。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单孔径望远镜高精度测光法为，在集光望远镜后端加装聚光系统，并设置成像或光谱观测终端的接口，使集光望远镜相对于干涉观测系统并行或单独地开展成像或光谱观测；

所述合成孔径菲索干涉成像法为，利用多个集光望远镜和一个合束望远镜直接产生目标的像；其中，使合束望远镜主镜不丢失合束光，合束望远镜副镜不遮挡合束光，且集光望远镜光压缩比等于干涉基线长度和合束望远镜前两光束间距比值；所述合成孔径菲索干涉成像法所使用的二元对称性菲索干涉成像系统按照以下公式设计：

f＝r·f₃；

其中，f为干涉系统的总焦距；f₃为合束望远镜焦距；r为集光望远镜的光束压缩比；L为干涉基线长度；l为合束望远镜前两光束间距；D₃为合束望远镜口径；m₃为合束望远镜副镜的大小；W为集光望远镜离合束望远镜的距离；θ₁为干涉系统视场角大小的一半；D₁为集光系统口径大小；

为集光望远镜与合束望远镜连线之间的夹角；η为合束望远镜设计比例系数，取值1.2；当系统存在多种不同的干涉基线时，先将每条基线分开计算，再综合得出最终的菲索干涉成像系统设计指标；所述合成孔径菲索干涉成像法所使用的合束终端与所述直接探测法的合束终端并列位于合束系统中；

所述合成孔径恒星干涉仪探测法中，所使用的合成孔径恒星干涉仪的干涉基线的长度根据观测需要调节；

所述合成孔径消零菲索干涉成像法中，使集光望远镜光压缩比等于干涉基线长度和合束望远镜前两光束间距比值。

Images