CN114264371A - 异构子孔径的条纹追踪方法 - Google Patents

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刘欣悦
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Abstract

本发明提供一种异构子孔径的条纹追踪方法，包括如下步骤：S1、口径不同的移动接收望远镜与固定接收望远镜接收的光束分别经微透镜阵列耦合入光纤阵列中；S2、两路光束经光纤阵列的空间滤波后通过色散元件分散为单色光，各路单色光通过会聚透镜入射至异构子孔径拼接干涉仪发生干涉形成干涉光谱；其中，两路光束分散而成的单色光之间发生干涉；S3、对干涉光谱进行频谱分析，获得两路光束的光程差；S4、基于光学延迟线或促动器对光程差进行实时跟踪补偿，以实现异构子孔径的条纹追踪。本发明本发明利用不同口径的望远镜甚至集成不同类型干涉装置的异构子孔径架构具有充分利用现有设备、可兼顾详查与普查的优点，实现更高效率的空间光学干涉成像。

Description

异构子孔径的条纹追踪方法
技术领域
本发明涉及干涉条纹追踪技术领域，具体涉及一种异构子孔径的条纹追踪方法。
背景技术
条纹追踪技术(fringe tracking)的基本原理是依靠快速扫描条纹图案，将获得的白光干涉条纹的位置信息回馈给伺服控制器，通过控制光学延迟线(opticaldelayline)或促动器(actuator)调节光程差，以使条纹抖动(fringe jitter)远小于条纹间隔，稳定条纹。经过40年的发展，条纹追踪器已成为现代长基线恒星干涉仪的重要组成部分。其中，GRAVITY条纹追踪器是目前光学干涉测量条纹追踪领域中最先进的设备，可在每个探测器积分时间内、信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)为1.5的情况下，追踪K波段11星等(UTs)、9.5星等(ATs)相干光源干涉条纹。在良好的观测条件下，辅助望远镜内光程延迟残差(optical path delay residuals)可低至75nm rms(root mean square)，但受结构振动(vibration)限制，单元望远镜性能约为250nm rms。
无线电干涉仪中使用的检测技术与典型的振幅线性外差形成对比。尽管无线电干涉仪和光学干涉仪之间存在技术差异，但光源特性的有一个共同特征即为光源可见度，足以给出干涉仪响应的定性和定量描述。
可见度是一个复数，其振幅描述干涉条纹的强度，其相位用于描述条纹相对于相位中心的位置。具有单位归一化可见度幅度是指产生幅度等于全部接收功率的条纹的源，并且不能被干涉仪分辨。相反，产生振幅小于接收功率的条纹的归一化可见度振幅小于1的源，能够被干涉仪分辨。
合成成像技术是指源的可见度可以作为源亮度形态的简单傅立叶变换来计算，并且源可见度函数的逆傅立叶变换产生源形态。合成成像技术已经在无线电干涉测量中使用了许多年。光学干涉仪已经开始对合成成像进行尝试。然而，今天许多光学干涉仪仅限于测量可见度振幅，没有相位信息可用。
干涉阵列成像作为天文直接高分辨观测的重要手段，对于临近系外行星的搜索与研究，具有十分重要的意义。与传统利用相同口径望远镜进行干涉成像的方式相比，利用不同口径甚至集成不同类型干涉装置的异构子孔径架构具有充分利用现有设备、可兼顾详查与普查的优点。但是，针对异构子孔径的干涉探测机理等方面，尚处于探索阶段，尤其是在异构架构下的光程补偿与稳定(条纹追踪)这一干涉成像的关键技术，尚未展开深入的研究。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，本发明提供一种异构子孔径的条纹追踪方法，可利用现有望远镜进行更为灵活的观测，缩短系统建设周期，大大提高对于突发天文现象的响应能力。同时，可灵活变换系统观测视场，兼顾详查普查，实现更高效率的空间光学干涉成像。
本发明提供的异构子孔径的条纹追踪方法，包括如下步骤：
S1、移动接收望远镜与固定接收望远镜接收的光束分别经微透镜阵列耦合入光纤阵列中；其中，移动接收望远镜与固定接收望远镜的口径不同；
S2、两路光束经光纤阵列的空间滤波后通过色散元件分散为单色光，各路单色光通过会聚透镜入射至异构子孔径拼接干涉仪发生干涉形成干涉光谱；其中，由移动接收望远镜接收的光束分散而成的单色光分别与由固定接收望远镜接收的光束分散而成的单色光发生干涉；
S3、对干涉光谱进行频谱分析，获得两路光束的光程差；
S4、基于光学延迟线或促动器对光程差进行实时跟踪补偿，以实现异构子孔径的条纹追踪。
优选地，光程差的计算公式如下：
Figure BDA0003451632240000031
δφ＝k·α·χs；
Figure BDA0003451632240000032
Figure BDA0003451632240000033
其中，IA表示发生干涉的两束单色光在干涉仪焦面处的光强分布，Δλ表示入射带宽，I1和I2表示发生干涉的两束单色光的光强，δφ(λi)表示第i个波长的相位差，χs表示发生干涉的两束单色光的光程差，k表示第i个波长对应的波数，α表示光瞳映射因子，B表示实际基线长，L表示最长基线长。
优选地，色散元件为光栅。
优选地，色散元件为毛玻璃。
优选地，
Figure BDA0003451632240000034
其中，PSF表示点扩散函数，
Figure BDA0003451632240000035
表示复色光在干涉仪焦面处的光强分布。
与现有技术相比，本发明利用不同口径的望远镜甚至集成不同类型干涉装置的异构子孔径架构具有充分利用现有设备、可兼顾详查与普查的优点，能够实现稳定的异构子孔径的条纹追踪。
附图说明
图1是本发明实施例中的异构子孔径的条纹追踪方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例提供的异构子孔径的条纹追踪方法的流程。
如图1所示，本发明实施例提供的异构子孔径的条纹追踪方法，包括如下步骤：
S1、移动接收望远镜与固定接收望远镜接收的光束分别经微透镜阵列耦合入光纤阵列中；其中，移动接收望远镜与固定接收望远镜的口径不同。
移动接收望远镜接收的光束直接通过微透镜阵列耦合入光纤阵列中。
固定接收望远镜接收的光束经光学延时线或促动器延时后通过微透镜阵列耦合入光纤阵列中。
微透镜阵列用于重排子孔径的光，重排后的子孔径的光耦合入光纤阵列中。
基于光纤只能传播基模的特点，通过光纤阵列对光束进行空间滤波。
S2、两路光束经光纤阵列的空间滤波后通过色散元件分散为单色光，各路单色光通过会聚透镜入射至异构子孔径拼接干涉仪发生干涉形成干涉光谱；其中，由移动接收望远镜接收的光束分散而成的单色光分别与由固定接收望远镜接收的光束分散而成的单色光发生干涉。
本发明通过色散元件对移动接收望远镜接收的光束和固定接收望远镜接收的光束进行色散，将两路光束分别分散成单色光，从而在空域上展开，获得不同频率成分的单色光，然后对不同频率成分的单色光进行条纹提取，利用各个单色光之间光程差，探测光程差内的条纹变化，实现条纹追踪。
S3、对干涉光谱进行频谱分析，获得两路光束的光程差。
光程差的计算公式如下：
Figure BDA0003451632240000041
δφ＝k·α·χs；
Figure BDA0003451632240000051
Figure BDA0003451632240000052
其中，IA表示发生干涉的两束单色光在干涉仪焦面处的光强分布，Δλ表示入射带宽，I1和I2表示发生干涉的两束单色光的光强，δφ(λi)表示第i个波长的相位差，χs表示发生干涉的两束单色光的光程差，k表示第i个波长对应的波数，α表示光瞳映射因子，B表示实际基线长，L表示最长基线长。
上述的色散元件可以为光栅，还可以为毛玻璃。
当色散元件可以为光栅时，通过空间色散的方式将移动接收望远镜与固定接收望远镜接收的光束分散成单色光。
当色散元件可以为毛玻璃时，
Figure BDA0003451632240000053
其中，PSF表示点扩散函数，
Figure BDA0003451632240000054
表示复色光在干涉仪焦面处的光强分布。
毛玻璃的每一个区域均具有一个固定色散的传递函数，通过单色光照射提前测试获得毛玻璃的特性，再通过反卷积的方式获得光强分布。
S4、基于光学延迟线或促动器对光程差进行实时跟踪补偿，以实现异构子孔径的条纹追踪。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种异构子孔径的条纹追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、移动接收望远镜与固定接收望远镜接收的光束分别经微透镜阵列耦合入光纤阵列中；其中，所述移动接收望远镜与所述固定接收望远镜的口径不同；
S2、两路光束经所述光纤阵列的空间滤波后通过色散元件分散为单色光，各路单色光通过会聚透镜入射至异构子孔径拼接干涉仪发生干涉形成干涉光谱；其中，由所述移动接收望远镜接收的光束分散而成的单色光分别与由所述固定接收望远镜接收的光束分散而成的单色光发生干涉；
S3、对所述干涉光谱进行频谱分析，获得两路光束的光程差；
S4、基于光学延迟线或促动器对所述光程差进行实时跟踪补偿，以实现异构子孔径的条纹追踪。
2.如权利要求1所述的异构子孔径的条纹追踪方法，其特征在于，光程差的计算公式如下：
Figure FDA0003451632230000011
δφ＝k·α·χs；
Figure FDA0003451632230000012
Figure FDA0003451632230000013
其中，IA表示发生干涉的两束单色光在干涉仪焦面处的光强分布，Δλ表示入射带宽，I1和I2表示发生干涉的两束单色光的光强，δφ(λi)表示第i个波长的相位差，χs表示发生干涉的两束单色光的光程差，k表示第i个波长对应的波数，α表示光瞳映射因子，B表示实际基线长，L表示最长基线长。
3.如权利要求2所述的异构子孔径的条纹追踪方法，其特征在于，所述色散元件为光栅。
4.如权利要求2所述的异构子孔径的条纹追踪方法，其特征在于，所述色散元件为毛玻璃。
5.如权利要求4所述的异构子孔径的条纹追踪方法，其特征在于，
Figure FDA0003451632230000021
其中，PSF表示点扩散函数，
Figure FDA0003451632230000022
表示复色光在干涉仪焦面处的光强分布。
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CN111595559A (zh) * 2020-06-22 2020-08-28 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量系统
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