CN115046476B - 一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大口径望远镜测量技术领域，特别涉及一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法；在本发明内，先对稀疏孔径望远镜中子镜间活塞误差进行探测，得到子镜活塞误差，再对稀疏孔径望远镜的边缘台阶误差进行波长尺度的检测，得到边缘传感的数据，最后根据边缘传感的数据再对子镜活塞误差进行修正。

Description

一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法

技术领域

本发明涉及大口径望远镜测量技术领域，特别涉及一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法。

背景技术

未来极大口径望远镜依旧需要可计量式的检测，通过望远镜共焦、共相过程以及主动光学系统定量化、可溯源的检测，可进一步提升极大口径望远镜天文测量的精度，并对系统探测能力的保持提供保证。

传统条纹传感器，其通过解析色散条纹的倾斜角度进行解算，适用于间隔较小的系统，干涉的两部分之间的相干性较好，利用较低的光谱分辨率也可以提取较好的条纹，但对于稀疏孔径望远镜而言，由于产生干涉的两块子镜间距较大，会产生多个干涉峰值，同时条纹对比度下降也非常迅速。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其采用检测出稀疏孔径望远镜的边缘台阶误差，对探测出子镜间活塞误差进行补偿修改。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其中，包括如下步骤：

步骤S1、对稀疏孔径望远镜中子镜间活塞误差进行探测，得到子镜活塞误差；

步骤S2、对稀疏孔径望远镜的边缘台阶误差进行波长尺度的检测，得到边缘传感的数据；

步骤S3、根据边缘传感的数据再对子镜活塞误差进行修正。

作为本发明的一种改进，在步骤S1内，采用多波长方式对稀疏孔径望远镜中子镜间活塞误差进行探测。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2内，将干涉条纹与阶梯型色散元件进行垂直放置，采用干涉测量的方式进行测量，在光瞳位置处设置光阑，在光蓝位置处设置耦合光路，进行光干涉。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，采用光子灯笼的方式选择特性，将耦合光路的耦合端互相连接获取冗余。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，采用多重离焦单次曝光测量方式，通过将离焦方向与拼接边缘垂直，获得不同离焦量下，拼接局部的离焦星点图，再利用曲率传感获得离焦量的方式，得到边缘传感的数据。

作为本发明的更进一步改进，利用波分复用器将光强分解，得到各谱段的结果数据。

作为本发明的更进一步改进，通过阶跃棱镜，对原本在焦的条纹进行不同程度的离焦。

作为本发明的更进一步改进，采用光子灯笼进行相位闭合，进行两两干涉，从两两干涉的结果中提取相位。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，采用波前传感的方式进行边缘台阶差的探测。

本发明的有益效果是：本发明先对稀疏孔径望远镜中子镜间活塞误差进行探测，得到子镜活塞误差，再对稀疏孔径望远镜的边缘台阶误差进行波长尺度的检测，得到边缘传感的数据，最后根据边缘传感的数据再对子镜活塞误差进行修正。

附图说明

图1为本发明的稀疏孔径望远镜边缘传感方法的步骤框图；

图2为本发明的理想模场与实际模场的耦合示意图；

图3为基于空分复用的波前传感示意图；

图4为四不移相采集响应的示意图；

图5为利用功率谱获取特征空间频率的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

对于稀疏孔径系统，其系统光学元件较少，共焦检测的计量检测将采用光学桁架的方案，即通过高精度、宽带宽的外部光学测量，实现与光学成像过程相互独立探测过程，拓展主动光学适用范围。

对于共相探测方面，需要采用波前传感的方式，通过波前传感，获得系统瞳面相位分布，并根据相位分布进行各镜面自身面形以及相对位置的主动调整，由于其调节精度均为波长级别，因此，可归为相同的类别。

对于共相的保持，其重点在边缘相位差的精准探测与有效反馈补偿；聚焦于边缘台阶差的探测，即通过对局部相位的高精度测量，获得子镜之间活塞误差，并对该误差进行有效的修正。

请参照图1至图5，本发明的一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，包括如下步骤：

步骤S1、对稀疏孔径望远镜中子镜间活塞误差进行探测，得到子镜活塞误差；

步骤S2、对稀疏孔径望远镜的边缘台阶误差进行波长尺度的检测，得到边缘传感的数据；

步骤S3、根据边缘传感的数据再对子镜活塞误差进行修正。

在本发明内，先对稀疏孔径望远镜中子镜间活塞误差进行探测，得到子镜活塞误差，再对稀疏孔径望远镜的边缘台阶误差进行波长尺度的检测，得到边缘传感的数据，最后根据边缘传感的数据再对子镜活塞误差进行修正。

其中，在步骤S1内，采用多波长方式对稀疏孔径望远镜中子镜间活塞误差进行探测。

在本发明内，在步骤S2内，将干涉条纹与阶梯型色散元件进行垂直放置，采用干涉测量的方式进行测量，在光瞳位置处设置光阑，在光蓝位置处设置耦合光路，进行光干涉，并实现光干涉，并对结果进行周期图计算。

具体地说，采用光子灯笼的方式选择特性，将耦合光路的耦合端互相连接获取冗余，构建控制矩阵，可以采用实现物理上架构的突破，即可以切换中心子孔径；利用相位闭合性提升检测精度；采用光子灯笼进行相位闭合，进行两两干涉，从两两干涉的结果中提取相位。

在步骤S2内，采用多重离焦单次曝光测量方式，通过将离焦方向与拼接边缘垂直，获得不同离焦量下，拼接局部的离焦星点图，再利用曲率传感获得离焦量的方式，得到边缘传感的数据。

在本发明内，利用波分复用器将光强分解，得到各谱段的结果数据；空分复用采用光子灯笼的多个波长的复用，波分复用是采用多个波长复用。

在本发明内，利用结构光对边缘进行照射，通过对边缘断点的提取，可获得对阶跃边缘的探测；通过阶跃棱镜，对原本在焦的条纹进行不同程度的离焦，通过不同自由空间传播距离的调制，即对瞳面共轭位置增加阶跃形式的相位差，由于色散等引起的像差可以近似认为接近；可结合毛玻璃与几何相位材料，实现光谱的压缩感知，即分别用单个光谱通道通过毛玻璃成像，获得光点的扩散函数，之后同时照射，同时获得多个光谱通道的检测结果，可减少相机的数量(红外相机十分昂贵)。

空分复用器件可接近无损的转化与分解不同模式的光场，本项目拟使用空分复用元件同时实现光子的高效率耦合与系统的波前传感，在此拟针对少模端所接收模场进行模式分解，并进行低阶模重组，形成空间滤波，并基于波导内部拉锥结构，计算对应单模光纤内的光强分布。根据傅里叶光学基本原理，不同的像差组对于其焦斑能量分布存在对应的影响模式。针对所获取到的光子流，利用正交模式分解的方式逆解系统波像差，并以此驱动变形镜进行校正，保证系统入射质量，提升耦合质量与最终成像对比度。

针对光子耦合而言，将星光耦合进入光纤系统少模端，由于少模波导光场自由度较高，因此，可有较多模式的光子进入器件，之后，经过波分复用器件，筛选合适的带宽进入后续光子波导器件，对于波前传感而言，针对光子灯笼少模端，将现有能量分布分解至lp01,LP11a，LP11b等低阶模态之上，并根据不同模态值的变化与系统波前误差进行映射。

针对口径较大的系统，低阶探测模式无法完整表征系统波前误差，因此，采用离散子孔径采样的方法，通过若干子孔径的采样，结合波前的本征模式分解，实现波前传感；临界相跟孪生相的矫正，通过获得全息图进行合理位置的采样或者开窗获得；强湍流采用多帧的平均来实现。

光纤是由两个或多个介电材料层组成的圆柱形波导。麦克斯韦方程以及边界条件描述了通过光纤传播的不同模式。单模光纤只有基模F01。它的轮廓是核心中的贝塞尔函数和包层中的汉克尔函数。在某些条件下，此轮廓可以用高斯近似,如下：

其中，

针对单模光纤：

其中，

·代表标量积，|| ||代表取模。

并行梯度下降法与有波前探测原件的自适应法的主要区别是：该方法每次寻优的方向都是随机的，虽然在统计意义上，其收敛性可以保证，但是在实时性要求比较高的情况下，其收敛速度偏慢的缺点就显得十分突出，故设自适应光学系统性能指标为β，通过增加扰动电压{δu_i}之后得到的性能指标变化量为Δβ，由于在实际的工程应用与科研实践中，不会出现能量激变的情况，故假设系统性能指标β可导，通过泰勒展开可以得到：

其中，o(c²)为展开式中的剩余项。

使用为了得到性能指标下降的梯度，左右两边同时乘以δu_i，取期望可得：

假设{δu_i}中的各个元素独立同分布，可以得到：

其中σ²为{δu_i}的方差，利用(2)式，可以通过统计规律得到评价指标的下降梯度无偏估计；

通过以上的方法可以得到:

cⁿ⁺¹＝cⁿ+δβδc   (3)；

(3)式为该方法的核心公式，选取合理的扰动电压可以得到更好的收敛特性；另一方面，由(3)式可得，平行梯度下降法是一个依赖数理统计得到估计来近似梯度的方法，同样地，利用无偏估计可以得到最佳步长的估计。

条纹跟踪系统的设计通常采用基于频域法的经典控制理论或基于状态空间法的现代控制理论，无论采用哪种方法都需要获得被控对象的控制模型，ABCD干涉法其基本原理为利用半波延迟，利用干涉所形成的强度，进行ABCD四步移相得到强度向量I^ABCD _i作为延迟δ的方程组：

其中,

为四步移相探测强度向量，

为波数，|E_i1|²与|E_i2|²为分别为，λi是通道光谱中心波长，Δλ是带宽，δ0是系统相位差：两束光之间的光程差(OPD)在包络中心；λi和Δλ是已知的，干涉条纹振幅为：

所获得的相位差为：

干涉条纹对比度(contrast)或可见度(visibility)可表达为条纹振幅与背景照度之比(illumination)，

条纹运动的跟踪方法可分为群延迟跟踪和相位延迟跟踪，以零附加延迟强度分布为例，

主要是利用光谱分散条纹的均值跟踪最大对比度的延迟位置，相位延迟跟踪是更多的要求，因为它包括锁定条纹的实际相位,

利用频域对其进行分析

其中，Delta(·)为脉冲函数、rect(·)为方波，可见，干涉条纹具有特征频率k_i(δ_i-δ_i0)，该频域与由非冗余光纤排列对应的空间频率处；将色散特征考虑进来后，二维条纹会产生一定的斜率变化，通过对其图像进行处理，则可以得到群延迟与相位延迟。

利用热载荷的理论建模，可以降低由于热载荷的滞后性所带来的，针对环境温差所导致的像质退化，进行前馈的补偿，通过对系统升温与降温过程的理论建模，不仅可以实现对像质变化的预估，同时可以将温度变化的主要部分补偿掉，降低对波前传感的动态范围占用，即利用指数规律，对波前的畸变与退化进行预测。

其中

T_i为初始时间温度，T_i+1为结束时间温度，k温降系数，t_i为初始时间，指数型预测模型进行干涉光强开环前馈反馈，如式所示：

“光学桁架”是一种利用距离测量控制元件位姿的方法，由于类似于杆件所组成的机械桁架，因此被称为“Optics Truss”，可利用一维的距离测算，结合空间机构学基本原理，构建对各个光学元件大跨度、高精度测量与调控，以实现干涉光路的高精度稳定。

设元件i，j之间的长度将由下式表示L_ij(t)，由于小的自由度变化,L_ij(t)可以分解为

L_ij(t)＝L_ij+δL_ij(t)；

光学桁架通过建立桁架长度变化量与子镜六维广义位移量δQ(不局限于笛卡尔坐标表达)的关系，因此平台雅克比矩阵可逆，故有：

δQ＝J^-1δq；

其中，δq＝[δL_i2,...,δL_ij,...,δL_M6]，空间多维雅可比为：

针对光干涉架构，结合单模波导空间滤波特性，可得每个元件所引入光程差为：

最终，干涉测量模型的定量化表达如下所示，可作为大量程延迟线的位置反馈传感，实现大范围的光程延迟，

干涉成像链路中，系统视场较小，光瞳边缘与内部的能量分布不仅决定了进入波前传感元件信息的完整性，也直接影响了变形镜对波前的实时校正效果；元件切向位移可由广义位移量δQ直接获得。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、对稀疏孔径望远镜中子镜间活塞误差进行探测，得到子镜活塞误差；

步骤S2、对稀疏孔径望远镜的边缘台阶误差进行波长尺度的检测，得到边缘传感的数据；

步骤S3、根据边缘传感的数据再对子镜活塞误差进行修正；

在步骤S2内，采用多重离焦单次曝光测量方式，通过将离焦方向与拼接边缘垂直，获得不同离焦量下，拼接局部的离焦星点图，再利用曲率传感获得离焦量的方式，得到边缘传感的数据。

2.根据权利要求1所述的一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其特征在于，在步骤S1内，采用多波长方式对稀疏孔径望远镜中子镜间活塞误差进行探测。

3.根据权利要求1所述的一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其特征在于，在步骤S2内，将干涉条纹与阶梯型色散元件进行垂直放置，采用干涉测量的方式进行测量，在光瞳位置处设置光阑，在光阑位置处设置耦合光路，进行光干涉。

4.根据权利要求3所述的一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其特征在于，在步骤S2内，采用光子灯笼的方式选择特性，将耦合光路的耦合端互相连接获取冗余。

5.根据权利要求3所述的一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其特征在于，利用波分复用器将光强分解，得到各谱段的结果数据。

6.根据权利要求4所述的一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其特征在于，通过阶跃棱镜，对原本在焦的条纹进行不同程度的离焦。

7.根据权利要求3所述的一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其特征在于，采用光子灯笼进行相位闭合，进行两两干涉，从两两干涉的结果中提取相位。

8.根据权利要求1所述的一种稀疏孔径望远镜边缘传感方法，其特征在于，在步骤S2内，采用波前传感的方式进行边缘台阶误差的探测。

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